Турбовинтовой двигатель ТВЗ-117ВМА-СБМ1

Д е й с т в и т е л ь н о е  з н а ч е н и е  п о к а з а т е л я  а д и а б а т ы  п р о д у к т о в  с г о р а н и я :

В ы х о д  и з  т у р б и н ы  к о м п р е с с о р а

- к о л и ч е  с т в о  в о з д у  х а ,о т б и р а е м о г о  н а  о х л а ж д е н и е  г о р я ч и х  э л е м е н т о в  д в и г а т е л я  и  н а  н у ж д ы  л е т а т е л ь н о г о  а п п а р а т а

η т к  н .о х л _=0,9...0,92 - К П Д  н е о х л а ж д а е м о й  т у р б и н ы  п о  п а р а м е т р а м               

                                з а т о р м о ж е н н о г о  п о т о к а

Р а б о т а  т у р б и н ы  к о м п р е с с о р а :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- К П Д  т у р  б и н ы  к о м п р  е с с о р а

 

 

 

- с т е п е н  ь  п о н и ж е н и  я  д а в л е н и я  в  т у р б и н е  к  о м п р е с с о р а

П о л н ы е  п а р а м е т р ы  н а  в ы х о д е  и з  т у р б и н ы  к о м п р к с с о р а :

К

П а

В ы х о д  и з  с в о б о д н о й  т у р б и н ы 

η р =0,9...0.92 - К П Д  п р о ц е с с а  р а с ш и р е н и я  в  с в о б о д н о й  т у р б и н е 

Cc=80...120 м /с  - с к о  р о с т ь  и с т е ч е н и я  г а з а  и з  д в и г а т е л я

м /с

С в о б о д н а я  р а б о т а  ц и к л а :

П р и б л и ж е н н о е  з н а ч е н и е  р а б о т ы  т у р б и н ы  в и н т а :

П р и б л и ж е н н о е  з н а ч е н и е  п о л н о й  т е м п е р а т у р ы  н а  в ы х о д е  и з  с в о б о д н о й  т у р б и н ы :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К

П а р а м е т р ы  н а  в ы х о д е  и з  с о п л а :

К

 

 

 

 

 

 

П а

σ р н =0,97...0,99 - к о э ф ф и ц и е н  в о с с т а н о в л е н и я  п о л н о г о  д а в л е н и я  в ы х о д н о г о  у с т р о й с т в а

П о л н о е  д а в л е н и е  н а  в ы х о д е  и з  с в о д н о й  т у р б и н ы :

П а

С т е п е н ь  п о н и ж е н и я  д а в л е н и я  с в о б о д н о й  т у р б и н ы :

- К П Д  с в о б о д н о й  т у р б и н ы  п о  п а р а м е т р а м  з а т о р м о ж е н н о г о  п о т о к а

У т о ч н е н н ы е  з н а ч е н и я  р а б о т ы  с в о б о д н о й  т у р б и н ы  и  п о л н о  т е м п е р а т у р ы  н а  в ы х о д е  и з  с в о б о д н о й  т у р б и н ы :

Е с л и  Δ L п р е в ы ш а е т  0,5...1%,п р и н и м а е м  Lт в =Lт в п  и  п о в т о р я е м  р а с ч е т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О к о н ч а т е л ь н о е  з н а ч е н и е  п а р а м е т р о в :

К

П а р а м е т р ы  н а  в ы х о д е  и з  с о п л а :

 

 

 

 

 

К

П а

 

 

 

 

 

σ р н =0,97...0,99 - к о э ф ф и ц и е н  в о с с т а н о в л е н и я  п о л н о г о  д а в л е н и я  в ы х о д н о г о  у с т р о й с т в а

П о л н о е  д а в л е н и е  н а  в ы х о д е  и з  с в о д н о й  т у р б и н ы :

П а

С т е п е н ь  п о н и ж е н и я  д а в л е н и я  с в о б о д н о й  т у р б и н ы :

- К П Д  с в о б о д н о й  т у р б и н ы  п о  п а р а м е т р а м  з а т о р м о ж е н н о г о  п о т о к а

