Пункты проверки расчета (результаты потребуются для КП по курсу «Конструкция, динамика и прочность ГТД»

81. Утечки из ГВТ:

. (84)

82. Отборы на охлаждение турбины:

. (85)

83. Расход воздуха через сечение Г

. (86)

. (86бис)

84. Расход газа через сечение Г:

. (87)

. (87бис)

. (87бис2)

85. Расход газа через выходное устройство:

. (88)

86. Мощность компрессора низкого давления:

(89)

87. Мощность турбины компрессора низкого давления:

. (90)

. (91бис)

88. Мощность компрессора высокого давления:

(92)

89. Мощность турбины компрессора высокого давления:

. (93)

. (94бис)

90. Расход газа через СТ:

. (95)

. (96бис)

. (97бис2)

91. Мощность СТ:

. (98)

92. Мощность эффективная

. (99)

93. Эффективный КПД ГТД:

. (100)

94. Общая работа турбин

. (101)

95. Коэффициент полезной работы

. (102)

Примеры термогазодинамического расчета ГТУ приведены в Приложениях I – III.

Проектирование проточной части турбокомпрессора ГТУ

Расчет турбокомпрессора

Выполняется по методике из [1], которую необходимо внимательно прочитать. При проектировании ПТЧ ГТУ по первой схеме аналогом будет ТРД. Для ГТУ, выполненной по второй схеме, аналогом также будет ТРД, но следует учесть, что число ступеней турбины компрессора не превышает 2. Для ГТУ с двухвальным ГГ аналогом будет ТРДД, но ТНД необходимо выполнить одноступенчатой. Так как меридиональная схема ПТЧ сильно зависит от проектных параметров ГТУ и её мощности (расхода воздуха), методика расчета турбокомпрессора излагается на примерах в Приложениях. Поскольку некоторые ГТУ выполняются на базе авиационных ТРД и ТРДД, а также корабельных ГТУ, то для них рекомендации по выбору тех или иных величин такие же, как для авиационных и корабельных ГТД.

Расчет свободной турбины

Расчет свободной турбины (силовой турбины или турбины винта для корабельных ГТУ) выполняется одинаково для ГТУ второй и третьей схем. В Приложении приведен пример расчета ПТЧ СТ с использованием данных ТГД расчета ГТУ третьей схемы. В [1] аналог свободной турбины – турбина вентилятора ТРДД. Определение размеров ПТЧ выполняется в несколько приближений для каждой из трех типовых форм меридионального сечения. Далее выбирается та форма, которая лучше всего удовлетворяет многочисленным ограничениям и требованиям согласно [1]. Предварительный проектный расчет проточной части силовой турбины можно выполнить различными способами. Здесь предлагается один из них.

4.2.1. Задавшись величиной приведённой скорости за СТ , которая может находится в диапазоне 0,3 – 0,4, определим аксиальную площадь на выходе из силовой турбины с помощью уравнения расхода для условия осевого выхода ( )

,

где на выходе из СТ.

4.2.2. Средний диаметр СТ на выходе из турбины задается с помощью коэффициента , представляющего собой отношение среднего диаметра СТ на выходе к среднему диаметру турбины газогенератора на выходе:

,

где - средний диаметр турбины газогенератора на выходе. Тогда средний диаметр СТ на выходе из турбины получим из выражения

.

4.2.3. Если выбор оборотов СТ предусмотрен заданием, то для энергетических ГТУ целесообразно начинать с 3000 об/мин (частота 50 Гц). Тогда в первом приближении, считая средний диаметр СТ постоянным, получим

.

Может случиться, что окажется меньше, чем 160 – 170 м/с. Такая низкая окружная скорость не позволит получить эффективную турбину с приемлемым числом ступеней. Следует предусмотреть установку редуктора и задать обороты СТ большие, чем 3000 об/мин. Следует помнить, что передаточное число простого одноступенчатого редуктора не может быть произвольным определяется числом зубьев на ведущем и ведомом зубчатых колесах (на ведущей и ведомой шестернях - вариант).

Если обороты СТ заданы, то окружная скорость остается неизменной.

4.2.4. Необходимо проверить напряжённое состояние рабочей лопатки последней ступени СТ. Хотя температура газа перед последней лопаткой СТ ГТУ невелика (относительно температур перед первой ступенью турбины компрессора), прочность лопатки может быть недостаточной из-за её большой длины.

Определим диаметр периферии РК последней ступени СТ:

.

Втулочный диаметр РК последней ступени СТ найдем по аналогичной формуле:

.

Длина последней лопатки СТ равна:

.

