Московский Государственный Технический Университет
им Н. Э. Баумана
Калужский филиал
Кафедра
К1– КФ
Расчётно – пояснительная записка к курсовому проекту
по теме
«Осевой компрессор»
Калуга
Содержание
1. Общееустройство и принцип действия осевого компрессора
2. Исходные данные
3. Предварительный расчёт осевогокомпрессора
4. Поступенчатый расчёт компрессорапо средней линии тока
5. Профилирование рабочего колеса(спрямляющего аппарата)
6. Расчёт треугольников скоростей повысоте лопатки
7. Построение профиля лопатки
8. Прочностной расчёт
9. Описание спроектированного осевогокомпрессора
10. КНИРС
11. Список использованной литературы
1.Общее устройство и принцип действия осевого компрессора
Основными принципиальными элементами устройства осевогокомпрессора являются расположенные попарно венцы вращающихся и неподвижных лопаток.Каждый венец вращающихся лопаток образует рабочее колесо (РК), а каждый венецнеподвижных лопаток — спрямляющий аппарат (СА).
Каждая пара РК и СА представляет собой ступенькомпрессора, т.е. секцию, в которой полностью реализуется его принцип действияс соответствующим повышением давления.
Сочетание ступеней в осевом компрессоре осуществляетсяконструктивно сравнительно просто, поскольку в нем каждая частица воздухадвижется по траекториям, почти равноотстоящим от оси компрессора (отсюдакомпрессоры и получили название осевых). При допустимом уровне гидравлическихпотерь возможное повышение давления в одной ступени относительно невелико,поэтому компрессоры всегда выполняются многоступенчатыми.
Благодаря сжатию воздуха плотность его в каждой ступенивозрастает, и при неизменном массовом расходе, объемный расход воздуха падает.Поскольку осевая скорость движения воздуха в компрессоре изменяется несильно,то это приводит к необходимости уменьшения проходных сечений, поэтому высотылопаток по ходу движения воздуха уменьшаются.
2.Исходные данные
Рабочеетело – воздух.
/> – давление навходе в компрессор.
/> – температурана входе в компрессор.
/> – адиабатныйКПД компрессора.
G=12 кг/с –расход воздуха.
/> – степеньповышения давления.
k=1,4– показатель адиабаты.
R=287,4Дж/кгК – газодинамическая постоянная.
/> – изобарнаятеплоёмкость.
/> – окружнаяскорость. Компрессор дозвуковой.
/> – коэффициентрасхода на входе.
/> – коэффициентрасхода на выходе.
/> – степеньреактивности первой ступени.
(Dк=const)
3.Предварительный расчёт осевого компрессора
Осеваяскорость на входе в компрессор:
/>
Осеваяскорость на выходе из компрессора:
/>
1.Первоначальное значение степени повышения давления лопаточного аппарата:
/>
2.Температура заторможенного потока на выходе из компрессора:
/>
3.Температуру газа на выходе из компрессора:
/>
4.Плотность заторможенного потока на выходе из компрессора:
/>
5.Плотность газа на выходе из компрессора:
/>
6.Потеря давления на выходе:
/>
7.Уточняем />-коэффициентвосстановления полного давления в выходном патрубке:
/>
8.Определяем статическую температуру газа на входе в компрессор:
/>
9.Плотность заторможенного потока на входе в компрессор:
/>
10.Плотность газа на входе в компрессор:
/>
11.Потеря давления на входе:
/>
12.Уточняем />:
/>
13.Степень повышения давления лопаточного аппарата:
/>
14.к.п.д. лопаточного аппарата:
/>
15.Работа лопаточного аппарата:
/>
16.Работа компрессора:
/>
17. Мощностькомпрессора:
/>
Определениегеометрических размеров
Площадьпроточной части на входе:
/>
Площадьпроточной части на выходе:
/>
1.Диаметркорпуса на входе:
/>
2.Диаметрвтулки на входе:
/>
3.Высоталопатки на входе:
/>
4.Относительныйдиаметр втулки на выходе:
/>
5.Диаметрвтулки на выходе:
/>
6.Высоталопатки на выходе:
/>
Определениечисла ступеней и распределение напоров
/>
Числоступеней округляется до целого значения и /> пересчитывается:
/>
Распределениеработы по ступеням с использованием коэффициентов напора /> можно производитьисходя из следующих соотношений:
впервой дозвуковой ступени />=(0.5-0.6) />
впервой околозвуковой или сверхзвуковой ступени />=(0.75-0.85) />
всредней ступени — напор максимальный />=(1.15-1.2) />
впоследней ступени />=(0.95-1.0) />
РаспределениеК.П.Д. по ступеням
Среднимк.п.д. ступеней является заданный политропный к.п.д… В первых до и околозвуковыхступенях величину к.п.д. следует снижать на 1.5…2.5%, в первой сверхзвуковой ступенина 2…4%. В средних ступенях к.п.д. увеличивается на 1…2% относительно среднегозначения. В последних ступенях к.п.д. также снижается на 1.5…2%.
Прираспределении к.п.д. должно выполнятся условие:
/>
Температураторможения на входе в первую ступень:
/>
Изменениетемпературы в ступени:
/>
Температураторможения на входе в последующие ступени равна соответственно температурам навыходе из предыдущих ступеней:
/>
Адиабатноеизменение температуры в ступени:
/>
Адиабатнаятемпература торможения на выходе из ступени:
/>
Степеньповышения давления в ступени:
/>
Произведениевсех степеней повышения давления ступеней должно равняться степени повышениядавления лопаточного аппарата:
/>
Результатырасчёта сведены в табл. 1.
Таблица1.№ ступени 1 2 3 4 5 6 7 8
Dк м 0,3543 0,3543 0,3543 0,3543 0,3543 0,3543 0,3543 0,3543 0,3543
/> м/с 350 350 350 350 350 350 350 350 350
/> м/с 175 174,61 172,81 168,97 162,63 153,38 140,90 124,87 115,2
/> м/с 174,81 173,71 170,89 165,8 158 147,14 132,88 114,93 105
/> ____ 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
/> ____ 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92
/> ____ 0,882 0,886 0,892 0,9 0,912 0,907 0,901 0,891
/> К 288 308,159 342,813 381 423 463 501 537
/> К 20,159 34,654 38,188 42,080 40,308 37,839 36,067 33,598
/> К 17,78 30,703 34,06 37,872 36,760 34,319 32,496 29,935
/> К 305,78 338,862 376,876 418,873 459,841 497,708 533,724 567
/> ____ 1,233 1,394 1,393 1,393 1,338 1,284 1,245 1,208
/> кдж/кг 20250 34810 38360 42270 40490 38010 36230 33750
/> ____ 0,165 0,284 0,313 0,345 0,331 0,31 0,296 0,275 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
4.Поступенчатый расчёт компрессора по средней линии тока
1ступень.
1.Действительная работа сжатия:
/>
2.Адиабатическая работа сжатия:
/>
3.Повышение полной температуры в ступени:
/>
4.Полная температура на выходе из ступени:
/>
5.Степень повышения полного давления в ступени:
/>
6.Полное давление на выходе из ступени:
/>
7.Критическая скорость потока на входе и выходе:
/>;
/>
8.Средний радиус на входе:
/>,
9Безразмерная окружная составляющая абсолютной скорости на входе:
/>
10.Направление абсолютной скорости на входе:
/>
11.Приведённая скорость на входе:
/>
12.Газодинамическая функция расхода />:
/>
13.Кольцевая площадь на входе в ступень:
/>
14.Кольцевая площадь на выходе из ступени в первом приближении при б1=б3:
/>
где/>
15.Относительный диаметр втулки на выходе из ступени в первом приближении, и />:
/>, />,
/>
16.Безразмерная окружная составляющая абсолютной скорости на выходе:
/>
17.Направление абсолютной скорости на входе:
/>
18.Приведённая скорость на выходе:
/>
19.Действительная кольцевая площадь на выходе из ступени:
/>
20.Действительный относительный диаметр втулки:
/>
21.Средний радиус на выходе из ступени:
/>.
