Газодинамический расчет осевого компрессора

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

Данный газодинамический расчёт предусматривает расчёт проточной части двухкаскадного компрессора.

Для расчёта заданы частота вращения ротора КНД 7800 об/мин, КВД 8600 об/мин, расход рабочего тела 86,7 кг/с, полные давление и температура перед КНД 101,33 кПа, 288 К, перед КВД 423,3 кПа, 454,1 К степень повышения давления в КНД 4,26 в КВД 5,16.

Целью расчёта является определение геометрических размеров проточной части компрессора, числа ступеней, геометрии лопаточных венцов.

Расчёт состоит из трех частей:

1. Выбор типа компрессора и предварительный расчет основных параметров

2. Расчет компрессора по среднему диаметру

3. Расчет параметров потока ступени на трех радиусах.

В первой части выбирается тип компрессора, КПД и схема проточной части, значения осевой скорости и степени реактивности на входе в каждую ступень, с целью спроектировать компрессор с заданными параметрами (дозвуковой, трансзвуковой). Далее производится предварительный расчёт основных параметров на входе в компрессор и на выходе из него. После этого распределяется теплоперепад по ступеням и определяется число ступеней компрессора. В конце первой части рассчитываются основные геометрические параметры, необходимые для построения меридионального сечения и строится сечение компрессора.

Во второй части производится термодинамический и кинематический расчёт компрессора. При этом уточняется изоэнтропический напор каждой ступени, КПД ступеней, степени сжатия ступеней, определяется температура и давление перед РК, НА и за каждой ступенью. При кинематическом расчёте уточняется площадь проходного сечения на входе в РК каждой ступени.

В третьей части производится расчёт параметров на различных радиусах ступени. Последним этапом является построение треугольников скоростей и изменение основных параметров по радиусу. В результате по полученным данным чертится компрессор.

1. Выбор типа компрессора и расчет основных параметров

КНД

Компрессор проектирую трансзвуковой, для получения наименьших габаритов проточной части.

Полное давление на входе в компрессор:

Р*1= Р*·вх = 101,33·0,98 = 99,299(кПа).

Изоэнтропическая работа сжатия, затрачиваемая в компрессоре:

Нs=·R·T*вх· (ркнд-1) = 1,005·288· (4,26 0,2857 -1) = 143,56 ().

Полная работа сжатия, затрачиваемая в компрессоре:

Lкнд== = 166,93().

Осевая составляющая скорости на входе в РК первой ступени:

ла1 = са1/(18,3) = 180/(18,3)=0,58;

принимаю са1 = 180 м/с — для трансзвукового компрессора.

Проходная площадь на входе в компрессор:

q (ла1) = 0,792;

kG=0,98 — коэффициент, учитывающий неравномерность поля осевой составляющей скорости по высоте лопатки и влияние пограничного слоя;

для воздуха m=40,4;

Fвх = = = 0,463 (м2).

Полная температура воздуха за компрессором:

Т*кнд=Т*вх + = 288 + = 454,1 (К).

Полное давление воздуха за компрессором:

Р*кнд вых = Р*1?р = 99,299·4,26= 423,3 (кПа).

Кольцевая площадь на выходе из компрессора:

са вых = 180 ();

ла вых= = = 0,462;

q (ла вых) = 0,665;

kG2=0,96;

Fкнд вых= = = 0,169 (м2).

Относительный диаметр втулки на выходе из компрессора:

dвых= 0,79.

Относительный диаметр втулки на входе при Dвт =const:

F= = =2,74

d вх =dвых / = = 0,615.

Периферийный и втулочный диаметры входного и выходного сечений компрессора:

Dвх кнд = =0,975 (м);

Dвх вт=dвх. Dвх кнд =0,599 (м);

Dвых кнд = = 0,758 (м);

Dвых вт=dвых ·Dвых кнд = 0,599 (м);

Высота лопатки:

h вых = = = 0,0794 (м);

Окружные скорости на наружном диаметре первой ступени компрессора:

Uвх кнд=р?Dвх кнд? = 3,14·0,975· = 397,8 ().

