Турбовинтовой двигатель ТВЗ-117ВМА-СБМ1

Часовой расход топлива: 

Gт= Се* Nе=0,217 *1984,5= 430,6 кг/ч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                          5 ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАCЧЕТ

 

1. Исходные данные

 

Gв=5.99 кг/с ;

Са1=160 м/с ;  Са2=130 м/с;

 

Параметры на входе и выходе из КВД:

 

Р1= 84760 Па ; Р1*= 99298,5 Па;

Р2=925684,07 Па; Р2*= 973125,3 Па;

Т1= 275,264 К; Т1*= 288 К;

Т2= 591 К; Т2*= 599,5 К.

Площадь кольцевого сечения на входе и выходе из компрессора:

 

 

 

 

Исходя из прототипа, задаемся значением относительного диаметра втулки на входе в компрессор:

 

Uк= 300 м/с – окружная скорость на наружном диаметре колеса

Внешний диаметр колеса втулки на входе в компрессор:

DK1= =

= = 0,245 м

Внутренний диаметр втулки на входе в компрессор:

Dвт.1= d1* DK1=0,5*0,245 =0,1225 м

Средний диаметр на входе в компрессор:

Dср.1= DK1* = 0,245 * = 0,19 м

h1 = = 0,06 м

Проточная часть Dср=const сочетает преимущество двух остальных форм проточной части компрессора, такие как: низкие углы закрутки потока воздуха, лопатки  менее закручены и более технологичны, более высоки КПД компрессора.

Выбираем форму проточной части компрессора Dср=const  и рассчитываем диаметры на выходе из компрессора:

Dср.1= Dср2=0,23 м

DK2=  = = 0,24 м

Dвт.2= = = 0,22 м

d2= Dвт.2/ DK2=0,22/0,24 = 0,91 м

Высота лопатки на выходе из КВД:

hк= (DK2- Dвт.2)/2=(0,24 -0,22)/2= 0,011 м

Число оборотов вала КВД:

n= (60* Uк)/( π* DK1)= (60* 300)/( 3,14* 0,245)=23397,9  об/мин

 

 

 

Рисунок 5.1 – Схема тракта компрессора

 

5.2 Расчёт первой ступени  КВД по Dср

 

π ст*= (1+(Нz* ηст)/( Ср* Т1*))к/(к-1)= (1+(26351 * 0,89)/

( 1005* 288))1,4/(1,4-1)=1,3

Lк=Σ Нz

Нz≈ Lк/zст≈316219,7/12≈ 26351,6 Дж/кг

zст = 12 – количество ступеней компрессора

Параметры заторможенного потока воздуха на входе в РК:

Т1рк*= Т1*=288 К

Р1рк*= Р1** σвна =99298,5*0,99=99298,5  Па

σвна = 0,99 -  коэффициент восстановления полного давления во ВНА ступени

Параметры заторможенного потока на выходе из первой ступени:

Т*вых.ст= Т1рк*+ Нz/ Ср=288+26351,6/1005=314,2 К

Р*вых.ст= Р1рк** π ст*= 99298,5*1,3

= 129088 Па

Окружная скорость на среднем диаметре и коэффициент теоретического напора:

Uср=Uк*= 330*) = 237.2 м/с

НТСР= Нz/(кН* Uср2)= 26351,6 /(0,99 * 237,22) = 0,47

кН = 0,99 – коэффициент уменьшения теоретического напора

 

5.3 Кинематика потока на  входе в РК

 

ρ= 0,5 – степень реактивности

Окружная составляющая абсолютно скорости потока на входе в РК:

Сu1= Uср*(1- ρ-1/2 НТСР)= 237,2 *(1- 0,5-1/2*0,47)=62,9 м/с

 Абсолютная скорость  на входе в РК:

С1= √( Са12+ Сu12)= √( 1602+ 65,92)=171,9 м/с

λ1= С1/√(((2*к)/(к+1))*R* Т1*)= 171,9 /√(((2*1,4)/(1,4+1))*287* 288)=0,55

Находим газодинамические функции по формулам (для воздуха):

Т(λ1)=1-0,1667* λ12=1-0,1667* 0,552=0,949

Р(λ1)=[ Т(λ1)]3,5= [0,949]3,5=0,83

q(λ1)= λ1[1,2* Т(λ1)]2,5= 0,55 [1,2* 0,949]2,5= 0,76

Окружная составляющая относительной скорости потока на входе в РК:

Wu1= Uср- Сu1=237,2 - 62,9 =174,3   м/с

Относительная скорость:

W1= √( Wu12+ Са12)= √( 174,32+ 1602) = 236,6 м/с

Направление потока на входе в РК:

α1=arcsin(Са1/ С1)= arcsin(160/ 171,9)=68,56°

β1=arcsin(Са1/ W1)= arcsin(160/ 236,6)=42,56°

Параметры потока на входе в РК:

Т1рк= Т1рк** Т(λ1)=288*0,949 = 273,3 К

Р1рк= Р1рк** Р(λ1)= 99298,5*0,83 = 82417,76 Па

 

5.4 Кинематика потока на  выходе из РК:

 

Задаемся осевой скоростью на выходе из рабочего колеса:

Са2'= Са1-(3-5)= 155 м/с

∆Сu= НТСР* Uср=0,47*237,2=111,48 м/с

Окружная составляющая абсолютной скорости:

Сu2= Сu1+∆Сu=62,9 +111,48 =174,4 м/с

Абсолютная скорость:

С2= √( Са2'2+ Сu22)= √( 1552+ 174,42) = 233,3 м/с

Окружная составляющая относительной скорости:

Wu2= Uср- Сu2=237,2 – 174,4 = 62,8 м/с

Относительная скорость:

W2= √( Са2'2+ Wu22)= √( 1552+ 62,8 2) =167,23 м/с

Направление потока на выход из РК:

β2=arcsin(155/ 167,23) = 67,9°

α2=arcsin(155/ 233,3) = 41,63°

Давление и температура на выходе из рабочего колеса:

Т2рк*= Т*вых.ст = 314,2  К

Т2рк= Т2рк*- С22/(2*Ср) = 314,2  - 233,3 2/(2*1005) = 287,12  К

Р2рк*= Р*вых.ст/ σна = 129088/0,98=131722,4 Па

σна =0,98

Р2рк= Р2рк**( Т2рк/ Т2рк*)к/(к-1)= 131722,4*

( 287,12 / 314,2  )1,4/(1,4-1)=96085,9  Па

Закрутка потока в РК:

∆β= β2- β1=67,9°-42,56°=25,34°

Абсолютная скорость на выходе из ступени:

Свых.ст= Са вых.ст./sinα вых.ст=150/sin 67,56°=162,3 м/с

акр.вых.ст.=√(((2*к)/(к+1))*R* Т*вых.ст)=√(((2*1,4)/(1,4+1))*287* 314,2)= 324,35 м/с

λвых.ст.= Са вых.ст./ акр.вых.ст.= 150/324,35 = 0,46

Высота лопатки на входе из КВД:

h1= (DK1- Dвт.1)/2=0,06  м

Параметры потока на выходе из первой ступени:

Твых.ст= Т*вых.ст- Свых.ст2/(2* Ср)= 324,35 – 162,32/(2* 1005) = 315,25 К

Рвых.ст= Р*вых.ст*( Твых.ст/Т*вых.ст)= 129088*(315,25/324,35)=116850 Па

Площадь кольцевого сечения на выходе из ступени:

Fвых.ст= (Gв*R* Твых.ст)/( акр.вых.ст.* Рвых.ст* λвых.ст.)=( 5,99*287*315,25)

/(324,35*116850*0,46)=0,037 м2

При Dср=const

Dср вых.ст.= Dср.1= 0,23 м

Dк вых.ст.=√( Dср вых.ст2+(2* Fвых.ст)/π).=√( 0,232+(2* 0,037)/3,14)=0,2765 м

Dвт вых.ст.=√( Dср вых.ст2-(2* Fвых.ст)/π).=√( 0,232-(2* 0,037)/3,14)=0,171 м

d вых.ст.= Dвт вых.ст./ Dк вых.ст.= 0,276/0,171= 1,61 м

Высота лопатки на выходе из ступени:

h вых.ст.= (Dк вых.ст.- Dвт вых.ст.)/2=( 0,2765- 0,171)/2=0,0525 м

 

 

Рисунок 5.2 – Тракт первой ступени компрессора

 

5.5 Определение геометрических  параметров решётки профилей

 

 

Определение геометрических параметров решетки профилей на среднем радиусе сведено в таблицу 5.1. При расчете были использованы графики, представленные на рисунках 5.3 и 5.4.

 

                           

                 Рисунок 5.3 – График зависимости

                       

                  

                    Рисунок 5.4 – График зависимости

 

Таблица 5.1 – Расчет параметров решетки на среднем радиусе

Параметры	Размерность	Величина
	м	0,06
	—	2
	м	0,03
∆β	град	25,34
	—	0.8
	град	67,9
(по графику рис. 5.3)	град	22
	—	1,439
(по графику рис. 5.4)	—	2,4
	м	0,0125
	шт	47,7
	шт	48
	м	0,0124
	м	0,02976
	—	2,016

 

 

 

                      Рисунок 5.5 – План скоростей первой ступени

 

 

 

 

 

 

           6 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ВАЛА КОМПРЕССОРА

 

                                   6.1 Расчет вала на прочность

 

Мощность компрессора:

 

Крутящий момент создают окружные газодинамические силы от рабочих лопаток к валу:

 

где: - угловая скорость, ;

        – частота вращения вала

Вес ротора:

 

где: – вес лопаток ротора;

        – вес дисков ротора;

        – масса ротора, кг;

        i – элемент ротора.

 

 

 

 

 

Осевая сила инерции масс ротора, которая возникает при разбеге и торможении (положительное направление совпадает с направлением потока газа):

 

где: – коэффициент эксплуатационной перегрузки (во время разбега равен 2).

 

Осевая сила, которая передается на вал от одного рабочего колеса компрессора:

 

где: – средний диаметр проточной части;

   – высота рабочей лопатки;

   – соответственно давление газа перед и за рабочими лопатками;

   – осевые скорости на входе и выходе из рабочего колеса;

   – радиус корневого сечения лопатки;

   – внешний радиус вала;

   – давление газа на переднюю и заднюю стенки диска.

 

 

Третье слагаемое в формуле мы не учитываем, поэтому получаем:

 

 

Радиальная сила инерции неуравновешенных сил ротора:

 

где: – величина статического дисбаланса

Центробежная сила инерции, которая возникает при криволинейных эволюциях в вертикальной плоскости:

 

Поперечная сила:

 

Изгибающие моменты от силы находят, определив реакции в опорах ротора:

 

 

 

 

 

 

Следовательно:

 

Угловая скорость эволюции самолета:

 

где: – скорость полета, ()

   – коэффициент эксплуатационной перегрузки, при выходе самолета с крутого пикирования ().

Полярный момент инерции ротора является мерой его инертности во вращательном действии:

 

где: – эмпирический коэффициент ;

    – число ступеней компрессора;

   - внешний диаметр ротора, см

Гироскопический момент образуют радиальные кориолисовы силы инерций масс ротора, которые возникают под действием внешних сил при криволинейных эволюциях летательных аппаратов:

 

Гироскопический момент действует в совмещенной плоскости векторов в направлении поворота первого вектора к другому по наименьшему пути.

Реакции в опорах:

 

 

 

 

 

 

Изгибающий момент в горизонтальной плоскости:

 

 

Суммарный изгибающий момент определяется по правилу векторного суммирования:

 

Определяем напряжения вала:

Для расчета выбирают несколько расчетных сечений вала, в которых возможно возникновение .

 

 

где: – момент сопротивления кручению, ;

   – внешний и внутренний диаметр вала в данном сечении.

Напряжение изгиба:

 

 

где: – момент сопротивления изгиба, .

 

 

Напряжения растягивания (сжатия) в осевом направлении:

 

 

Суммарные нормальные напряжения, которые действуют вдоль оси вала:

 

Они достигают максимума на внешней поверхности вала.

Критерием сложного напряжения состояния вала принято эквивалентное напряжение, которое определяют по теории наибольших касательных напряжений:

 

Эквивалентное напряжение равнозначно по характеру действия одноосному напряжению растяжения.

Прочность оценивают по коэффициенту запаса:

 

Вывод: конструкция вала отвечает условиям прочности с достаточно большим запасом.

 

 

                                      6.2 Выбор подшипников вала

 

По таблице 11.03 выбираем подшипники качения:

1. Роликовый компрессорный подшипник:

100x150x44

Нагрузка – осевая P=0,

                    радиальная R=200 даН=2000 Н;

Рабочая температура

2. Шариковый компрессорный подшипник:

90х174х68

Нагрузка – осевая P=1600 даН=16000 Н,

                    радиальная R=400 даН=4000 Н;

Рабочая температура

 

 

 

 

 

                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

                 

                                

                              Рисунок 6.1 – Расчетная схема  вала                                                                         

            

 7 РАСЧЕТ  НА ПРОЧНОСТЬ ЛОПАТКИ

 

Рабочая лопатка осевых компрессоров находится при работе под действием центробежных и газовых сил. Первые вызывают у них напряжения растяжения, а вторые - изгиба.