22.Средний радиус на выходе из рабочего колеса:
/>
23.Безразмерная окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочегоколеса:
/>
24.Углы потока в относительном движении:
/>
/>
25.Направление потока в абсолютном движении после РК:
/>
26.Углы поворота потока в средних сечениях лопаток РК и СА:
/>
27.Относительная скорость на среднем радиусе на входе в Р.К.:
/>
28.Абсолютная скорость на среднем радиусе входе в СА:
/>
Частотавращения вала компрессора:
/>
Аналогичнопроводится расчёт для остальных сечений. Результаты расчёта сведены в табл.2.
5.Профилирование рабочего колеса (спрямляющего аппарата)
Необходимые величины:
/> ; />
/>-густота решётки
Коэффициент,учитывающий форму средней линии профиля
/>, где />;
Уголатаки
/>;
/>
Уголизгиба средней линии
/>;
Уголизгиба входной кромки
/>;
Уголустановки
/>;
Уголотставания
/>;
Хорда
b;
Радиусдуги средней линии:
/>
Шагрешётки на среднем диаметре
/>;
Числолопаток
/>;Параметр ВНА 1 РК СА
/> 60,856 60,856 60,792
/> 17,63 18,128
/> 20 20
/> 1 0,806 0,806
/> -0,486 -2,96
/> 35,164 26,678 22,29
/> 107,582 56,078 50,825
/> 44,36 56,347 57,83 b 26 26 26
6.Расчёт треугольников скоростей по высоте лопатки
Расчётпо высоте лопатки ведётся по закону постоянной циркуляции.
/> Первая ступень РК НА Втулка Периферия Втулка Периферия
/> 124,77 71,52
/> 250,77 155,57
/> м/с 175 175
/> м/с 174,61 174,61
/> град. 54,51 67,77
/> град. 47,44 32,13
/> град. 34,88 48,33
/> град. 76,36 41,79
/> град. 54,56 64,58
/> 28,92 9,66 19,68 16,25
/> 27,33 12,67 17,33 22,671
/> град. 36,42 14,53 29,27 31,31
/> град. 66,85 39,96 47,11 60,44
7.Построение профиля лопатки
Серия профиля А–40. Сначала строитсясимметричный профиль, а затем дуга окружности, заданного радиуса, на которуюпереносятся соответствующие толщины профиля. Для каждого сечения задаёмсяотносительной толщиной профиля.В данном случае для рабочей лопатки напериферии применяем 5%-ный профиль, на среднем сечении 10%-ный профиль, а вкорневом – 20%-ный профиль. Для ВНА и СА берём по всей высоте 10%-ый профиль.
8. Прочностной расчёт
1.Расчёт лопатки на растяжение.
Расчёт произведём последующейформуле:
/>
/> — плотность материала лопатки(сталь 1Х13)
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Лопатка выдержит нагрузку.
9. Описание спроектированного осевогокомпрессора
Осевой компрессор состоит из ротора,несущего рабочие лопатки всех ступеней, и корпуса со спрямляющими аппаратами иопорами. Данный компрессор имеет ротор смешанного типа, так как его отдельныесекции имеют и диски, и барабанные участки. Такая барабанно-дисковаяконструкция имеет достаточно большую жесткость и большое критическое числооборотов.
В представленном компрессоре секциисоединяются между собой с помощью штифтов.
Каждая секция представляет собой дискс барабанными участками. Барабанные участки секций образуют собой тело равногосопротивления изгибу, отчего конструкция ротора имеет при сравнительно маломвесе большую жесткость.
Внутренние полости ротора,образующиеся между дисками, сообщаются между собой через отверстия в теледисков, чем устраняется осевая нагрузка на диски из-за перепада давления.