Коэффициент расхода:

=0,452.

Распределение напора по ступеням компрессора и уточнение числа ступеней

Распределяю коэффициенты напора по ступеням (табл. 1. 1).

Таблица 1. 1

Коэффициенты напора ступеней Hzi

1

2

3

средние

z-1

z

0,19

0,26

0,33

0,28

Коэффициент напора всего компрессора:

= = 1,055.

Вычисляю необходимое число средних ступеней:

1.

Тогда для средних ступеней коэффициент напора будет:

НЖср=.

Условное число ступеней:

Жусл=3+1=4.

В случаях Dвт=Const вычисляют дополнительное число ступеней по следующей формуле:

ДЖ'доп= Жусл=4=1,0611.

Необходимое число ступеней:

Ж=4+1=5.

Расчет и построение меридиального сечения проточной части компрессора

Площади проточной части на входе в промежуточные ступени:

= = 0 (N=1 — номер ступени);

= 0,7433·0 — 1,754·0 + 1,007 = 1,007;

Fвх i =Fкyl I (Fвх — Fвых)+ Fвых = 1,007· (0,463 — 0,169) + 0,169 = 0,4655 (м2).

Периферийный диаметр и высота лопатки на входе в ступень:

Dпер= = = 0,9756 (м);

h= = = 0,1882 (м).

Удлинения рабочих лопаток hb и Sb венцов компрессора у втулки принимаю:

Sb=0,9

для первой ступени hb=1,5;

для второй ступени hb=1,375;

для третьей ступени hb=1,25;

для четвёртой ступени hb=1,125;

для пятой ступени hb=1;

Ширина лопаточного венца РК у втулки:

Sвт рк= Sb. hрк / hb = 0,9. 0,1882 / 1,5 = 0,1129 (м).

Ширина венца лопаток НА компрессора у втулки:

Sвт на=0,825·Sвт рк = 0,825·0,1129= 0,0932 (м).

Осевой зазор между венцами рабочих колёс и направляющих аппаратов:

Дsрк=0,2· Sвт рк = 0,2·0,1129 = 0,2 259 (м).

Дsна=0,25· Sвт на= 0,2·0,0419 = 0,1 863 (м).

Аналогичный расчёт провожу для остальных ступеней и свожу в табл. 1.2.

Таблица 1. 2

Ст.

Fвхi

?F'кi

N'

hрк

hса

?Sрл

?Sна

Sвтна

Sвтрл

?r

1

0,4655

1,0070

0,0000

0,9759

0,1882

0,1732

0,0226

0,0186

0,0932

0,1129

0,0038

2

0,3710

0,6859

0,2000

0,9030

0,1518

0,1396

0,0199

0,0164

0,0820

0,0993

0,0030

3

0,2941

0,4243

0,4000

0,8450

0,1228

0,1130

0,0177

0,0146

0,0729

0,0884

0,0025

4

0,2346

0,2222

0,6000

0,8050

0,1028

0,0946

0,0164

0,0136

0,0678

0,0822

0,0021

5

0,1926

0,0795

0,8000

0,7776

0,0891

0,0820

0,0160

0,0132

0,0661

0,0802

0,0018

Окончательные результаты расчёта представлены в табл. 1. 3

Таблица 1. 3

Ступень

h, мм

S, мм

?s, мм

?r, мм

Dк, мм

Dвт, мм

Dср, мм

Fп, м2

Fвт, м2

Fк, м2

1

РЛ

188,22

112,93

22,59

3,76

975,88

599,44

787,66

0,75

0,28

0,47

НА

173,16

93,17

18,63

3,76

945,76

599,44

772,60

0,70

0,28

0,42

2

РЛ

151,78

99,35

19,87

3,04

903,00

599,44

751,22

0,64

0,28

0,36

НА

139,64

81,96

16,39

3,04

878,71

599,44

739,08

0,61

0,28

0,32

3

РЛ

122,78

88,40

17,68

2,46

845,00

599,44

722,22

0,56

0,28

0,28

НА

112,96

72,93

14,59

2,46

825,35

599,44

712,40

0,53

0,28

0,25

4

РЛ

102,78

82,23

16,45

2,06

805,00

599,44

702,22

0,51

0,28

0,23

НА

94,56

67,84

13,57

2,06

788,55

599,44

694,00

0,49

0,28

0,21

5

РЛ

89,08

80,17

16,03

1,78

777,60

599,44

688,52

0,47

0,28

0,19

НА

81,95

66,14

13,23

1,78

763,35

599,44

681,39

0,46

0,28

0,18

Контроль расчёта:= Lст1 + … + Lст5 (табл. 1. 4).

