Расчёт числа оборотов ротора ТРД

Задаются предварительно окружной скоростью на наружном диаметре первой ступени компрессора [6] м/с и определяется окружная скорость на среднем диаметре первой ступени турбины

.

Скорость не должна превышать 380÷400 м/с.

Приближённо оценивается напряжение разрыва в лопатке турбины

.

Допускаемое напряжение разрыва выбирается с учётом ресурса двигателя и температуры перед турбиной. В предварительных расчётах (при ) рекомендуется принимать [6]

.

Для обеспечения высокого к.п.д. турбины рекомендуется выдерживать оптимальное отношение скоростей , где – условная скорость истечения, которая была бы получена при полном преобразовании теплоперепаде в кинетическую энергию.

С этой целью для многоступенчатой турбины (при ) определяется отношение

,

где i – число ступеней турбины; .

Рекомендуется .

При выборе числа ступеней не допускается в одной ступени срабатывания

.

Подбором числа ступеней i и величины в указанных пределах (с учётом допускаемого ) окончательно выбирается значение окружной скорости и соответственно обороты

.

При двухвальной схеме турбины подбор производится раздельно по турбинам.

 

Особенности расчёта двухвального ТРД

Определение параметров в сечениях а–а и 1–1 производится так же, как и в одновальном ТРД.

Для оценки параметров на выходе из компрессора требуется предварительно распределить адиабатную работу между его каскадами. Обычно у ТРД с двухкаскадным компрессором адиабатная работа компрессора низкого давления составляет примерно 40÷50% от адиабатной работы всего компрессора, т.е. отношение

.

Тогда адиабатная работа компрессора низкого давления

,

где определена в основном расчёте одновального ТРД.

Степень повышения давления в первом каскаде компрессора

.

Степень повышения давления во втором каскаде компрессора

.

Параметры воздуха на выходе из компрессора низкого давления:

температура торможения

;

полное давление

.

Параметры воздуха на выходе из компрессора высокого давления:

температура торможения

;

полное давление

.

Рекомендуется принимать [10] к.п.д. компрессоров низкого и высокого давлений в пределах

.

Статические параметры на выходе из компрессора низкого давления:

температура

,

(здесь рекомендуется [10] принимать значения скорости в пределах );

давление воздуха на выходе из компрессора низкого давления

;

удельный вес воздуха

.

Определение параметров потока газа и размеров поперечного сечения за турбиной второго каскада производится как для сечения 4–4 одновального ТРД. При этом учитывается, что к.п.д. всей турбины больше к.п.д. группы ступеней турбины первого и второго каскада компрессора.

Для расчёта числа оборотов компрессора второго каскада (высокого давления) рекомендуется [6] задавать окружные скорости на наружном диаметре первой ступени этого компрессора в пределах 360÷380 м/с.

 

 

Глава 3

Термодинамический расчёт ТРДФ

 

Способы форсирования тяги

Форсированием называется увеличение тяги при взлёте самолёта и в полёте соответственно для уменьшения длины разбега и повышения максимальной скорости, высоты и маневренности самолёта.

Используется несколько методов форсирования тяги [11]:

1) кратковременное повышение максимальной частоты вращения на 3÷4%. Это даёт прирост тяги на 15÷20%, но одновременно вызывает повышение температуры и напряжений в турбинных лопатках, что снижает их прочность;

2) кратковременное повышение температуры на 5÷10% при путём уменьшения площади реактивного сопла на выходе увеличивает тягу на 8÷10%, но также уменьшает прочность турбинных лопаток и, кроме того, требует применения регулируемого сопла;

3) впрыск воды или легкоиспаряющейся жидкости на вход компрессора также повышает тягу вследствие увеличения массы газа и роста удельной тяги из-за понижения температуры воздуха, поступающего в компрессор, роста и скорости истечения газа из сопла;

4) впрыск воды или специальных жидкостей в камеру сгорания;

5) отбор воздуха из компрессора в специальный форсажный контур в сочетании с впрыском воды в камеру сгорания;

6) дополнительное сжигание топлива за турбиной в форсажной камере.

Последний способ форсирования тяги получил наибольшее распространение из-за значительного роста тяги при одновременном уменьшении удельного веса и удельной лобовой поверхности двигателя. Схема двигателя с форсажной камерой (ТРДФ) изображена на рисунке 3.1.

 

Рисунок 3.1. Схема и расчётные сечения ТРДФ

 

Впрыск воды на входе в компрессор получил значительное развитие в ТВД, у которых применение форсажных камер неэффективно.

Увеличение тяги при форсировании характеризуется степенью форсирования

,

представляющей собой отношение тяги на форсированном режиме к тяге на максимальном режиме. Величина в условиях взлёта составляет 1,4÷1,5. Поскольку температура форсажа составляет 1900÷2000^°К, а , то степень подогрева газа в форсажной камере достигает величин 1,9÷2,3.

 

 

Предварительная оценка и выбор основных параметров проектируемого ТРДФ

Вопрос выбора исходных параметров двигателя на форсированном режиме достаточно сложен, поскольку необходимо удовлетворить ряд требований не только при сверхзвуковом, но и при дозвуковом полёте, который может быть продолжительным.

Поэтому при курсовом проектировании рекомендуется предварительные расчёты проводить при заданных для двух–трёх значений в интервале 1200÷1250^°К, одного–двух значений в интервале 1800÷2000^°К и четырёх–пяти значений .

В случае повышения температуры до 1400^°К требуется повысить до 19÷20 [1] для того, чтобы обеспечить приемлемый расход топлива. С другой стороны, пологий характер зависимости при сверхзвуковых скоростях полёта позволяет использовать на ТРДФ как сравнительно высокие значения (12÷15), так и относительно низкие (6÷8) [1].

1. Применение форсирования для скоростей полёта .

Определяется температура заторможенного потока в сечении 4–4

,

где ,

.

Множителем в предварительном расчёте можно пренебречь.

Определяется свободная энергия в двигателе для различных сочетаний

.

Здесь – степень подогрева в форсажной камере;

подсчитывается как для обычного ТРД (раздел 2.1).

Оценивается величина удельной тяги двигателя

и удельный расход топлива

,

где .

Коэффициент избытка воздуха в основной камере сгорания определяется как в предварительном расчёте ТРД по из графика приложения 1.

Средний коэффициент избытка воздуха характеризует процесс в основной и форсажной камере сгорания.

После проведения предварительных расчётов заполняется таблица результатов (приложение 4). По полученным величинам строятся графики

;

и выбирается такое сочетание принимаемое за исходное, которое наилучшим образом удовлетворяло бы требованиям задания.

В дальнейшем проводится расчёт по исходным параметрам.

2. Применение кратковременного форсирования двигателя.

В этом случае форсаж используется кратковременно, например, при взлёте, при необходимости резкого увеличения скорости полёта и т.п.

Предварительный расчёт и выбор исходных величин ведётся как у обычного ТРД на основании построенных графиков.

Определяется потребный расход воздуха по заданной тяге R (без форсажа)

,

где – принимается из графиков предварительных расчётов для .

Определяется удельная тяга при форсировании двигателя по заданной тяге на форсажном режиме

.

Из формулы

определяется искомая температура , а именно записывается равенство

.

Отсюда

.

Температура не должна превышать 2000°К, а величина определяется по выше стоящей формуле. Далее проводится расчёт по исходным параметрам.