Землянский А.В., Лапин Ю.Д., Поступенчатый расчет осевого компрессора по средней линии тока - файл n1.doc

Землянский А.В., Лапин Ю.Д., Поступенчатый расчет осевого компрессора по средней линии тока
скачать (2769.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2770kb.20.11.2012 05:29скачать

n1.doc

Министерство высшего и среднего образования РФ
Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана





А.В. Землянский, Ю.Д. Лапин, Ю.В. Горбатина
Утверждено методической

комиссией КФ МГТУ


ПОСТУПЕНЧАТЫЙ РАСЧЕТ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА ПО СРЕДНЕЙ ЛИНИИ ТОКА
Методические указания к курсовому и дипломному проектированию


Москва, 2004

Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана

УДК 621.5.

ББК 30.123

РЕЦЕНЗЕНТ
Доцент кафедры К2-КФ Калужского филиала МГТУ им. Баумана кандидат технических наук В.И. Мелащенко.

АННОТАЦИЯ
В методическом указании изложены основы теории и расчета многоступенчатого компрессора по средней линии тока. Кратко изложено описание выбора необходимых для поступенчатого расчета параметров, приведена методика расчета. Кроме того, в пособии рассмотрены расчет параметров потока на различных радиусах и профилирование лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата. По изложенной методике написана программа на ПЭВМ, блок-схема и описание программы прилагаются. Рассмотренная программа является частью программы расчета компрессора OSCOMPR, рассмотренной в [3] и поступенчатый расчет может быть произведен лишь в случае расчета предварительного расчета компрессора по этой же программе.

СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Введение 2

  1. Общие указания по расчету 4

1.1. Выбор коэффициента затраченной мощности Кн 4

1.2. Выбор удлинения лопаток в отдельных ступенях 4

1.3. Выбор степени реактивности 5

1.4. Изменение осевой скорости вдоль тракта компрессора 6

  1. Алгоритм расчета 8

2.1. Вход в ступень 8

2.2. Выход из РК 10

2.3. Выход из ступени 11

2.4. Геометрические параметры решетки и профиля 13

  1. Расчет параметров потока на различных радиусах проточной части 15

  2. Профилирование лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата 18

  3. Описание программы для поступенчатого расчета компрессора 20

  4. Блок-схема программа расчета осевого компрессора 23

Список литературы 24

ВВЕДЕНИЕ
Осевые компрессоры нашли широкое применение в авиационных, судовых и локомотивных газотурбинных двигателях (ГТД), в стационарных газотурбинных установках (ГТУ) открытого цикла, используемых для привода электрогенераторов на электростанциях и нагнетателей на магистральных газопроводах при перекачке природного газа, а также в установках замкнутого цикла, в которых рабочим телом служат инертные газы или их смеси.

Расчет осевого компрессора любого назначения состоит из следующих этапов:

  1. Техническое задание;

  2. Выбор основных параметров и предварительный расчет проточной части по средней линии тока;

  3. Поступенчатый расчет компрессора по средней линии тока;

  4. Расчет газодинамических параметров в осевых зазорах по высоте лопаток;

  5. Профилирование решеток для обеспечения заданных треугольников скоростей;

  6. Уточненный поступенчатый расчет компрессора с учетом прочности лопаток.


Первые два этапа были рассмотрены в методических указаниях [3], где приведена последовательность выбора и расчета следующих параметров проектируемого компрессора:


  1. Форма проточной части (Dк=const, Dср=const, Dвт=const);

  2. Число ступеней компрессора Z;

  3. Распределенные по степеням ;

  4. Расход воздуха G ;

  5. Окружная скорость UК;

  6. Относительный диаметр втулки колеса ;

  7. Средний диаметр ;

  8. Высоты лопаток рабочего колеса h1 и направляющего аппарата h2.

Выполненная оценка основных размеров проточной части по [3] дает лишь общее представление о проектируемом компрессоре. Для получения более подробных сведений о распределении параметров потока на средней линии тока необходимо выполнить расчет ступеней последовательно одна за другой.

