Предварительный расчет и согласование турбины вентилятора

 

Компоновка двигателя и полученные в результате ранее выполненных расчетов геометрические соотношения вентилятора и турбокомпрессора ТРДД приводят к некоторым ограничениям в выборе параметров и геометрических размеров турбины вентилятора. В частности, наружный диаметр турбины вентилятора на выходе не должен существенно превышать диаметра разделителя контуров, т.к. в противном случае это приведет к загромождению проточной части наружного контура двигателя. Поэтому порядок предварительного расчета может быть следующим.

1. Выбирается отношение наружного диаметра турбины вентилятора к диаметру разделителя контуров

.

Большие значения соответствуют ТРДД с большой степенью двухконтурности и без использования редуктора между роторами вентилятора и его турбины.

В примере

2. Наружный диаметр турбины на выходе

=

3. Потребная внутренняя удельная работа турбины газогенератора определяется из баланса мощностей турбины, вентилятора и подпорных ступеней (если они имеются)

.

– (см. §1.2 п.7).

4. Температура газа за турбиной вентилятора

5. Приведенная скорость и угол на выходе из турбины вентилятора

;

.

Выбираем ;

6. Отношение полных давлений в турбине вентилятора

где – (см. §1.2 п.8).

7. Площадь кольцевого сечения канала на выходе из турбины вентилятора

где Па – давление за турбиной вентилятора;

–коэффициент сохранения полного давления в переходном канале между турбиной компрессора и турбиной вентилятора.

8. Высота лопаток турбины вентилятора в выходном сечении

9. Средний диаметр турбины на выходе

10. Выбирается форма проточной части турбины вентилятора.

Как показывает практика выполненных ТРДД, при m > 5 турбина вентилятора имеет форму проточной части с , при m < 5 проточная часть с . В случае использования реактивного сопла без смешения потоков для снижения потерь в наружном контуре рекомендуется иметь турбину вентилятора с .

В примере принимаем форму с , хотя в дальнейшем приводятся формулы и для других форм проточной части турбины.

11. Площадь проточной части на входе в турбину вентилятора

где = 0,4…0,5 – приведенная скорость на входе в турбину вентилятора. Скорость должна быть согласована с ранее выбранной приведенной скоростью на выходе из турбины компрессора .

12. Диаметральные размеры на входе в турбину вентилятора.

При

;

;

.

При

;

;

.

При

;

;

.

13. При схемах и определяем средний диаметр турбины как полу сумму средних диаметров на входе и выходе турбины вентилятора

.

14. Выбор величины параметра согласования (см. §1.2 п.42). Для турбовентилятора величина согласует конструктивные и геометрические параметры вентилятора и его турбины и определяется

,

где – число ступеней турбины вентилятора;

– число ступеней вентилятора;

– средний диаметр вентилятора, представляющий полу сумму средних диаметров входа и выхода вентилятора;

m – степень двухконтурности двигателя.

Как показывает практика создания турбовентиляторов ТРДД, параметр практически не зависит от числа ступеней турбины вентилятора, подпорных ступеней, и m и оценивается пределом = 0,45…0,6.

В примере выбираем =

15. Число ступеней турбины вентилятора

.

Число ступеней турбины вентилятора округляется до ближайшего целого числа, и уточняется .

При схеме с подпорными ступенями число ступеней турбины вентилятора определяется

,

где i – передаточное отношение редуктора, расположенного между роторами вентилятора и его турбиной. При отсутствии редуктора i = 1;

– средний диаметр подпорных ступеней (см. §4.2 п.8).

В современных ТРДД при m < 1,0 турбина вентилятора обычно одно-двухступенчатая, при m = 1,0…2,5 турбина двух- трехступенчатая, при m = 4…6 турбина имеет .

16. окружная скорость на среднем диаметре турбины вентилятора

где – частота вращения ротора вентилятора;

i = 1 при отсутствии редуктора.

17. Параметр нагруженности ступеней турбины вентилятора

.

Для одноступенчатых турбин вентилятора , для двухступенчатых турбин , для многоступенчатых турбин вентилятора значение параметра лежит в пределах .

В случае, если параметр нагруженности не соответствует указанным пределам, выполнение условий обеспечивается путем изменения параметров , i (если редуктор имеется), или изменением . В случае изменения указанных параметров расчеты в §4.1…4.3 необходимо скорректировать.

18. Распределение теплоперепада между ступенями турбины вентилятора производится в зависимости от конкретных требований, предъявленных к двигателю, и от его схемы. При распределении необходимо руководствоваться следующим. Большие теплоперепады в первой ступени приводят к значительному снижению температуры газа в ней, чем исключается необходимость вводить охлаждение в последующих ступенях (в высокотемпературных ступенях).

При увеличенном теплоперепаде на последних ступенях получается более плавное очертание меридионального профиля проточной части турбины, и несколько увеличивается КПД турбины.

В примере принято следующее распределение теплоперепадов

19. Оцениваются прочностные параметры рабочей лопатки последней ступени турбины вентилятора.

Предварительно определяется температура в корне лопаток последней ступени турбины (неохлаждаемый вариант)

.

По температуре лопатки , выбранному ресурсу и принятому материалу лопаток определяется предел длительной прочности материала (см. §1.2 п.12).

Проверка прочности рабочих лопаток последней ступени турбины проводится по упрощенной формуле, исходя из максимального суммарного напряжения разрыва и изгиба в корневом сечении лопаток от действия центробежных и газовых сил

,

где – частота вращения ротора турбины. При отсутствии ротора (i = 1) ;

– площадь кольцевого сечения на выходе из турбины;

(см. §1.2 п.15);

(см. §1.2 п.15).

Запас прочности для лопаток последней ступени

.

Если , необходимо выбрать другой материал с повышенной длительной прочностью или ввести охлаждения для снижения .

20. Оценивается запас прочности в лопатках первой ступени турбины вентилятора.

Напряжения в лопатках первой ступени

,

где – число ступеней турбины вентилятора.

Температура газа за первой ступенью вентилятора

Температура торможения газа в относительном движении в первой ступени турбины вентилятора

.

Температура в корне лопаток первой ступени

.

Если температура лопатки окажется выше допустимой (), то необходимо ее охлаждать (см. §1.2 п.10).

После выбора системы охлаждения температура лопатки определяется по формуле

,

где и – безразмерная температура и температура охлаждающего воздуха (см. §1.2 п.10).

Так же, как и для рабочих лопаток последней ступени определяем предел длительной прочности материала для первой ступени (см. §1.2 п.12).

Запас прочности для лопаток первой ступени

.

Если , необходимо подобрать другой материал с повышенной длительной прочностью, или вводить более эффективную систему охлаждения (если лопатки требуют охлаждения).

Построение схемы меридионального сечения проточной части турбины вентилятора и ее детальный расчет проводятся так же, как и для турбины газогенератора (см. §3.1, §3.3, §3.4). Результаты поступенчатого детального расчета турбины вентилятора по среднему диаметру приведены в табл. 3.1.