УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕУЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ«ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЕТ «ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЕТ

ГАЗОВЫХ ТУРБИНГАЗОВЫХ ТУРБИНЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

МАШИН И УСТАНОВОК»МАШИН И УСТАНОВОК»

АВТОРЫ ПОСОБИЯ:АВТОРЫ ПОСОБИЯ:

Горюнов Лев Васильевич – д.т.н., профессор, Горюнов Лев Васильевич – д.т.н., профессор, заведующий кафедры ГПТУиД КГТУ им. А.Н. заведующий кафедры ГПТУиД КГТУ им. А.Н. ТуполеваТуполева

Лиманский Адольф Степанович – к.т.н., Лиманский Адольф Степанович – к.т.н., доцент кафедры ГПТУиД КГТУ им. А.Н. доцент кафедры ГПТУиД КГТУ им. А.Н. ТуполеваТуполева

Такмовцев Владимир Викторович – к.т.н., Такмовцев Владимир Викторович – к.т.н., доцент кафедры ГПТУиД КГТУ им. А.Н. доцент кафедры ГПТУиД КГТУ им. А.Н. ТуполеваТуполева

Румянцев Валерий Владимирович – к.т.н., Румянцев Валерий Владимирович – к.т.н., доцентдоцент, заведующий кафедрызаведующий кафедры «Двигатели Двигатели внутреннего сгорания» Камской внутреннего сгорания» Камской государственной инженерно-экономической государственной инженерно-экономической академииакадемии

ПОСОБИЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ ДЛЯ ПОСОБИЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ:ИСПОЛЬЗОВАНИЯ:– – Бакалаврам направления 141100 Бакалаврам направления 141100 «Энергетическое машиностроение» для «Энергетическое машиностроение» для освоения лекционного курса «Энергетические освоения лекционного курса «Энергетические машины и установки» и для выполнения машины и установки» и для выполнения курсового и дипломного проектирования.курсового и дипломного проектирования.– – Студентам для курсового и дипломного Студентам для курсового и дипломного проектирования в рамках дисциплины проектирования в рамках дисциплины «Энергетические машины» специальности «Энергетические машины» специальности 140503 «Газотурбинные, паротурбинные 140503 «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели» и при курсовом установки и двигатели» и при курсовом проектирования по дисциплине проектирования по дисциплине «Турбомашины», следующих специальностей: «Турбомашины», следующих специальностей: 160304 «Авиационная и ракетно-космическая 160304 «Авиационная и ракетно-космическая техника»; 160301 «Авиационные двигатели и техника»; 160301 «Авиационные двигатели и энергетические установки»; 160302 энергетические установки»; 160302 «Ракетные двигатели»; 140501 «Двигатели «Ракетные двигатели»; 140501 «Двигатели внутреннего сгорания».внутреннего сгорания».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ПОСОБИЯ:ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ПОСОБИЯ:

1.1.Приведено описание методики расчета Приведено описание методики расчета охлаждаемых многоступенчатых осевых охлаждаемых многоступенчатых осевых турбин газогенераторов двухвальных турбин газогенераторов двухвальных авиационных ГТД авиационных ГТД

Авиационный турбореактивный двигатель ПС-90А (ПС – Павел Авиационный турбореактивный двигатель ПС-90А (ПС – Павел Соловьев)Соловьев)

для современных самолетов Ил-96, Ту-204, Ту-214 производитель для современных самолетов Ил-96, Ту-204, Ту-214 производитель Пермский моторостроительный комплекс (ПМК)Пермский моторостроительный комплекс (ПМК)

РАСЧЕТ СОСТОИТ ИЗ ТРЕХ ЭТАПОВ:РАСЧЕТ СОСТОИТ ИЗ ТРЕХ ЭТАПОВ:На первом этапеНа первом этапе выполняется предварительный расчет. Он выполняется предварительный расчет. Он включает в себя выбор параметров турбины, таких как включает в себя выбор параметров турбины, таких как диаметр, число оборотов, число ступеней, выходная скорость диаметр, число оборотов, число ступеней, выходная скорость и др. В процессе предварительного расчета намечается и др. В процессе предварительного расчета намечается меридиональный контур проточной части турбины. Все меридиональный контур проточной части турбины. Все выбранные величины должны быть увязаны с назначением и выбранные величины должны быть увязаны с назначением и конструктивными особенностями двигателя (ТРД, ТРДД, ТВаД, конструктивными особенностями двигателя (ТРД, ТРДД, ТВаД, число валов, каскадность компрессора и др.), а также с число валов, каскадность компрессора и др.), а также с параметрами приводимых турбиной агрегатов. Значение КПД параметрами приводимых турбиной агрегатов. Значение КПД турбины выбирается таким же, как и в тепловом расчете турбины выбирается таким же, как и в тепловом расчете двигателя. На этом этапе расчета оцениваются размеры и двигателя. На этом этапе расчета оцениваются размеры и прочность лопаток первой (наибольшие температуры и прочность лопаток первой (наибольшие температуры и напряжения) и последней (наибольшие напряжения) ступеней напряжения) и последней (наибольшие напряжения) ступеней турбины, а также выбирается число ступеней и намечается турбины, а также выбирается число ступеней и намечается распределение теплового перепада по ступеням турбины. распределение теплового перепада по ступеням турбины. Второй этапВторой этап расчета заключается в детальном поступенчатом расчета заключается в детальном поступенчатом расчете турбины на среднем диаметре. В процессе этого расчете турбины на среднем диаметре. В процессе этого расчета определяются и уточняются геометрические размеры расчета определяются и уточняются геометрические размеры проточной части, параметры потока в характерных сечениях, проточной части, параметры потока в характерных сечениях, КПД и мощность турбины.КПД и мощность турбины.

Третий этапТретий этап включает в себя расчет пространственного включает в себя расчет пространственного потока в ступенях турбины с целью достижения наибольших потока в ступенях турбины с целью достижения наибольших величин КПД и получения исходных данных для величин КПД и получения исходных данных для профилирования сопловых и рабочих лопаток по высоте профилирования сопловых и рабочих лопаток по высоте ступени (закрутки лопаток), а также само профилирование ступени (закрутки лопаток), а также само профилирование лопаток в различных сечениях по высоте.лопаток в различных сечениях по высоте.

Схема и обозначения Схема и обозначения расчетных сечений в расчетных сечений в

турбине газогенератора турбине газогенератора двухвального ГТДдвухвального ГТД

Эскиз проточной части трехступенчатой турбины Эскиз проточной части трехступенчатой турбины газогенератора двухвального ГТДгазогенератора двухвального ГТД

Расположение расчетных Расположение расчетных сечений лопаткисечений лопаткиПланы скоростейПланы скоростей

и профили и профили лопаток лопаток

строятся для строятся для трехтрех

сечений по сечений по радиусурадиусу

проточной частипроточной частиПрофили рабочих лопаток в среднем сеченииПрофили рабочих лопаток в среднем сечении

←←Направление вращенияНаправление вращения

Планы скоростей в среднем сеченииПланы скоростей в среднем сечении

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙОтдельный раздел пособия посвящен описанию пакета Отдельный раздел пособия посвящен описанию пакета программ, разработанных на кафедре «Газотурбинные, программ, разработанных на кафедре «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели» КГТУ им. А.Н. паротурбинные установки и двигатели» КГТУ им. А.Н. Туполева для расчета осевых газовых турбин с Туполева для расчета осевых газовых турбин с использованием ПЭВМ. использованием ПЭВМ. Программный комплекс может использоваться на любых Программный комплекс может использоваться на любых компьютерах с операционной системой компьютерах с операционной системой Windows XPWindows XP. Он . Он включает в себя следующие файлы: включает в себя следующие файлы: TurbinaTurbina.exе.exе – – исполняемый файл программного комплекса – 500 Кб; исполняемый файл программного комплекса – 500 Кб; Help.hlpHelp.hlp – файл справки - 31 Кб – файл справки - 31 Кб; Help.cnt; Help.cnt – файл оглавления – файл оглавления справки - 1 Кб;справки - 1 Кб;В этот пакет входят следующие программы: В этот пакет входят следующие программы: «Предварительный расчет турбины»«Предварительный расчет турбины»;;«Детальный расчет первой ступени ТВД»;«Детальный расчет первой ступени ТВД»; «Расчет «Расчет закрутки».закрутки». Программный комплекс позволяет решать следующие задачи: Программный комплекс позволяет решать следующие задачи: 1. спроектировать меридиональный контур проточной части 1. спроектировать меридиональный контур проточной части турбины;турбины;2. оценить размеры и прочность лопаток первой (наибольшие 2. оценить размеры и прочность лопаток первой (наибольшие температуры) ступени турбины;температуры) ступени турбины;3. выбрать число ступеней и наметить распределение 3. выбрать число ступеней и наметить распределение теплового перепада по ступеням турбины;теплового перепада по ступеням турбины;

4. 4. уточнить геометрические размеры проточной части, кпд, уточнить геометрические размеры проточной части, кпд, мощность и параметры потока в характерных сечениях и на мощность и параметры потока в характерных сечениях и на выходе из турбины;выходе из турбины;5. 5. рассчитать параметры потока в трех сечениях по высоте рассчитать параметры потока в трех сечениях по высоте проточной части.проточной части.Программный комплекс обладает пользовательским Программный комплекс обладает пользовательским интерфейсом, позволяющим удобно отображать и оперативно интерфейсом, позволяющим удобно отображать и оперативно изменять исходные данные, просматривать и сохранять изменять исходные данные, просматривать и сохранять результаты расчетов.результаты расчетов.

Окно программы после запуска Окно программы со всеми исходными данными

Окно программы Окно программы «Результаты «Результаты

предварительного расчета»предварительного расчета»

Окно программы « Окно программы « Результаты Результаты

детального расчета»детального расчета»

Программный комплекс позволяет студентам Программный комплекс позволяет студентам выполнять расчеты в рамках курсового и дипломного выполнять расчеты в рамках курсового и дипломного

проектирования в диалоговом режиме выбирая проектирования в диалоговом режиме выбирая наиболее оптимальную конструкцию турбины.наиболее оптимальную конструкцию турбины.

1.1.Для турбины приводного ГТД Для турбины приводного ГТД (конвертированные двига-тели) дана методика (конвертированные двига-тели) дана методика расчета газопереходного устройства (ПГ), расчета газопереходного устройства (ПГ), соединяющего турбину газогенератора и соединяющего турбину газогенератора и свободную (силовую) турбину – ТС.свободную (силовую) турбину – ТС.2.2.Приведены выбор параметров и особенности Приведены выбор параметров и особенности расчета ТС.расчета ТС.

Приводной газотурбинный двигатель НК-16СТПриводной газотурбинный двигатель НК-16СТ

Схема проточной части на выходе из Схема проточной части на выходе из турбовальноготурбовального приводного ГТД: приводного ГТД: ТНД – турбина низкого давления газогенератора;ТНД – турбина низкого давления газогенератора;ПГ – переходник газовый;ПГ – переходник газовый;ТС – турбина свободная (силовая);ТС – турбина свободная (силовая);ddTIITII – средний диаметр на выходе из ТНД; – средний диаметр на выходе из ТНД;

ddТСТС – средний диаметр на выходе из ТС; – средний диаметр на выходе из ТС;

LLПГПГ – осевая длина ПГ – осевая длина ПГВырабатываемая

мощностьприводных ГТД,

МВт

Скорость вращения ТС (нагнетателей), мин-1

1…5 17000…12000

6…12 10000…8000

15…20 6000…5000

Основные Основные геометрические размеры геометрические размеры

ПГ:ПГ:1-1 1-1 – контрольное – контрольное сечение на входе в ПГ;сечение на входе в ПГ;1-21-2 – контрольное – контрольное сечение на выходе из ПГ сечение на выходе из ПГ

В результате В результате расчета расчета

определяется определяется геометрия ПГ и геометрия ПГ и

параметры параметры рабочего тела на рабочего тела на

входе в ТСвходе в ТС

*0Р

Расчет ТС во многом аналогичен расчету Расчет ТС во многом аналогичен расчету осевой многоступенчатой охлаждаемой осевой многоступенчатой охлаждаемой турбины газогенератора, но имеет турбины газогенератора, но имеет некоторые особенности.некоторые особенности.Поскольку энергия газа за ТС не Поскольку энергия газа за ТС не используется, а газ выбрасывается используется, а газ выбрасывается наружу через специальное наружу через специальное шумоглушащее устройство, в расчетах шумоглушащее устройство, в расчетах оперируют КПД турбины (ступени) по оперируют КПД турбины (ступени) по статическим параметрам статическим параметрам ηηТСТС, то есть , то есть располагаемый теплоперепад располагаемый теплоперепад определяется по статическому определяется по статическому давлению давлению РРТСТС ( (ππтт = = Р*Р*ТСоТСо/Р/РТСТС). ). Достигнутый уровень КПД современных Достигнутый уровень КПД современных авиационных ГТД составляет ηавиационных ГТД составляет ηтт = 0,80… = 0,80…0,85. Выходную приведенную скорость 0,85. Выходную приведенную скорость на выходе из ТС следует назначать на выходе из ТС следует назначать не более λне более λТСТС = 0,20…0,30, а угол выхода = 0,20…0,30, а угол выхода газа газа ααТСТС = 86 = 86…88…88..Используя исходные данные, Используя исходные данные, представленные в таблице, представленные в таблице, выполняется расчет двухступенчатой выполняется расчет двухступенчатой ТС.ТС.

Исходные данные:

Размер-

ность

Ступени

1 2

-2- -3- -4- -5-

- давление на входе в турбину

Па4403

30

- температура на входе в турбину

К1068

,7

Р2 – статическое давление

на выходе из ступениПа

(см. п.

20)

107325

Gг - расход газа через

турбинукг/с 55,072

Нs – располагаемый

изоэнтропый тепловой перепад

Дж/кг

216837

176442

n – скорость вращения ротора турбины

с-1 108,33

ηст – КПД ступени турбины - 0,82 0,83

В результате расчета определяется геометрия В результате расчета определяется геометрия ТС, потери в ступенях, параметры рабочего ТС, потери в ступенях, параметры рабочего тела, работа, мощность и КПД ТС.тела, работа, мощность и КПД ТС.Приведена методика инженерного расчета Приведена методика инженерного расчета радиальных турбин малоразмерных радиальных турбин малоразмерных турбокомпрессоров (ТКР), используемых в турбокомпрессоров (ТКР), используемых в системе наддува автомобильных дизельных системе наддува автомобильных дизельных ДВСДВС.

Внешний вид Внешний вид малоразмерного малоразмерного

автомобильного ТКРавтомобильного ТКР

Турбокомпрессор ТКР7С Турбокомпрессор ТКР7С семейства КамАЗ (5 – семейства КамАЗ (5 – радиальная турбина)радиальная турбина)

Проведен расчет безлопаточного соплового аппарата (БСА), Проведен расчет безлопаточного соплового аппарата (БСА), определены его геометрия и параметры газа по тракту.определены его геометрия и параметры газа по тракту.

Проведен расчет рабочего колеса радиально-осевой Проведен расчет рабочего колеса радиально-осевой турбины, определены его геометрия и параметры газа по турбины, определены его геометрия и параметры газа по

тракту, совершаемая работа.тракту, совершаемая работа.

Расчет завершается определением геометрии Расчет завершается определением геометрии радиально-осевой турбины, параметров радиально-осевой турбины, параметров рабочего тела по газодинамическому тракту, рабочего тела по газодинамическому тракту, потерь энергии на утечку в зазорах, работы, потерь энергии на утечку в зазорах, работы, мощности и КПД мощности и КПД

турбины. После газодинамического расчета турбины. После газодинамического расчета выполняется профилирование проточной части выполняется профилирование проточной части радиально-осевой турбины.радиально-осевой турбины.

Профиль рабочего колеса Профиль лопатки рабочего колеса

ВСЕ РАСЧЕТЫ ГАЗОВЫХ ТУРБИН СОПРОВОЖДА-ЮТСЯ ЧИСЛЕННЫМИ ПРИМЕРАМИ И СПРАВОЧНОЙ

ИНФОРМАЦИЕЙ