У т о ч н е н н ы е  з н а ч е н и я  р а б о т ы  с в о б о д н о й  т у р б и н ы  и  п о л н о  т е м п е р а т у р ы  н а  в ы х о д е  и з  с в о б о д н о й  т у р б и н ы :

П о л н а я  т е м п е р а т у р а  н а  в ы х о д е  и з  с о п л а  и  с у м м а р н а я  с т е п е н ь  с н и ж е н и я  д а в л е н и я :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У д е л ь н ы е  п а р а м е т р ы  д в и г а т е л я

η р е д =0,98...0,985 - К П Д  р е д у к т о р а

У д е л ь н а я  э к в и в а л е н т н а я  м о щ н о с т ь :

   

У д е л ь н ы й  р а с х о д  т о п л и в а :

   

 

 

 

 

 

С е к у н д н ы й  р а с х о д  в о з д у х а :

 

 

 

Ч а с о в о й  р а с х о д  т о п л и в а :

  

 

 

 

Р и с у н о к  1.1 - З а в и с и м о с т ь  у д е л ь н о г о  р а с х о д а  т о п л и в а  о т  п а р а м е т р о в  р а б о ч е г о  п р о ц е с с а

Р и с у н о к  1.2 - З а в и с и м о с т ь  у д е л ь н о й  м о щ н о с т и  о т  п а р а м е т р о в  р а б о ч е г о  п р о ц е с с а

 

 

                          4 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ

 

4.1 Исходные данные

 

Nэ=1984,5 кВт         Пк*=9,8       Т3*=1300 К

к= 1,4 – коэффициент адиабаты для воздуха

R= 287 Дж/кг*к - газовая постоянная для воздуха

Ср= 1005 Дж/кг*к – удельная теплоемкость воздуха

 

4.2 Вход в  двигатель

 

Т0= 288 К                               Р0= 101325 Па

Т0*= Т0= 288 К                      Р0 *= Р0= 1,01325*105 Па

 

4.3 Вход в  компрессор

 

σвх = 0,98 - коэффициент восстановления полного давления

Са1=160 м/с-скорость на входе в компрессор

Статические и полные параметры на входе в компрессор:

Т1*= Т0= 288 К

Р1*= Р0* σвх=101325*0.98= 99298,5 Па

Т1= Т1* - Са2/2010=288-1602/2010 = 275,264 К

Р1= Р1**( Т1/ Т1*)к/(к-1) =99298,5*(275,264/288)1,4/(1,4-1)= 84760,1934 Па

 

4.4  Выход из компрессора

 

ηст=0,885 - среднее значение КПД ступени компрессора

ηм=0,989- КПД компрессора,учитывающий потери в его опорах

Са2=130 м/с - скорость на выходе из компрессора

КПД компрессора по параметрам заторможенного потока:

ηк*=(( Пк*)(к-1)/к – 1)/ (( Пк*)(к-1)/(к* ηст) – 1) = (9,8(1,4-1)/1,4-1)/ (9,8(1,4-1)/(1,4*0,885)-1) = 0,85

Статические и полные параметры на выходе из компрессора:

Т2*= Т1* * [ 1+*(( Пк*)(к-1)/к – 1)/ ηк* ] = 288* [ 1+(9,8(1,4-1)/1,4-1)/ 0,85] =

= 599,5 К

Р2*= Р1** Пк* = 84760,1934  * 9,8 = 973125,3 Па

Т2= Т2* - Са2/2010 = 599,5 – 1602/2010= 591 К

Р2= Р2** (Т2/ Т2*)к/(к-1) = 973125,3* (591/599,5)1,4/(1.4-1) = 925684,07 Па

Работа компрессора:

Lк= Ср * ((Т2* - Т1*)/ ηм) = 1005* ((599,5 - 288)/0,85)= 316219,7 Дж/кг

 

4.5 Выход из камеры сгорания

 

σгидр=0,95 - коэффициент гидравлического сопротивления

σтепл=0,98- коэффициент теплового сопротивления

σкс= σгидр* σтепл= 0,95*098= 0,931

Полное давление на выходе из камеры сгорания:

