Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 105
Текст из файла (страница 105)
18.4), что вызовет рост потребной работы турбины. Эта тенденция сопровождается увеличением температуры газов перед турбиной Т„', поэтому рост работы турбины, по-видимому, будет сопровождаться относительно замедленным увеличением степени понижения давления в ее ступенях сверх указанных величин. Однако увеличение работы турбины газогенератора при сохранении г,„= 1 ... 2 должно сопровождаться дальнейшим ростом окружных скоростей и,н,р для сохранения оптимальных значений параметра нагруженности у;н.
17е 819 т к р Из сказанного выше слеГе-галгЕ) дует, что возможны варианты выбора числа ступеней турлгк а >~ налтериаид бнны газогенератора (одна Юг нлн две) в зависимости от ен~ р1глр1гие ггаслериалы> потребной работы (и„„„), к„у уровня КПД н других фак- торов, рассматриваемых ннРнс. 18.8. Возможные пути увеличении же. Однако тенденция сокрачастоты крашении ротора газогенеРатоРа щенки чнсла ступеней тур„ бины до г,к = 1 явно проявляется в двигателях четвертого н пятого поколений: в ТРДДФ с умеренными величинами пк,,„, а также н в некоторых схемах ТРДД с «подпорнымн» ступенями на валу вентилятора (н сннженнымн величинами и„, „„). В результате для заданной работы турбины 1,,*„.
согласно (18,4) определяется окружная скорость турбины и„,,р. Прочность лопаток турбины н выбор частоты вращения ротора. Для характернстнкн напряженного состояния рабочих лопаток турбин — наиболее ответственных по прочности деталей — в предварительных оценках обычно рассматривают напряжения растяження от центробежных снл, являющиеся главными составляющнмн в общем напряженном состоянии лопаток. Для оценки напряжения ог растяжения вводят параметр напряжения (мауса) е = ар/(2РКэ), (18,6) где ор — напряжение растяжения от центробежных снл в корневом сечении лопаток; р — плотность материала лопаток (для обычных жаропрочных сплавов — 8 ...
8,5 г!сма); Кэ — безразмерный коэффициент формы лопатки (обычно — 0,5 ... 0,7). Как показывается в теории лопаточных машин, параметр напряжения зависит от площади выхода нз лопаточного венца турбины Р,к,„ы, н квадрата частоты вращения ее ротора и„. з = иРтк.
вык птк' (18.7) Отсюда «г, „а. (18.8) Частота вращения ротора газогенератора зависит от допустнмого напряжения в рабочих лопатках н площади выхода нз лопаточного венца. Повышение частоты вращення ротора, целесообразное для уменьшения числа ступеней компрессора, возможно двумя путями: уменьшением площади лопаточного венца Р,к, „„нлн увеличением напряжения в лопатках турбины и (рнс.
18.5). Первый путь (прн условии в = сопз() реализуется прн увелнченнн температуры газа Т„' (в этом случае, например, прн и,', = сопз1 и,' уменьшается н р„растет, а Р,к уменьшается). 820 где й — высота лопатки турбины. Так как площадь Р,„.,„, прн заданных параметрах 1двнгателя н газогенератора (и„'э, ик", „„Т„') велнчнна нензменная, существует прннцнпнальная воэможность варнацнн диаметра турбины н высоты ее лопаток согласно (18.10), прн определенных ограничениях по прочности лопаток. Из (18.8) с учетом (18.9), (18.10) получим связь отношения диаметра турбины к высоте лопатки Р,„,срУй с окружной скоростью н параметром напряжения в лопатках 1утк.ср тк Л в (18.111 Так как прн выбранных значениях пк, „н Т; частота вращення ротора нлн параметр напряження и заданы, отношенне )),„,ср/й турбины выбирается по (!8,11) для получения необходимой окружной скорости н работы турбины [(18.4) н рнс.
18.4). На рнс. 18.6 показана зависимость (18.11) н точки, соответствующне двигателям разных типов н поколений. Наибольшие напряжения в рабочих лопатках наблюдаются в одноступенчатых турбннах н вторых ступенях двухступенчао21 Таким образом, основная тенденция развития ТРДД вЂ” рост температуры газа в двигателе — способствует прн прочих равных условиях относнтельному росту частот вращения роторов газогенератора. Разумеется, прн повышеннн температуры газа Т„ прн е = сопз( предполагается нспользованне более совершенных систем охлаждения турбины с тем, чтобы температура материала лопаток н запасы прочностн остались на прежнем уровне. Второй путь — повышение параметра напряжения е — возможен прн росте допустимых напряженнй ор в случае применении новых материалов нлн существенно более совершенных систем охлаждения лопаток с увелнченным 6, прн уменьшеннн плотности материала лопатки р н облегчения ее конструкции для снижения К .