Целью поступенчатого расчета компрессора по среднему диаметру является определение треугольников скоростей в расчетных сечениях и уточнение проходных сечений проточной части компрессора с использованием предварительного расчета компрессора по методическим указаниям [3].

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ
1.1. Выбор коэффициента затраченной мощности Кн

В многоступенчатых компрессорах в связи с наличием радиальной неравномерности потока, вызываемой трением потока о стенки тракта и радиальными зазорами в венцах рабочих колес и направляющих аппаратов, и окружной неравномерности, обусловленной влиянием входного устройства и вихревыми следами за лопатками впереди стоящих ступеней, работа, передаваемая воздуху лопатками рабочего колеса, оказывается меньше, чем теоретический напор Нт, рассчитанный по теореме Эйлера. Несоответствие теоретического напора работе, переданной воздуху и затраченной на повышение давления и потери в ступени, учитывается в расчетах с помощью коэффициента затраченной мощности Кн.

В дозвуковых компрессорах принимается для первой ступени Кн=0,98, для каждой последующей Кн уменьшается на 0,01 в первых десяти ступенях, начиная с одиннадцатой по всем ступеням обычно принимают Кн =0,88.

В сверхзвуковых и околозвуковых компрессорах принимается Кн =1,0.
1.2. Выбор удлинения лопаток в отдельных ступенях
Удлинение лопатки влияет на ее ширину, а следовательно, и на длину компрессора: при уменьшении параметра растет ширина лопаток и длина компрессора; при увеличении лопатки становятся более узкими, что уменьшает массу ступени и её продольные размеры. Одновременно возрастает количество лопаток, вследствие чего может возникнуть трудность с их размещением на диске. Кроме того, в лопатках возрастают напряжения изгиба от газовых сил, а сами лопатки вследствие малой ширины становятся склонными к вибрациям. Поэтому окончательно число лопаток устанавливают после расчета пера и замков на прочность.

Учитывая все изложенное, принимают:

В первых ступенях =3,5-4,5

В последних ступенях =2,0-2,5

В сверхзвуковых и околозвуковых ступенях 3.
К важным геометрическим параметрам относятся также осевой и радиальный зазоры. Для осевого зазора могут быть рекомендованы размеры в пределах 15-25% от хорды лопатки, а для радиального зазора 1,5-2,0% от высоты рабочей лопатки. Причем, осевой зазор между рабочими лопатками и направляющим аппаратом
перед НА:

после НА:
где – хорда лопаток РК.
1.3. Выбор степени реактивности 
Степень реактивности  распределяется по ступеням компрессора так, чтобы обеспечить заданный КПД ступеней при возможно более широком диапазоне устойчивой работы всех ступеней. Обычно степень реактивности на среднем радиусе принимают равной 0,5. Однако иногда для увеличения напорности и уменьшения потребной густоты решетки в средних или последних ступенях увеличивают степень реактивности до 0,6-0,7. Это допустимо в связи с тем, что температура, а следовательно, и скорость звука растут по тракту компрессора и поэтому возможно увеличить степень реактивности при сохранении чисел 0,8-0,85.

Если компрессор не имеет входного направляющего аппарата (ВНА), то в первой ступени 0,5 и подсчитывается по известному напору:

1.4. Изменение осевой скорости вдоль тракта компрессор




Наиболее распространенный характер изменения осевой скорости по ступеням компрессора показан на рис. 1:
Рис. 1. Характер изменения осевой скорости по ступеням компрессора
В первых ступенях допускают снижение осевой скорости 5-6 м/с, в средних 6-10 м/с и в последних 15-20 м/с. Снижение более чем на 25 м/с в одной ступени недопустимо, так как при этом трудно обеспечить плавную проточную часть компрессора. На входе в первую ступень компрессора 160-200 м/с, а на выходе из последней <100-130 м/с. На выходе из компрессора наружного контура двухконтурного двигателя допускают до 170-180 м/с.