Таблица 1. 4

Ступень

D’кi

H’zi

Hzi

1

1,0

0,190

30,670 755

2

0,92 532

0,260

35,2 286 961

3

0,86 589

0,325

38,5 468 735

4

0,82 490

0,325

34,9 838 419

5

0,79 682

0,280

28,1 330 097

=166,96(кДж/кг);

погрешность H =.

КВД

Компрессор — дозвуковой.

Полное давление на входе в компрессор:

Р*2= 423,3(кПа).

Изоэнтропическая работа сжатия, затрачиваемая в компрессоре:

Нs=·R·T*вх· (рквд-1) = 1,005·454,1· (5,16 0,2857 -1) = 260,08 ().

Полная работа сжатия, затрачиваемая в компрессоре:

Lквд== = 302,42().

Осевая составляющая скорости на входе в РК первой ступени:

ла1 = са1/(18,3) = 180/(18,3)=0,462;

Проходная площадь на входе в компрессор:

q (ла1) = 0,665;

kG=0,98 — коэффициент, учитывающий неравномерность поля осевой составляющей скорости по высоте лопатки и влияние пограничного слоя;

для воздуха m=40,4;

Fвх квд = Fвых кнд = 0,169 (м2).

Полная температура воздуха за компрессором:

Т*квд=Т*вх + = 454,1 + = 755,02 (К).

Полное давление воздуха за компрессором:

Р*квд вых = Р*2?р = 99,299·5,16= 2183,8 (кПа).

Кольцевая площадь на выходе из компрессора:

са вых = 140 ();

ла вых= = = 0,278;

q (ла вых) = 0,425;

kG2=0,96;

Fквд вых= = = 0,066 (м2).

Относительный диаметр втулки на выходе из компрессора:

dвых= 0,9.

Относительный диаметр втулки на входе при Dвт =const:

F= = =2,56

d вх =dвых / = = 0,791.

Периферийный и втулочный диаметры входного и выходного сечений компрессора:

Dвх квд = =0,758 (м);

Dвх вт=dвх. Dвх квд =0,599 (м);

Dвых квд = = 0,666 (м);

Dвых вт=dвых ·Dвых квд = 0,599 (м);

Высота лопатки

h вых = = = 0,0333 (м);

Окружные скорости на наружном диаметре первой ступени компрессора

Uвх квд=р?Dвх квд? = 3,14·0,758· = 341,24 ().

Коэффициент расхода:

=0,527.

Распределение напора по ступеням компрессора и уточнение числа ступеней

Распределяю коэффициенты напора по ступеням (табл. 1. 5).

Таблица 1. 5

Коэффициенты напора ступеней Hzi

1

2

3

средние

z-1

z

0,28

0,29

0,30

0,28

0,24

Коэффициент напора всего компрессора:

= = 2,597.

Вычисляю необходимое число средних ступеней:

5.

Тогда для средних ступеней коэффициент напора будет:

НЖср=.

Условное число ступеней:

Жусл=4+5=9.

В случаях Dвт=Const вычисляют дополнительное число ступеней по следующей формуле:

ДЖ'доп= Жусл=9=1,2021.

Необходимое число ступеней:

Ж=9+1=10

Расчет и построение меридиального сечения проточной части компрессора

Площади проточной части на входе в промежуточные ступени:

= = 0 (N=1 — номер ступени);

= 0,7433·0 — 1,754·0 + 1,007 = 1,007;

Fвх i =Fкi (Fвх — Fвых)+ Fвых = 1,007· (0,169 — 0,066) + 0,066 = 0,1699 (м2).

Периферийный диаметр и высота лопатки на входе в ступень:

Dпер= = = 0,7588 (м);

h= = = 0,0797 (м).

Удлинения рабочих лопаток hb и Sb венцов компрессора у втулки принимаю:

Sb=0,9

для первой ступени hb=1,5;

для второй ступени hb=1,44;

для третьей ступени hb=1,39;

для четвёртой ступени hb=1,33;

для пятой ступени hb=1,28;

для шестой ступени hb=1,22;

для седьмой ступени hb=1,17;

для восьмой ступени hb=1,11;

для девятой ступени hb=1,06;

для десятой ступени hb=1;

Ширина лопаточного венца РК у втулки:

Sвт рк= Sb. hрк / hb = 0,9. 0,0797 / 1,5 = 0,0478 (м).

Ширина венца лопаток НА компрессора у втулки:

Sвт на=0,825·Sвт рк = 0,825·0,0478= 0,0394 (м).

Осевой зазор между венцами рабочих колёс и направляющих аппаратов:

Дsрк=0,2· Sвт рк = 0,2·0,0478 = 0,0096 (м).

Дsна=0,25· Sвт на= 0,2·0,0394 = 0,0079 (м).

Аналогичный расчёт провожу для остальных ступеней и свожу в табл. 1.6.

Таблица 1. 6

Таблица 1. 7

Контроль расчёта:= Lст1 + … + Lст10 (табл. 1. 8).

Таблица 1. 8

Ступень

D’кi

H’zi

Hzi

1

1

0,28

32,6 038 334

2

0,989 725

0,29

33,779 091

3

0,977 864

0,301

33,5 626 995

4

0,964 686

0,301

32,6 641 406

5

0,952 825

0,301

31,8 658 619

6

0,939 646

0,301

30,990 468

7

0,926 467

0,301

30,1 272 662

8

0,911 971

0,301

29,1 918 261

9

0,897 474

0,280

26,261 071

10

0,881 706

0,240

21,725 491

=302,07(кДж/кг);

погрешность H =.

2. Расчет компрессора по среднему диаметру КНД

Распределяю КПД компрессора по ступеням:

для первой ступени зcт =0,875;

для второй ступени зcт =0,885;

для третьей ступени зcт =0,915;

для четвёртой ступени зcт =0,915;

для пятой ступени зcт =0,915;

Полная температура воздуха за 1 ступенью:

Т*3=Т*1+ = 288 + = 317,92 (К).

Напор ступени изоэнтропического сжатия:

Нsст=Lстcт = 30,067·0,875 = 26,31 (кДж/кг).

Степень повышения полного давления в ступени:

ст == = 1,356.

Аналогично провожу расчёты для всех последующих ступеней компрессора

Результаты расчёта представлены в табл. 2.1.

Таблица 2. 1

Ступень

з’ст

Т*выхст

Т*вхст

Т*мвз

H’sст

р’стi

1

0,875

317,917

288,000

317,917

26,309

1,356

2

0,885

352,971

317,917

352,971

31,177

1,385

3

0,915

391,326

352,971

391,326

35,270

1,394

4

0,915

426,136

391,326

426,136

32,010

1,315

5

0,915

454,129

426,136

454,129

25,742

1,227

;

k = ==-0,0092;

Уточнять велечины степеней повышения полного давления нет необходимости.

КВД

Распределяю КПД компрессора по ступеням:

для первой ступени зcт =0,917;

для второй ступени зcт =0,923;

для третьей ступени зcт =0,925;

для четвёртой ступени зcт =0,930;

для пятой ступени зcт =0,928;

для первой ступени зcт =0,923;

для второй ступени зcт =0,915;

для третьей ступени зcт =0,900;

для четвёртой ступени зcт =0,880;

Полная температура воздуха за 1 ступенью:

Т*3=Т*1+ = 454,1 + = 486,54 (К).

Напор ступени изоэнтропического сжатия:

Нsст=Lстcт = 32,6·0,917 = 29,898 (кДж/кг).

Степень повышения полного давления в ступени:

ст == = 1,249.

Аналогично провожу расчёты для всех последующих ступеней компрессора.

Результаты расчёта представлены в табл. 2.2.

Таблица 2. 2

Ступень

з’ст

Т*выхст

Т*вхст

Т*мвз

H’sст

р’стi

1

0,917

486,544

454,102

486,544

29,898

1,249

2

0,923

519,457

486,544

519,457

30,531

1,236

3

0,925

552,853

519,457

552,853

31,045

1,224

4

0,930

585,354

552,853

585,354

30,378

1,205

5

0,928

617,062

585,354

617,062

29,572

1,187

6

0,923

647,898

617,062

647,898

28,604

1,171

7

0,915

677,875

647,898

677,875

27,566

1,156

8

0,900

706,922

677,875

706,922

26,273

1,142

9

0,880

733,052

706,922

733,052

23,110

1,119

10

0,870

754,670

733,052

754,670

18,901

1,093

k = ==-0,0096;

Уточнять велечины степеней повышения полного давления нет необходимости.

Кинематический расчет по среднему диаметру

(только для КНД)

Вход в рабочее колесо

Окружная скорость на среднем диаметре:

U1= = = 321,52 (м/с),

где D1= Dср из таблицы 3.2.

Коэффициент теоретического напора, отнесённый к окружной скорости на среднем диаметре:

Нт= = = 0,291.

Закрутка потока на входе в рабочее колесо:

принимаю для всех ступеней ск = 0,7;

с1u=(1-ск-)·u1, = (1 — 0,7 —)·321,52 = 49,7().

Угол закрутки потока:

1 == = 74,6о.

Приведённая абсолютная скорость:

а1кр=18,3= 18,3· = 310,56 (м/с);

лс1= = = 0,601; q (лс1) = 0,812.

Площадь проходного сечения в среднем диаметре:

F1k ср= = = 0,469 (м2);

Окружная составляющая относительной скорости:

w1u=u1-c1u = 321,52 — 49,7 = 271,822(м/с).

Угол входа потока в колесо в относительном движении:

в1 = arctg = arctg = 33,53 0

Полная температура в относительном движении:

Т1w*1*+ = 288 + = 323,53 (К).

Приведённая скорость на входе в колесо в относительном движении:

w1кр=18,3 = 18,3* = 329,16 (м/с);

л1w= = = 0,99.

Дальнейший расчет свожу в табл. 2.3.

Таблица 2. 3

Выход из рабочего колеса

Окружная скорость:

U2= = = 321,521 (м/с),

где D2=D2cp (из таблицы 3.2.).

Закрутка потока на выходе из колеса:

c2u= = = 143,2 (м/с).

Осевая скорость:

c= = = 180 (м/с),

где c — скорость c на входе в следующую ступень.

Окружная составляющая скорости в относительном движении:

w2u=u2-c2u = 321,5−143,2=178,307 (м/с).

Относительный угол выхода потока из рабочего колеса:

в2= arctg = arctg =45,29 0

Угол входа потока в направляющий аппарат:

2= arctg = arctg = 51,52 0

Приведённая скорость на входе в НА:

а2кр=18,3? = 18,3 = 326,29(м/с);

л2= = = 0,705.

Аэродинамическое ограничение величины л2?0,8.

Угол поворота потока в рабочем колесе:

Дв = в2 — в1 = 45,29−33,53=11,76 0.

Угол потока в направляющем аппарате:

Д = 3-2 = 74,6−51,52=23,08 0,

где 3=1 на входе в следующую ступень.

Дальнейший расчет свожу в табл. 2.4.

Таблица 2. 4

3. Расчет параметров потока на различных радиусах проточной части компрессора (КНД)

термодинамический кинематический компрессор

Расчёт провожу для 1-й ступени

Закрутка потока может задаваться в виде степенной зависимости:

c1u . r m = const;

тогда окружная составляющая абсолютной скорости определяется из соотношения:

c1u=, где r1= r1/ r1ср.

Т. к. в КНД целесообразно использовать промежуточные законы закрутки, то я выбираю показатель степени m равный 0,5:

m=0,5

Далее приведен расчет втулки первой ступени:

1) Относительный радиус

вт= =

2) Осевая составляющая абсолютной скорости потока на входе в РК, м/с

с1a =

3) Осевая составляющая абсолютной скорости потока на выходе из РК, м/с

4) Вспомогательные расчетные коэффициенты

А=,

В=

5) Окружная составляющая абсолютной скорости потока на входе в РК, м/с

6) Окружная составляющая абсолютной скорости за РК, м/с

7) Абсолютная скорость потока на входе в РК, м/с

8) Абсолютная скорость потока на выходе из РК, м/с

9) Приведенная скорость потока на входе в РК

10) Приведенная скорость потока на выходе из РК

11) Статическое давление на входе в РК, кПа

12) Статическое давление на выходе из РК, кПа

13) Скорость звука на входе в РК, м/с

14) Скорость звука на выходе из РК, м/с

15) Окружная скорость на входе в РК, м/с

16) Окружная скорость на выходе из РК, м/с

17) Угол потока по относительной скорости на входе в РК, град

18) Угол потока по относительной скорости на выходе из РК, град

19) Угол отклонения потока в решетке РК, град

20) Относительная скорость на входе в РК, м/с

21) Относительная скорость на выходе из РК, м/с

22) Угол потока по абсолютной скорости на входе в РК, град

23) Угол потока по абсолютной скорости на выходе в РК, град

24) Число Маха на входе в РК

25) Число Маха на выходе из РК

26) Степень реактивности

27) Коэффициент расхода

28) Относительная закрутка потока на входе в РК

29) Коэффициент теоретического напора

Результаты расчёта представлены в табл. 3. 1

По результатам расчета для данного закона закрутки строим графики W1, W1u, С2, W2,C2u, С1, С1a, С2a, W2u, С1u,1,2, б2, б1,=f® (ПРИЛОЖЕНИЕ 1,2,3) и треугольники скоростей в трех сечений (ПРИЛОЖЕНИЕ 4).

Таблица 3. 1

Таблица

Таблица

Заключение

В результате проводимых расчётов я выбрал и рассчитал двухкаскадный компрессор с трансзвуковым КНД и дозвуковым КВД. КНД имеет 5 ступеней, первые две из которых трансзвуковые. В КВД 10 ступеней. Оба компрессора выполнены с постоянным втулочным диаметром.

Так же произведён расчет кинематики потока всех ступеней на среднем диаметре и расчёт 1-й ступени по высоте лопатки.

Т. к. в КНД целесообразно использовать промежуточные законы закрутки, то я выбрал показатель степени m равный 0,5.

Итогом проделанной работы является чертеж рассчитанного компрессора.

Список литературы

1. О. В. Комаров, Б. С. Ревзин. Газотурбинные двигатели судового типа для энергетических и газотранспортных установок. Учебное пособие. Екатеринбург, 2003.

2. Б. С. Ревзин, О. В. Комаров. Конвертированные авиационные двигатели, применяемые в газоперекачивающих и энергетических установках. Учебное пособие. Екатеринбург, 2004.

3. Газодинамический расчет осевого компрессора. Методические указания для студентов очной и очно-заочной формы обучения специальности 101 400 — «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели». Екатеринбург, 2005.

Приложение 1

График П. 1.: W1, W1u, С2, W2,C2u, С1, С1a, С2a, W2u, С1u=f® (1 ступень)

Приложение 2

График П. 2.: 1, 2, б2, б1=f® (1 ступень)

Приложение 3

График П. 3.: =f® при закрутке C1u*r =const (10 ступень)

Приложение 4

Рисунок П. 4.1.: треугольники скоростей во втулочном сечении (1 ступень)

Рисунок П. 4. 2: треугольники скоростей в среднем сечении (1 ступень)

Рисунок П. 4. 3: треугольники скоростей в периферийном сечении (1 ступень)

ено н

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой