книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-1

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

А.А. Григорьев

ТЕОРИЯ, РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2007

УДК 621.452.3.01 Г83

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор ВТ. Августинович (АО «Авиадвигатель»);

доктор технических наук, профессор М.И. Соколовский (ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет»)

Григорьев, А.А.

Г83 Теория, расчет и проектирование авиационных двигате­ лей и энергетических установок: учеб, пособие / А.А. Гри­ горьев. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. - 196 с.

ISBN 978-5-88151-670-3

Изложены основы теории, алгоритмы и компьютерные программы расчетов основных физических и геометрических параметров воздушнореактивных двигателей различных типов. Приведены примеры расчетов основных типов воздушно-реактивных двигателей.

Предназначено для студентов специальностей «Двигатели летатель­ ных аппаратов» и «Авиационные двигатели и энергетические уста­ новки».

УДК 621.452.3.01

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Газодинамический расчет является начальным этапом про­ ектирования авиационного двигателя.

В данном пособии приведены методики предварительного расчета ГТД различных типов (ТРД, ТРДФ, ТВД, ТВаД, ТРДД, ТРДЦФ) для выбора исходных величин их основных парамет­ ров, порядок газодинамического расчета двигателей по исход­ ным параметрам, расчет основных данных двигателя и геомет­ рических размеров характерных сечений.

Расчет по приведенным в пособии методикам не является окончательным, так как не учитывает полностью связи парамет­ ров двигателя с прочностью турбины и компрессора и ограни­ чений по массе и габаритам.

Для облегчения вычислений в приложении помещены не­ обходимые графики и таблицы, а также указаны значения коэф­ фициентов, характеризующих совершенство узлов авиационно­ го двигателя.

При написании данного пособия за основу взяты «Методи­ ческие указания к выбору параметров и газодинамическому расчету...», подготовленные к изданию М.М. Зальцманом и Н.Д. Корж при участии Ю.Н. Серегина и изданные в 1980 г., которые до настоящего времени успешно применяются в ряде вузов РФ. Однако развитие авиадвигателестроения за истекшие годы, существенное повышение параметров эффективности от­ дельных узлов и двигателей в целом, широкое внедрение вы­ числительной техники и новых компьютерных программ, а так­ же накопившиеся замечания и предложения вызвали необходи­ мость внесения существенных корректив в данное пособие

иизменения его формата.

Всвязи с тем, что в подавляющем большинстве публикуе­ мой учебной и технической литературы, а также в читаемых сту­ дентам курсах применяется международная система единиц СИ, она принята в качестве основной и в данном учебном пособии.

Хочу выразить благодарность моему сыну Н.А. Григорьеву за большую техническую помощь в подготовке данного пособия

кизданию.

6

ВВЕДЕНИЕ

В данном пособии наиболее подробно рассмотрены расче­ ты одновального ТРД, и на них сделаны ссылки при рассмотре­ нии особенностей расчетов других типов двигателей. Поэтому независимо от того, какой тип двигателя задан, необходимо оз­ накомиться с этими расчетами.

Прежде чем приступать к расчетам, рекомендуется ознако­ миться с принятыми обозначениями (п. 1.2), а затем уже обра­ щаться к ним по мере необходимости. Кроме того, необходимо ознакомиться с приложениями. Графики и таблицы, помещен­ ные в них, помогут сократить некоторые вычисления.

1. ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. Цели термогазодинамического расчета

Целями термогазодинамического расчета являются:

1. Определение оптимальных параметров рабочего процес­

са ВРД (тс*, 7’*, т> х, 7’ф) в зависимости от его типа (предва­

рительный расчет).

2. Определение полных и статических параметров рабочего

тела (р*,р, Т*, Т, р*, р, с) в характерных сечениях газового тракта ТРД и расчет геометрических размеров этих сечений.

3. Построение высотно-скоростных и дроссельных характе­ ристик ВРД (выполняется по отдельной методике).

1.2. Принятые обозначения

а*х - коэффициент сохранения полного давления в возду­

хозаборнике (ВЗ). Для ТВД а*х «0,97...0,99. Для ТРД и ТРДД

при работе двигателя на стенде (М р =0) а*х0 =0,90...0,98, для

7

давления в системе косых скачков, принимать по рис. 1 прило­ жения 1;

а*2 —коэффициент сохранения полного давления в канале

наружного контура ТРДД, принимать 0,94...0,99 в зависимости от длины канала;

сткс - коэффициент сохранения полного давления в основ­ ной камере сгорания (КС), принимать 0,94...0,96;

сГфК - коэффициент сохранения полного давления в фор­

сажной камере сгорания (ФК). с*ФК = а*идр <4ПЛ, где а*1др - ко­

эффициент, учитывающий гидравлические потери в ФК, прини­

мать 0,95...0,98; - коэффициент, учитывающий тепловое сопротивление в ФК, выбирать по рис. 5 приложения 1;

а* - коэффициент сохранения полного давления в PC,

принимать 0,98...0,99;

т)вв - КПД воздушного винта (ВВ), принимать на взлетном

режиме для самолетов - 0,85...0,88, для вертолетов - 0,76...0,81;

Ti^ - КПД редуктора ТВД, принимать 0,98...0,99 (при

расположении редуктора на двигателе);

т]* -КП Д компрессора ГТД, принимать 0,82...0,86 в зави­

симости от степени повышения давления (при Т я* т]*);

г|в - КПД вентилятора (В) ТРДД, принимать 0,85... 0,87 ;

г|* - КПД турбины ГТД по параметрам заторможенного потока, принимать 0,91...0,94 в зависимости от числа ступеней (при 1Х = > 1Х );

т]м —механический КПД, учитывающий затраты мощности на трение в подшипниках и привод агрегатов, принимать 0,98... 0,99;

8

т]г - коэффициент полноты сгорания топлива в КС, прини­

мать 0,97... 0,99; Т1ФК - коэффициент полноты сгорания топлива в ФК, при­

нимать 0,92... 0,95;

г|2 - КПД, учитывающий гидравлические потери в наруж­ ном контуре ТРДД, принимать 0,78...0,84 в зависимости от схемы двигателя. Чем длиннее наружный контур, тем меньше значение т|2;

Рст -К П Д свободной турбины ТВаД, принимать 0,90...0,92.

Фс - коэффициент скорости в реактивном сопле (PC), при­ нимать для ТРД, ТРДД, ТВД - 0,97...0,98; для ТВаД - 0,90...0,94; для ТРДФ и ТРДДФ - 0,92...0,95. Чем выше ско­ рость полета, тем меньше значение фс;

- коэффициент, учитывающий отбор воздуха на охлаж­ дение и другие нужды, а также утечку его через лабиринтные уплотнения. При увеличении Т* уменьшается значение £,. При­ нимать для двигателей с охлаждаемыми воздухом лопатками турбины: при Г* <1500К - 0,96...0,98; при Т* >1500К - 0,93...0,95; при ГГ*>1600К - 0,90...0,92; при ГГ*>1700К - 0,86... 0,88;

Р - коэффициент, учитывающий массу топлива, введенно­ го в двигатель, принимать 1,01... 1,02;

р - коэффициент, учитывающий увеличение температуры газа в конце процесса расширения ( t Гс) из-за неадиабатичности процесса (подогрев газа в результате трения), принимать 1,02.. Л,04;

qT - расход топлива в килограммах на 1 кг воздуха, прохо­ дящего через КС;

qrф - расход топлива в килограммах на 1 кг газов, прохо­ дящих через ФК;

скр - местная скорость звука, м/с;

9

Ни - низшая теплотворная способность углеводородного топлива, принимать 43 000 кДж/кг;

свх - осевая скорость воздуха на входе в компрессор, при­ нимать при первых дозвуковых ступенях - 180...200м/с, при первой трансзвуковой-210...230 м/с, при первой сверхзвуковой

нимать 180...240м/с (за КИД Скнд принимать 140...200 м/с); сг - осевая скорость газов за КС, принимать ПО... 200 м/с;

О правильности выбранной величины осевой скорости судить по размерам лопаток последних ступеней турбины;

7с*/ - изоэнтропическая (адиабатическая) степень повыше­ ния давления воздуха в воздухозаборнике;

явз - степень повышения давления воздуха в воздухоза­ борнике, Лез = Пу овх;

ти* - степень повышения полного давления воздуха в ком­ прессоре;

-общая степень повышения давления воздуха в ГТД;

-общая степень повышения давления воздуха в двух­ каскадном (трехкаскадном) компрессоре ГТД;

яквд - степень повышения давления воздуха в компрессо­ ре высокого давления (КВД);

тскНд - степень повышения давления воздуха в компрессо­ ре низкого давления (КНД);

лкед - степень повышения давления воздуха в компрессо­ ре среднего давления (КСД);

тсз - степень повышения давления воздуха в вентиляторе

(В) ТРДД (в наружном контуре);

10