С уменьшением в ступени падает и напор в ступени. Тем не менее, с этим приходится мириться, чтобы обеспечить достаточно большие высоты лопаток последних ступеней и высокие их КПД. Большие за последней ступенью недопустимы по причинам нормальной работы камеры сгорания, расположенной за компрессором.

Следует заметить, что повышенные осевые скорости на входе в компрессор при заданном расходе воздуха позволяют снизить радиальные габариты компрессора.

Расчетная схема ступени осевого компрессора и основные обозначения приведены на рис.2.









Рис. 2. Схема ступени осевого компрессора

2
. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА
Рис.3. Треугольники скоростей осевой степени компрессора
Нижеприведенный расчет необходимо выполнить последовательно по всем ступеням:

2.1. Вход в ступень
1. Теоретический напор в ступени



2. Средний радиус (относительный)



3. Окружная скорость колеса на среднем диаметре



4. Окружная составляющая абсолютной скорости



5. Абсолютная скорость



6. Направление абсолютной скорости



7. Относительная скорость



8. Направление относительной скорости



9. Статическая температура



10. Плотность газа по полным параметрам



где – газовая постоянная

11. Плотность по статическим параметрам



где k – показатель адиабаты для газа

12. Площадь проходного сечения:



13. Скорость звука



14. Число Маха по относительной скорости на входе в рабочее колесо



Если МW1>0.85, то следует изменить степень реактивности или другие параметры.
2.2. Выход из рабочего колеса (РК)
15. Средний радиус ступени (относительный). Принимаем в первом приближении



16. Осевая составляющая абсолютной скорости



17. Окружная составляющая абсолютной скорости



18. Абсолютная скорость



19. Направление абсолютной скорости



20. Относительная скорость



21. Направление относительной скорости



22. Статическая температура:



где температура торможения за ступенью:



23. Скорость звука:



24. Число Маха по абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса



Если МС2>0,85, то следует изменить степень реактивности  или другие параметры.

25. Угол поворота потока в рабочем колесе:



2.3. Выход из ступени
26. Окружная составляющая скорости в первом приближении:



27. Абсолютная скорость



28. Статическая температура



29. Полное давление



30. Плотность газа по полным параметрам



31. Плотность газа по статическим параметрам



32. Площадь проходного сечения на выходе из ступени



33. Относительный диаметр втулки



34. Средний радиус



Расчет с пункта 26 повторяется при полученном значении до сходимости.
35. Окружная составляющая скорости в первом приближении



36. Направление абсолютной скорости на выходе из ступени



37. Угол поворота потока в направляющем аппарате




2.4. Геометрические параметры решетки и профиля
38. Относительный шаг решеток рабочего колеса и направляющего аппарата



39. Высота лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата (рис. 2)



40. Длина хорды лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата (рис.2)



41. Шаг решеток рабочего колеса и направляющего аппарата



42. Число лопаток в рабочем колесе и направляющем аппарате



Как правило, в результате расчета получаются большие значения угла поворота потока и потребной густоты решетки спрямляющего аппарата последней ступени компрессора, что требует постановки двух последовательно расположенных спрямляющих решеток.

Величина осевого размера ступени определяется шириной решеток РК и НА, а также величиной осевого зазора перед ступенью S1 и за рабочим колесом S2 (см. рис.2). Ширина решетки ba определяется по формуле


соответственно для решеток лопаток РК и НА.

Значение угла установки может быть ориентировочно оценено как

– для решеток РК

– для решеток НА

Величина геометрических углов лопаток на входе и выходе находится с учетом угла атаки i и угла отставания потока  по формулам
i



По полученным размерам выполняется эскиз проточной части компрессора для проверки ее плавности. Необходимая плавность проточной части достигается некоторым изменением осевой составляющей скорости.

По найденным кинематическим параметрам строятся треугольники скоростей ступеней в расчетных сечениях, и проводится профилирование лопаток рабочего колеса и направляющего аппарата.

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА

НА РАЗЛИЧНЫХ РАДИУСАХ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ
Цель расчета – определение кинематики потока и получение треугольников скоростей в осевых зазорах на различных радиусах с последующим профилированием решеток рабочего колеса и направляющего аппарата.

Рассмотрим упрощенную схему течения в ступени – течение по цилиндрическим поверхностям без учета потерь, а затем с приближенным учетом влияния вязкости на поле осевых скоростей и потерь по высоте лопаток. Для осесимметричного установившегося течения совершенного газа по цилиндрическим поверхностям (= 0) уравнение радиального равновесия может быть записано в виде

(1)

Пользуясь дифференциальной формой записи уравнения Бернулли при = 0 в виде



можем записать уравнение (1) в виде



Интегрируя по радиусу от до r, получим

(2)

В осевом зазоре перед первым рабочим колесом скорости и однозначно связаны уравнением (2), а после рабочего колеса, хотя уравнение (2) остается справедливым, необходимо учитывать желаемое распределение напора по радиусу.

Окружная проекция абсолютной скорости за РК связана с и напором на данном радиусе уравнением Эйлера
,

причем напор может быть как постоянным, так и переменным по радиусу.

Для цилиндрической ступени без учета потерь оптимальным является распределение и , соответствующее потенциальному потоку, т.е. и в каждом осевом зазоре. Напор по радиусу в этом случае также постоянный. При данном распределении и , которое получило название закрутки потока по закону постоянной циркуляции, сильно возрастают числа в периферийных сечениях РК и во втулочных сечениях НА, что приводит в росту потерь в степени. Степень реактивности в этом случае резко падает по радиусу ко втулке РК. Лопатка РК получает сильную ”закрутку” по радиусу.

Снижение высоких и в ступени можно получить, переходя, например, к профилированию лопаток по закону постоянной реактивности при по радиусу.

В этом случае окружные проекции абсолютной скорости определяются по формулам

,

а осевые проекции скорости находятся как
(3)

(4)

Осевые проекции скорости уменьшаются к периферии РК, причем уменьшается резче, чем . Часто не принимают в расчет разницу между и , и осевую проекцию скорости подсчитывают по приближенной формуле

(5)

При уменьшении в периферийных сечениях РК уменьшаются углы в их решетках, что приводит к снижению КПД.


4. ПРОФИЛИРИВАНИЕ ЛОПАТОК РК И НА
В настоящее время применяются различные способы построения профилей компрессорных лопаток, основанные на положениях гидродинамической теории решеток. Одновременно в инженерной практике широко применяются графические и аналитические методы. Основа аналитического метода расчета заключается в том, что геометрические размеры искомого профиля определяются путем перерасчета размеров базового профиля. При этом в качестве базовых наиболее часто используются симметричные аэродинамические профили – А40, С4 и др.

При конструировании лопаток за расчетные сечения у периферии и втулки обычно принимают сечения, отстоящие на 2-4 мм от радиальных границ потока по направлению к среднему диаметру. Профили лопаток строятся по данным газодинамического расчета и расчета параметров потока по высоте лопатки.

Задача профилирования лопаток компрессора на базе исходных аэродинамических профилей, характеристики которых известны из экспериментальных данных, может быть разделена на две части: построение средней линии профиля и построение профилей лопаток. В качестве средней линии принимают дугу окружности, параболу, гиперболу или лемнискату.

Полученный профиль следует рассматривать только как предварительный, который в дальнейшем обязательно корректируется, исходя из необходимости удовлетворять требованиям, предъявленным к форме межлопаточного канала. С этой целью на расстоянии шага t производится построение соседнего профиля, и к его корытцу проводят ”эквидистанту” на расстоянии величины ”горла” а, выделяя в канале полоску постоянной ширины. Если оставшаяся область представляет собой плавно расширяющуюся зону, что свидетельствует о диффузорности канала, то канал выполнен правильно. В противном случае профиль необходимо перестроить, изменив радиус входной и выходной кромок лопаток, угол атаки или максимальную относительную толщину профиля . Величина максимальной относительной толщины профиля принимается
в корневых сечениях лопаток РК 12 – 18%

в периферийных сечениях лопаток РК 5 – 6%

Для лопаток НА величина принимается постоянной по высоте и равной 8 –12% .


5. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ

ДЛЯ ПОСТУПЕНЧАТОГО РАСЧЕТА КОМПРЕССОРА

В соответствии с приведенной выше методикой расчета разработана программа поступенчатого расчета компрессора на ПЭВМ, которая продолжает и дополняет программу OSCOMPR для предварительного расчета осевого компрессора. Программа находится в вычислительном центре кафедры К1-КФ.

Программа имеет возможность пересчета и корректировки степени реактивности и удлинения лопаток РК и НА в реальном времени, а также автоматического их подбора до ожидаемой величины и распределения параметров по ступеням. Также в программе имеется возможность визуального отображения проточной части компрессора и треугольников скоростей по ступеням. Результаты расчета можно сохранить в текстовом файле и вывести печать на принтер.

Для запуска программы необходимо открыть файл Oscompr.exe. После проведения предварительного расчета на экране появится окно с результатами предварительного расчета:



Для проведения поступенчатого расчета следует нажать на значок на панели инструментов, после чего появится диалоговое окно для ввода распределения степени реактивности и удлинения лопаток РК и НА по ступеням.




Оно может быть выполнено в ручном режиме путем ввода нужных значений с клавиатуры (для проверки и корректировки уже имеющихся расчетов) или в автоматическом режиме, для чего следует нажать кнопку “ОК”. Автоматическое распределение выполняется по общим для всех компрессоров рекомендациям и не учитывает всех особенностей рассчитываемого компрессора.

Далее программа рассчитывает все необходимые величины и выводит диалоговое окно, в котором пользователь может корректировать значения параметров по ступеням как в ручном, так и в автоматическом режимах. Переход от ступени к ступени осуществляется с помощью кнопок “<<” и ”>>”. По завершению корректировки следует нажать кнопку “ОК”.



После этого программа выводит окно с результатами поступенчатого расчета, которые также включают в себя исходные данные и результаты предварительного расчета компрессора. Результаты расчета можно сохранить в текстовый файл, распечатать или скопировать через буфер обмена в любой текстовый редактор. При необходимости можно повторить расчет, при этом данные в исходном диалоговом окне сохраняются.

Для просмотра получившейся проточной части компрессора следует нажать на значок на панели инструментов.


Для просмотра получившихся треугольников скоростей следует нажать на значок на панели инструментов. Переход от ступени к ступени осуществляется с помощью кнопок “<<” и ”>>”.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Бекнев В. С. Расчет осевого компрессора, Методические указания по выполнению курсовых и дипломных проектов. М., МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1981.

  2. Бекнев В. С., Михальцев В. Е., Шабаров А. Б., Янсон Р. А. Турбомашины и МГД – генераторы. М., Машиностроение, 1983.

  3. Землянский А. В., Костыгов А. В. Предварительный расчет осевого компрессора, М., МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002.

  4. Землянский А. В., Котов М. Г. Расчет ступени осевого компрессора на ЭВМ, Методические указания, Калуга, 1988.

  5. Ржавин Ю. А. Осевые и центробежные компрессоры летательных аппаратов. М., МАИ, 1995.

  6. Седько Н. П. Газодинамический расчет и оптимизация проточной части осевого компрессора на ЭВМ. Учебное пособие, Николаев, 1977.

  7. Селезнев Ю. З., Падабуев С. А., Анисимов С. А. Теория и расчет турбокомпрессоров. Ленинград, Машиностроение, 1968.

  8. Стенькин Е. Д., Пример газодинамического расчета ступеней осевого компрессора авиационных ГТД. Куйбышев, 1983.

  9. Холщевников К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М., Машиностроение, 1970.

  10. Холщевников К. В. Солохина Е. В., Выбор параметров и расчет многоступенчатого осевого компрессора. М., Машиностроение, 1967.

  11. Холщевников К. В. Емин О. Н., Митрохин В. Т., Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М., Машиностроение, 1968.

  12. Юрин А. В. Выбор основных параметров и расчет осевого многоступенчатого компрессора, Куйбышев, 1970.


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации