Проектирование воздухозаборника ГТУ
1)Площадь сечения воздухозаборника на входе
м2,
где - диаметр миделя (по заданию)
2)Удельный расход на входе
;
3)По таблицам газодинамических функций находим приведённую скорость
Для приведённая скорость потока равна .
4)Скорость потока на входе
м/с;
5) Угол конусности выбирается из интервала
6)Длина воздухозаборника
м,
где - диаметр вершин лопаток первой ступени компрессора
2. Расчёт геометрических параметров осевого компрессора [2].
Эта методика основывается на статистических данных по различным осевым компрессорам ГТД. Для определения длины компрессора необходимы параметры первой и последней ступени. Ниже приводится пример расчёта, который выполнен на основе данных, отличных от полученных в предыдущем разделе (высоты лопаток), но при выполнении курсовой работы они должны быть согласованы.
Принимаем высоту лопаток первой ступени компрессора из диапазона 150-300 мм, последней ступени не менее 20 мм (принимаем 60 мм). Исходя из опыта проектирования газотурбинных установок и двигателей, удлинение лопаток на первой ступени осевого компрессора доходит до 3.5...4.5. На последних ступенях принимаются меньшие значения удлинения . По определению
,
где - высота лопатки, - длина хорды профиля лопатки. От сюда можно определить длину хорды
|
|
мм;
мм;
Обозначения с индексом z относятся к последней ступени компрессора.
Осевые зазоры между направляющими и рабочими лопатками принимаем 20% от длины хорды :
мм;
мм;
Степень повышения давления в компрессоре:
;
Степень повышения давления в одной ступени компрессора принимаем .
Тогда количество ступеней можно определить по формуле:
Округляем до целого в большую сторону , так как в процессе движения воздуха в проточной части существуют гидравлические потери.
Длина компрессора:
мм
2.1 Расчет массы компрессора.
Расчёт массы компрессора основывается на тех же принципах, что и расчёт длины компрессора (по массе первой и последней ступени):
,
где значение коэффициента , получено на основе статистического анализа масс 36 компрессоров с различной формой проточной части.
Масса ступени определяется как сумма составляющих масс корпуса, лопаток и дисков:
;
Масса корпуса
,
где - диаметр корпуса, - плотность материала корпуса, - длина ступени, - толщина стенки корпуса.
Входящая в формулу толщина стенки корпуса рассчитывается из условия обеспечения требуемой прочности от напряжений растяжения в предположении, что разрыв оболочки может произойти по образующей. При этом допустимое напряжение растяжения МПа. С учётом этого величину можно определить как
|
|
;
Диаметр корпуса (диаметр верхней кромки лопаток) принимаем
м;
Диаметр втулки (диаметр корневого сечения лопаток)
м;
Средний диаметр ступени
м;
м;
Длина ступени
м;
Масса корпуса ступени компрессора
кг;
Массы лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата ступени осевого компрессора можно найти с помощью приближённой формулы:
,
где - среднегеометрический диаметр ступени; - статистический коэффициент, принимаемый равным 0.12 для лопаток осевого компрессора. Материал для лопаток компрессора назначаем титановый сплав ВТ3-1 с плотностью кг/м3.
Для первой ступени компрессора масса лопаток РК и НА
кг;
Масса диска осевого компрессора также определяется на основании статистической обработки многочисленных конструкций с учётом внешней контурной нагрузки в виде напряжения растяжения в корневых сечениях лопаток по соотношению
В лопатках осевых компрессоров напряжения растяжения от центробежных сил достигают 150-200 МПа (титановые сплавы), 250-350 МПа (стальные), 100-150 МПа (алюминиевые сплавы). Принимаем материал диска компрессора - титановый сплав ВТ-9.
|
|
С учётом выше сказанного, масса диска компрессора
кг;
Тогда масса первой ступени компрессора будет
кг.
Аналогичным образом определяются массы корпуса ( кг), лопаток ( кг) и диска ( кг) последней ступени и определяется масса всей последней ступени компрессора
кг.
Масса всего компрессора
кг.
3. Расчет геометрических параметров турбины [2].
При определении осевой протяжённости турбины можно воспользоваться формулой
,
где ; - число ступеней турбины (2...4); - величина осевого зазора; индекс z относится к параметрам последней ступени.
Удлинение сопловых и рабочих лопаток можно определить с помощью графиков в зависимости от отношения .
Одним из важнейших конструктивных параметров является втулочное отношение . Для первых ступеней турбины характерны значения ; для последних ступеней .
Число ступеней принимаем . Принимаем для первой ступени , для последней ступени . Тогда отношение определится по формуле
По графику принимаем для первой ступени турбины
- удлинение сопловых лопаток
- удлинение рабочих лопаток
По графику принимаем для последней ступени
- удлинение сопловых лопаток
|
|
- удлинение рабочих лопаток
Принимаем длину хорды профиля лопаток м. Тогда длина сопловых лопаток первой ступени турбины будет
м
длина рабочих лопаток первой ступени турбины
м
длина сопловых лопаток последней ступени турбины
м
длина рабочих лопаток последней ступени турбины
м
Величину осевого зазора принимают как 20...30% от длины хорды профиля лопатки
м
Длина турбины
Расчет массы турбины
Принимаем материал диска - сплав ЭИ437Б с плотностью кг/м3;
материал лопаток - сплав ЖС6-К с плотностью кг/м3.
Масса турбины оценивается приближённо по формуле
,
где в качестве массы "средней" ступени можно принять массу первой ступени.
Зная отношение среднего диаметра к высоте лопатки и саму высоту лопатки, можно найти средний диаметр
м;
Тогда диаметр вершин лопаток
м;
Диаметр корневого сечения (диаметр диска)
м;
Масса лопаток ступени турбины (сопловой аппарат + рабочее колесо) определяется аналогично массе лопаток компрессора
где для лопаток турбин.
кг;
Масса диска турбины определяется по формуле
,
где - плотность материала диска;
- радиус, соответствующий максимальному напряжению в диске;
- напряжение растяжения в корневых сечениях лопаток;
- площадь корневого сечения лопатки;
- допускаемое напряжение для материалов дисков турбин;
- частота вращения вала;
Величину можно определить по формуле
м;
Коэффициент определяется по формуле
;
Площадь корневого сечения лопатки
м;
Где - максимальная толщина профиля рабочей лопатки в корневом сечении (принята равной 0.01 м).
Окружная скорость на среднем диаметре
м/с;
Напряжение растяжения в корневых сечениях лопаток
Па;
Принимаем относительный шаг , так как это значение использовалось при получении статистических коэффициентов. Тогда количество лопаток рабочего колеса
;
Принимаем допускаемые напряжения для материала диска Па.
Масса диска будет
кг
Масса турбины
кг
4. Расчет геометрических параметров и массы камеры сгорания газотурбинного двигателя [3].
1. Расчет потребного объема жаровой трубы (суммарный объем жаровых труб)
= ,
где –часовой расход топлива, (кг/ч);
- удельная теплота сгорания, (кДж/кг);
- коэффициент выделения тепла, (0,98…0,99),( Принимаем ) ;
-давление на выходе из компрессора, (Па);
- теплонапряжённость камеры, определяется уровнем температуры газа перед турбиной и типом конструктивной схемы камеры, выбирают в пределах кДж/ *ч*Па. (Принимаем кДж/ *ч*Па)
2. Расчет максимальной площади поперечного сечения камеры сгорания.
,
где –расход газа, (кг/с);
- массовая плотность воздуха на выходе из компрессора;
- средняя условная скорость газа в максимальном сечении камеры. По статистике =30…45 /с. (Принимаем ).
3. Расчет наружного диаметра камеры сгорания.
где – наружный диаметр на выходе из компрессора ( ).
4. Расчет внутреннего диаметра камеры.
где - максимальная площадь поперечного сечения камеры сгорания ( ;
- наружный диаметр камеры сгорания.
5. Расчет диаметра делительной окружности.
Делительная окружность делит поперечное сечение камеры на две равновеликие по площади части.
где - наружный диаметр камеры сгорания, ( );
- внутренний диаметр камеры сгорания, ( ).
6. Расчет площади поперечного сечения жаровой трубы (исходя из статистических данных).
где - максимальная площадь поперечного сечения камеры сгорания, ( ).
7. Расчет длины жаровой трубы.
где - потребный объем жаровой трубы, ( );
– площадь поперечного сечения жаровой трубы, ( ).