Найдем напряжения от центробежных сил в корневом сечении лопатки по формуле:

,

где - плотность материала лопатки; - коэффициент формы пера лопатки (для бандажных турбинных лопаток обычно =0,7 ‑ 0,8). Достаточность прочности лопатки оценивается запасом прочности коэффициентом запаса:

,

где - длительная прочность материала лопаток при данной температуре на заданный ресурс. При этом температуру неохлаждаемой лопатки последней ступени можно принимать равной

,

где - теплоемкость газа; индекс указывает на значение параметров на –ом радиусе ПТЧ.

Обычно в авиационных газовых турбинах в корневом сечении лопаток напряжения не превышают 20 – 25 даН/мм2, отвечая регламентированным значениям запаса прочности . Эти значения можно принять в качестве максимальных для ГТУ.

Если прочностные характеристики лопатки окажутся недостаточными, следует уменьшить окружную скорость, уменьшив средний радиус рабочего колеса последней ступени СТ или уменьшить длину лопатки (увеличить значение ) [1].

4.2.5. Далее найдем в первом приближении (по окружной скорости в выходном сечении) число ступеней СТ. Зададим параметр нагруженности СТ Y в диапазоне 0,5 -0,55. Тогда

,

где ,

причем ,

где , а .

Принимаем целое значение с округлением в ту или иную сторону.

4.2.6. Для определения положения входного сечения СТ найдем степень понижения полного давления в первой ступени СТ по выражению

.

Примем .

4.2.7. Найдем аксиальную площадь проточной части в осевом зазоре первой ступени СТ по выражению:

,

где - полные температура, давление на выходе из турбины газогенератора,

при на выходе из ГГ,

, где

, реактивность первой ступени можно принимать в диапазоне 0,3 – 0,35,

причем , где .

Для обеспечения высокой газодинамической эффективности СТ величина в её первой ступени не должна превышать 25^о – 30^о.

4.2.8. Средний диаметр СТ на входе в турбину задается с помощью коэффициента , представляющего собой отношение среднего диаметра СТ на входе к среднему диаметру турбины газогенератора на выходе:

,

Тогда средний диаметр СТ на входе в турбину получим из выражения

.

Так как обычно средний входной диаметр СТ не меньше соответствующего среднего диаметра турбины, находящейся впереди по потоку газа, то <1,8, потому что для выполненных ГТУ <1,8 или 1,8 [7].

4.2.6. Далее находим высоту лопатки соплового аппарата первой ступени СТ (на выходе из него):

.

Следует учесть, что высоту СА не следует допускать меньшей 35 – 40 мм из-за больших потерь в КПД СТ. Практически для всех выполненных ГТУ длина высота СА первой ступени больше указанных значений.

4.2.7. После этого легко найти диаметр периферии соплового аппарата первой ступени СТ:

.

4.2.8. И по аналогичной формуле найдем диаметр втулки соплового аппарата первой ступени СТ:

4.2.9. Для оценки напряженного состояния РЛ 1 ступени СТ найдем величину . Ей будет соответствовать параметр напряженности .

Если <1,5, то в первом приближении можно считать, что требуемый для ГТУ межремонтный ресурс обеспечен.

4.2.10. Далее выполняется расчет числа ступеней СТ во втором приближении, исходя из того, что средняя окружная скорость турбины определится из выражения:

,

а число ступеней СТ найдем по формуле:

4.2.11. После чего следует пересчитать параметр нагруженности Y, чтобы убедиться в нахождении его в приемлемом диапазоне 0,5- 0,55.

.

Полученная в первом приближении проточная часть может не удовлетворять тем или иным требованиям. Например, велико число ступеней СТ или плохо согласованы меридиональные обводы СТ и положение последней ступени турбины ГГ.

Путем подбора средних диаметров на входе и на выходе (используя коэффициенты и ) задаем проточную часть по другой форме:

с постоянным втулочным диаметром ,

с постоянным периферийным диаметром

или с некоторой промежуточной или комбинированной формой.

Таким образом, величина , с одной стороны, должна удовлетворять указанным значениям параметра Y, а с другой – должна отвечать целому числу ступеней в турбине. При этом выбор числа ступеней турбины ограничен как сверху, так и снизу с газодинамической точки зрения. Это связано с тем, что при <1,3 числа Маха в решётках оказываются ниже оптимальных, а углы поворота потока в решётках столь незначительны, что не позволяют обеспечить удовлетворительное профилирование лопаток, которые бы обладали требующимися по конструктивным и прочностным соображениям площадями и формами поперечных сечений на различных радиусах проточной части. Это ограничение сверху. В случае >2 числа Маха в решётках достигают величин, при которых волновые потери могут оказаться весьма существенными. Это газодинамическое ограничение на число ступеней снизу. Также существуют ограничения сверху с производственно-экономической точки зрения [6].