Стальные рабочие лопатки закреплены вдисках с помощью хвостовиков типа «ласточкин хвост» и зафиксированы от смещениявдоль паза отгибными замками.
Все диски ротора и задний валкомпрессора подвергаются статической балансировке, а собранный ротординамической.
Ротор компрессора имеет 2 опоры.Передней опорой служит роликовый подшипник, воспринимающий радиальные усилия идопускающий осевые перемещения относительно корпуса.
В задней опоре установлен шариковыйподшипник, который нагружен радиальными и осевыми усилиями от роторовкомпрессора и турбины.
Подшипники охлаждаются маслом. Дляпредупреждения попадания масла в проточную часть компрессора установленылабиринтные уплотнения.
Корпус компрессора стальной, сварнойконструкции, имеет горизонтальный разъём. Половины корпуса стянуты болтами.
Лопатки спрямляющих аппаратовступеней входят своими концами в просечки наружных и внутренних колец ипривариваются к ним. Каждое полукольцо спрямляющего аппарата закреплено накорпусе болтами.
Направляющий аппарат первой ступени расположенв лобовом картере двигателя. Лопатки закреплены в наружном разъёмном ивнутреннем кольцах своими цилиндрическими хвостовиками.
На наружной поверхности корпусаприварены ресиверы, в которых клапаны перепуска воздуха (от помпажа).
10. КНИРС
Влияние числа ступеней на напор иокружную скорость.
При выборе параметров осевогомногоступенчатого компрессора обычно прежде всего бывает задана величинастепени повышения полного давления р*к. Затраченная работа на сжатиеопределяется при заданном р*к, если известен КПД компрессора (з*К):
/> (1)
С другой стороны, затраченную работуможно выразить через средний коэффициент напора /> и среднюю окружную скорость /> на перифериикомпрессора (при DK≠const):
/> (2)
где z–число ступеней компрессора.
Сопоставляя выражения (1) и (2),получим
/> (3)
где />
При заданном р*к числоступеней компрессора тем меньше, чем больше приведённая окружная скорость и чембольше средний коэффициент напора />. Входящая в формулу (3) величинаизоэнтропического КПД (з*К) неудобна для оценки числа ступеней z, поскольку её значение существеннозависит от р*к, поэтому удобнее исходить из величиныполитропического КПД.
Достигнутые в настоящее времязначения политропических КПД многоступенчатых компрессоров и принимаемыевеличины /> приведенына рис. 1.
Рис.1.
/>
Величины среднего коэффициентатеоретического напора (/>), как и величина коэффициентатеоретического напора (/>), ограничены степеньюдиффузорности каналов по числам />и /> в решётках. По данным,приведённым на рис. 1, выбираются величины /> и /> .При заданном значении степениповышения полного давления р*к и величине /> по рис. 2 оценивается величинаизоэнтропического КПД з*К.
Рис. 2
/>
Средняя приведённая окружная скорость/> существенно влияет на выбор числа ступеней. Однако еёвыбор и, следовательно, выбор числа ступеней необходимо производить с учётомвлияния окружной скорости на КПД компрессора з*К, а также с учётомпрочности (и в первую очередь, приводящей во вращение компрессор турбины). Нарис. 3 приведены зависимости изоэнтропического КПД многоступенчатого осевогокомпрессора от />и />. На этомграфике можно нанести линии постоянных значений числа ступеней z при заданном значении р*к.
Рис. 3
/>
1. Список использованной литературы
1. Бекнев В. С., Расчёт осевого компрессора. Москва. 1973.
2. Жирицкий Г. С., Стрункин В. А., Конструкция и расчёт напрочность деталей паровых и газовых турбин., издательство «Машиностроение»,1968.
3. Скубачевский Г. С., Авиационные газотурбинные двигатели,конструкция и расчёт., издательство «Машиностроение», 1969.
4. Холщевников К. В., Емин О. Н., Митрохин В. Т., Теория ирасчёт авиационных лопаточных машин. Москва, «Машиностроение», 1986.