8. Расчет диаметра жаровых труб.
где – площадь поперечного сечения жаровой трубы, ( );
– коэффициент, учитывающий необходимость промежутка между жаровыми трубами (1,1 … 1,5)( Принимаем );
– делительный диаметр, ( ).
9. Расчет высоты кольца (для кольцевой камеры).
где – площадь поперечного сечения жаровой трубы, ( );
– делительный диаметр, ( ).
10. Расчет длины диффузора на входе в камеру сгорания.
где – длина жаровых труб, ( ).
11. Полная длина камеры сгорания.
где – длина жаровых труб, ( );
– длина диффузора ( ).
12. Расчет массы жаровой трубы.
где – делительный диаметр, ( );
– высота кольца, ( );
– длина жаровых труб, ( );
– толщина стенки жаровых труб, ( );
– плотность материала жаровых труб .
13. Расчет массы диффузора.
где – наружный диаметр на выходе из компрессора ( );
– толщина стенки диффузора, ( );
– длина диффузора, ( );
– плотность материала диффузора ;
– высота лопатки компрессора последней ступени, ( );
- внутренний диаметр камеры сгорания, ( ).
14. Масса всей камеры сгорания.
где – масса жаровых труб, ;
– масса диффузора,
Сводная таблица массовых и габаритных характеристик
Конструктивный элемент ГТУ | Масса, кг | Длина, м |
Компрессор (ротор+статор) | 1819 | 1.022 |
Компрессор (ротор) | 785 | 1.022 |
Турбина (ротор+статор) | 948 | 0.423 |
Турбина (ротор) | 478 | 0.423 |
Камера сгорания | 125 | 0.405 |
Диффузор камеры сгорания | 42 | 0.135 |
Рис.4 Схема ГТУ
5. Расчёт колебаний.
Расчета проводится с помощью специального расчетного приложения, которое позволяет оценить динамическое поведения ГТД при колебательных режимах его работы, оценить динамические нагрузки, действующие на конструктивные элементы и узлы (приложение 3).
Используя программу расчёта колебаний получаем:
1) Вводим соответственно расчетные значения масс ступеней (пункт 10):
2)Указываем принятые значения длин блоков:
3)Указываем количество ступеней компрессора (пункт 4):
4) Указываем принимаемый диаметр (пункт 7):
5) Выбираем для расчета «Продольные колебания»:
Прочие параметры принимаем заданных программой значений.
6) Запускаем программу расчета:
7) Оцениваем полученный график продольных колебаний. Необходимо указать значение Моды = 3:
8) Для проведения подобного исследования изгибных колебаний, выбираем вместо «Продольные колебания» - «Изгибные колебания» и так же указываем Мода = 3:
Пример:
Используя программу расчёта колебаний получаем:
Исходные данные:
Полученный график продольных колебаний:
Полученный график изгибных колебаний:
Условие устойчивости.
Эксплуатационные нагрузки не должны превышать q.
- количество полуволн
- длина агрегата
- средний диаметр турбины
Расчет стыкового соединения.
Крепление производится с помощью соединения группой болтов.
При расчете принимаем следующие допущения:
- поверхности стыка остаются плоскими (не деформируются) при всех фазах нагрузки.
- поверхности стыка имеют минимум две оси симметрии, а болты расположены симметрично относительно этих осей.
- все болты одинаковы и равно затянуты.
Принимаем болты без зазора.
Прочность обуславливается напряжениями среза и смятия.
В стыке на болтовое соединение действуют следующие факторы:
-Вес конструкции.
- масса всей конструкции
-Вибрационные нагрузки.
- перемещения
- частота колебаний
Вибрационные нагрузки учитываются по сумме продольных и поперечных колебаний.
Продольные колебания:
Поперечные колебания:
-Силы давления.
Принимаем количество болтов
Болт М10-6g±60,58(s18); ГОСТ 7805-70
Для расчета прочности найдем нагрузку при срезе на один болт
Расчет болта на срез:
Принимаем МПа
— расчетная площадь смятия;
Расчет болта на смятие:
Здесь — нагрузка на одну соединительную деталь;
— допускаемое напряжение на смятие.
В машиностроении для болтовых, штифтовых и шпоночных соединений принимают: для деталей из среднеуглеродистой стали
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 851; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!