Этот путь также реализуется н имеет значительные Ф перспективы. Из указанных соображений (и. 18.8 н 18.6) выбирается частота вращения ротора п,к. Выбор днаметра турбины. Прн заданной работе турбнны н выбранном числе ее ступеней согласно (18сй) нзвестна ее средняя окружная скорость и,к.,р.
Онайсвязана со средним диаметром турбины В,„, ср зависимостью итк. ср = иссек. сратк (18.9) Площадь лопаточного венца на выходе нз турбины связанайс ее средним диаметром приближенной зависимостью (как правило, форма проточной части турбнны близка к закону ))т„. ар —— = сопз1): Ртк. ыв и1чтк. ср (аргута. ср) Рис.
18.6. Зависимость окружной скорости турбины от ее отиосительяого диаметра при разных значениях параметра напряжения: ° — одноступенчатые турбнны н вторые ступени турбины газогенератора; сл — первые ступени двуксгупенчагык гурбнн; ! — ТРДФ; т— ТРДДФ третьего поколения; 3— ТРДДФ четвертого поколенн» "улгл гг/р е м а=зла/гг грр урр тых турбин. Характерно, что в двигателях второго, третьур р его и четвертого поколений эти напряжения сохранялись примерно на одном уровне — а = (1,5 ...
2) 104 м'/с', что связано было'с применением традиционных жаропрочных материалов наряду с интенсивным развитием систем охлаждения лопаток турбины. Однако все же наблюдалась некоторая тенденция уменьшения и в двигателях 3-го и 4-го поколений, связанная, по-видимому, с трудностями освоения высоких значений температуры газа. Потребности увеличения роста работы турбины и ее окружной скорости из-за роста л„'х и л„', „, приводят к увеличению диаметра турбины газогенератора, особенно в ТРДДФ, где этот диаметр не определяет общий диаметральный габаритный размер двигателя: ТРДФ вЂ” Ртн.
ср/й = 5 " 8' ТРДДФ третьего поколения — Р,„,,р/й = 7 ... 1О; ТРДДФ четвертого поколения — Р,„,,р/й = 10 ... 16 (ббльшие значения относятся к одноступенчатым турбинам, меньшие— ко вторым ступеням двухступенчатых турбин высокого давления). Лопатки первых ступеней двухступенчатых турбин вследствие ограничения частоты вращения прочностью второй ступени имеют существенно более низкий уровень напряжений (з ж ж 104 мз/сз, см. рис. 18.6), больший диаметр турбины и более короткие рабочие лопатки (у двигателей четвертого поколения Р,н ар/й = 14 ...
18). Возможность увеличения диаметра турбины газогенератора в ТРДД третьего и четвертого поколения способствовало получению необходимой работы турбины при росте л,'х и увеличению температуры газа. Однако это привело к уменьшению высоты лопатки первой ступени турбины и возникновению трудностей получения высокого КПД. Сохранение параметра напряжения лопаток турбины и на прежнем уровне ограничивает увеличение частоты вращения ротора газогенератора, т, е. возможности сокращения числа ступеней компрессора.
Можно ожидать, что применение новых материалов рабочих лопаток . (монокристаллы, естественные и искусственные композиты и др.), а также более эффективных систем их охлаждения позволит при сохранении окружной скорости (т. е. работы) турбины уменьшить ее относительный диа- 822 а ения ротора, Высота лопаток метр и увеличить частоту вр щ турбины й при этом увеличится, что уд б ет спосо ствоват я, пиэтом чению К Д тур ины. КПД б Как показывают исследования при у меньшается также и масса турбины.
(18.12) тк причем, если принять К,к = сопз(, то .к-, 1/К.-.срг. (18.13) Для сокращения числа ступеней компрессора при определяемой турбиной частоте вращения ротора согласно этим зависимостям нужно максимально увеличить диаметр проточной части компрессора. 823 ! 8.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ КОМПРЕССОРА ГАЗОГЕНЕРАТОРА ТРДДФ Компрессоры газогенераторов Т П П ТР П ПФ должны сошения давления л„'.,г, величина которо вдавать степень позы о, в пе спективе будет зависит от типа двигателя и, как правило, в перс Прогнозы дальнейшего развития ДД с оль в хконт ности предсказывают дальнейшее увеличение степени онт ности до 10 ... 20, общей степени повышения давле= 50 ... 60 и степени повышения давления ния вдвигателедол„х = ... и в газогенерат р „", „„— ... 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