Р3*= σкс * Р2*=0,93я*973125,3= 905979,6 Па

Нu= 43000000 Дж/кг – теплотворная сособность топлива

L0= 14.8 - количество воздуха теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива

ξ= 0,98

Средние удельные теплоемкости продуктов сгорания и воздуха для температурного интервала от То до Т3*:

Ср1= 9,81* 427* (0,234+ 0.0000676* ((Т3*+ То)/2))= 9,81* 427* (0,234+ 0.0000676* ((1300+288)/2))= 1205 Дж/кг*К

Ср2= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((Т3*+ То)/2))= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((1300+288)/2))=1095,3 Дж/кг*К

Средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания и воздуха для температурного интервала от Т2* до Т3*:

Срр= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((Т3*+ Т2*)/2))= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((1300+599,5)/2))=1126 Дж/кг*К

Необходимый коэффициент избытка воздуха:

α= (ξ* Нu-[(1+ L0)* Ср1- Ср2* L0]*( Т3*- То ))/( Срр* L0*( Т3*- Т2* )= (0,98*43000000-[(1+14,8)* 1205-1095,3*14,8]*(1300-288))/( 1126*14,8*(1300-599,5))=3,36

Относительный расход топлива:

qT= 1/( α* L0)= 1/( 3,36* 14,8)=0,02 

 

Газовая постоянная продуктов сгорания:

Rг= (288*(1+ L0)+287* (α-1)* L0)/(1+ α* L0)= (288*(1+14,8)+287*(3,36

-1)*14,8)/(1+3,36*14,8)= 287,3  Дж/кг*К

Ориентировочное значение показателя адиабаты для продуктов сгорания:

к=1,33

Ориентировочное значение температуры конца расширения в двигателе:

Твых= Т3**[( Р0/ Р3*)(к-1)/к]=1300*[(101325/905979,6)(1,33-1)/1,33]=754,9 К

Средние удельные теплоемкости продуктов сгорания и воздуха в интервале от Т3*  до Твых:

Ср11= 9,81* 427* (0,234+ 0.0000676* ((Т3*+ Твых)/2))= 9,81* 427* (0,234+ 0.0000676* ((1300+754,9)/2))=1271,14 Дж/кг*К

Ср21= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((Т3*+ Твых)/2))= 9,81* 427* (0,224+ 0.0000472* ((1300+754,9)/2))= 1141,45 Дж/кг*К

Средняя удельная теплоемкость действительных продуктов сгорания:

Срг= ((1+ L0)* Ср11+( α-1)* Ср21* L0)/(1+ α* L0)=((1+14,8)* 1271,14+(3,36-1)* 1141,45 *14,8)/(1+3,36*14,8)= 1182 Дж/кг*К

Действительное значение показателя адиабаты продуктов сгорания:

кг= Срг/( Срг- Rг)= 1182 /(1182 -287,3)= 1,321

 

4.6 Выход  из турбины компрессора

 

ΔGoтб=0,1 - количество воздуха,отбираемого на охлаждение горячих элементов двигателя и на нужды летательного аппарата

ηтк н.охл*=0,91 - КПД неохлаждаемой турбины по параметрам              

                                заторможенного потока

Работа турбины компрессора:

Lтк= Lк/( ηм*(1+ qT- ΔGoтб))= 316219,7 /(0,99*(1+0,002-0,1))=347188,9 Дж/кг

ηтк = ηтк н.охл*=0,904 так как Т3*≤1250

Птк*= 1/(1- Lтк/ Срг* Т3** ηтк )кг/(кг-1)

Птк*= 1/(1-347188,9 /(1182 *1300*0,91))1,321/(1,321-1)=3,27

 – степень понижения давления в турбине компрессора

Полные параметры на выходе из турбины компрессора:

Т4*= Т3*- Lтк/ Срг = 1300 - 347188,9 /1182 = 1006 К

Р4*= Р3*/ Птк*=905979,6/3,27 = 277057,9 Па

 

4.7 Выход из свободной турбины

 

ηр=0,91 - КПД процесса расширения в свободной турбине

Cc=100 м/с - скорость истечения газа из двигателя

Свободная работа цикла:

Lсв= Срг * Т4**[1- 1/( Р4*/ Р0)(кг-1)/кг]= 1182 *1006 *[1-1/(277057,9/101325)( 1,321-1)/ 1,321]= 230505,1 Дж/кг

Приближенное значение работы турбины винта:

Lтвп= Lсв* ηр- Cc2/2= 230505,1 *0,91 – 1002/2= 230505,1Дж/кг

Приближенное значение полной температуры на выходе из свободной турбины:

Т41п*= Т4*- =1006 – 230505,1 /1182 = 811 К

Параметры на выходе из сопла:

Т5= Т41п*- Cc2/(2* Срг )= 811 – 1002/(2*230505,1)= 807 К

Р5*= Р0*( Т41п*/ Т5)кг/(кг-1)= 101325*(811 /807) 1,321/(1,321-1)=

=103517,4 Па

σрн=0,98- коэффициен восстановления полного давления выходного устройства

Полное давление на выходе из турбины винта:

Р41*= Р5*/ σрн= 103517,4/0,98= 105630 Па

Степень понижения давления турбины винта:

Птв*= Р4*/ Р41*= 277057,9 /105630 = 2,63

ηтв*= ηр=0,91 - КПД свободной турбины по параметрам заторможенного потока

Уточненные значения работы свободной турбины и полно температуры на выходе из свободной турбины:

Lтв= Срг * Т4**[1 -1/ (Птв*)(1,321-1)/1,321)] *ηтв*=

= 1182*1006*[1 -1 /2,63(1,321-1)/1,321]*0,91= 226596 Дж/кг

∆ Lтв=( (Lтвп – Lтв)/ Lтв)*100= ((230505,1 - 226596)

/ 226596)*100= 1,7 %

∆ Lтв превышает 0,5% ,тогда принимаем Lтвп= Lтв и повторяем расчёт

Lтвп= Lтв = 226596 Дж/кг

Приближенное значение полной температуры на выходе из свободной  турбины:

Т41п*= Т4*- Lтвп/ Срг =1006- 226596/1182=814,3 К

Параметры на выходе из сопла:

Т5= Т41п*- Cc2/(2* Срг )= 814,3 - 1002/(2*1182)=810 К

Р5*= Р0*( Т41п*/ Т5)кг/(кг-1)= 101325*(814,3/810) 1,321/(1,321-1)=

=103556,9 Па

σрн=0,98- коэффициен восстановления полного давления выходного устройства

Полное давление на выходе из свободной турбины:

Р41*= Р5*/ σрн= 103556,9/0,98= 105670,4 Па

Степень понижения давления свободной турбины:

Птв*= Р4*/ Р41*= 277057,9 /105670,4 = 2,62

ηтв*= ηр=0,91 - КПД турбины винта по параметрам заторможенного потока

Уточненные значения работы свободной турбины и полной температуры на выходе из свободной турбины:

Lтв= Срг * Т4**[1 -1/ (Птв*)(1,321-1)/1,321)] *ηтв*= 1182*1006*[1 -1 /2,62(1,321-1)/1,321]*0,91= 301699 Дж/кг

∆ Lтв=( (Lтвп – Lтв)/ Lтв)*100= ((226596-301699)/ 301699)*100= 0,002%

Т41*= Т4* - Lтв/ Срг = 1006- 331226,4/1182= 725,7 К

Полная температура на выходе из сопла и суммарная степень снижения давления:

Т5*= Т41*=814,3 К

ПтΣ*= Р3*/ Р41*=905979,6/106357,6 = 8,58

 

4.8 Удельные параметры двигателя

 

ηред=0,98 - КПД редуктора

Удельная эквивалентная мощность:

Nеуд=   = = 302 кВт*с/кг

Удельный расход топлива:

Се= (3600* qT)/ Nеуд=(3600*0,02)/ 302 = 0,217 кг/кВт*ч

Секундный расход воздуха:

Gв= Nе/ Nеуд=1984,5/302 = 5,99 кг/с