Проектирование центробежного компрессора
Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана
Калужский филиал
Факультет: Конструкторско-механический (КМК)
Кафедра: "тепловые двигатели и теплофизика" (К1-КФ)
Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту
по дисциплине: Лопаточные машины
на тему: Проектирование центробежного компрессора
Калуга 2009г.
Содержание
Описание центробежного компрессора
Газодинамический расчет
Профилирование элементов ЦБК
Расчет рабочего колеса на прочность
Список литературы
1.Описание центробежного компрессора
Центробежный компрессор в транспортном газотурбинном двигателе служит для подачи воздуха с заданными параметрами в камеру сгорания, с целью обеспечения образования рабочей смеси. Компрессор сжимает рабочее тело за счет энергии привода, т. е. турбины.
Спроектированный компрессор
имеет степень повышения давления
,
расход воздуха
.
В качестве прототипа для конструкции разрабатываемого компрессора выбран двигатель 9И-56.
Корпус компрессора спроектирован составным, отдельные его части крепятся между собой при помощи фланцевых соединений. Передняя часть корпуса изготовляется из листа силумина АЛ4, а задняя изготовляется из стали.
Подшипники устанавливаются в крышку, расположенную внутри силовой фермы, служащей для упрочнения корпуса. Смазка подшипников принудительная, и производится при помощи масляного насоса. Охлаждение масла производится в масляном радиаторе. Отвод масла от подшипников производится по каналам, выполненным на стакане подшипников и ферме. Слив масла производится через сливную трубку. Подшипники является опорно – упорными и жестко закреплены в крышке при помощи втулки. Осевая нагрузка на вал направлена влево, - в сторону забора воздуха. Другие подшипники является опорным. Их установка предусматривает восприятия тепловых расширений вала при работе компрессора. Для исключения контакта корпуса с рабочим колесом предусмотрены радиальные зазоры между корпусом и колесом, которые составляют 0,5 мм.
Ротор, несущий рабочее колесо, является двух опорным ступенчатым и изготавливается полым, с целью уменьшения веса, из стали 18ХНВА. Для компенсации переменных осевых усилий, возникающих при работе двигателя, в стакан между подшипниками установлена жесткая пружина. Воздушные лабиринтные уплотнения необходимы для предотвращения утечек масла в проточную часть.
Передача крутящего момента от вала компрессора ко втулке рабочего колеса осуществляется при помощи шлицевого соединения. Посадка колеса на втулку выполнена с натягом и усилена четырьмя штифтами. Фиксация колеса производится гайкой со специальной стопорной шайбой
Рабочее колесо из-за сложных условий эксплуатации (запыленности и влажности воздуха), изготавливается из титанового сплава ВТ22. Активное рабочее колесо являются полузакрытым и получаются путем фрезерования титановых заготовок. Полученные лопатки затем полируются.
Радиальные лопаточные диффузоры состоят из 24 лопаток, получаемых фрезерованием из стали 2Х13 и приваренных к корпусу.
Газодинамический расчет компрессора, профилирование его элементов и прочностной расчет рабочего колеса представлены ниже.
2.Расчет компрессора
Исходными данными для расчета компрессора являются:
=5
- расход воздуха;
=11
- степень повышения давления;
=0,8
- кпд компрессора;
=900
- лопаточный угол на выходе из рабочего
колеса;
=101300
Па; -давление атмосферного воздуха.
=288К–температура
атмосферного воздуха.
1. Адиабатная и действительные работы компрессора
2. Задаемся величиной
согласно таблице 1(методичка)
таблица 1
Внимание! Полученное значение
коэффициента адиабатического напора
является предварительным и подлежит
уточнению в дальнейшем.
3. Окружная скорость на диаметре
:
4. Задаемся
и с помощью таблицы 2 определяем
оптимальное значение параметра
=
Величина
зависит от типа входного устройства
(
):
-
осевой вход; задаемся
5. Площадь входного сечения рабочего колеса:
-
коэффициент, учитывающий загромождение
пограничным слоем и зависит от типа
входного устройства и расхода воздуха.
- для осевого входного устройства;
Для нахождения
необходимо определить закон закрутки
по высоте лопатки перед колесом.
При выборе величины относительного
диаметра втулки
следует руководствоваться конструктивными
соображениями, ориентируясь на
.
Задаемся законом закрутки
и
,
тогда
о
Критическая скорость
По таблице газодинамических функций
Задаваясь
и
,
получим
Периферийный диаметр колеса на входе:
Максимальный диаметр колеса:
8. Диаметр втулки колеса на входе:
Если полученный диаметр втулки
мал, то следует задаться такой величиной
,
чтобы
получился не менее 0,06м.
9. Частота вращения
10. Параметры потока на входе в колесо:
Таким образом, значение угла
получилось равным
.
Однако, значение углов
,
представленные в таблице 2, являются
ориентировочными, т.к. достоверных
данных по отношению коэффициентов
потерь
,
от которого в основном зависит величина
,
нет.
В выполненных конструкциях
величина угла
находится в пределах 30-40о.
Для рассматриваемого примера
считаем полученное значение
приемлемым. По таблицам газодинамических
функций определяем:
11. Параметры потока на выходе из колеса
Кпд колеса
в зависимости от относительной скорости
определяется по рис. 1.
Рис. 1. Зависимость
от относительной скорости в относительном
движении
.(При
).
При
.
В связи с этим рекомендуется принимать
(или
)
Величина
должна быть тем больше, чем выше окружная
скорость.
Задаем
.
Число лопаток Z=24.
Определяем коэффициент мощности
по формуле Казанджана:
где
По таблице газодинамических функций
12. Уточнение величины коэффициента
адиабатического напора
.
Определяем коэффициент дисковых потерь.
Безразмерный коэффициент есть функция числа Рейнольдса, учитывающий одновременно потери мощности от перетекании
- для полузакрытых колец;
Так как уточненное значение
отличается от принятого ранее больше,
чем на 0,005 необходимо повторить расчет
с п.3, приняв полученное значение
как окончательное.
13. Окончательный расчет параметров потока на входе и геометрических параметров входного сечения рабочего колеса.
Значение
принимаем полученным в п.10.
Совпадение
и полученного хорошее.
14. Окончательный расчет параметров потока на выходе и геометрических параметров выходного сечения рабочего колеса.
В виду незначительного изменения
и соответственно
,
величины
остаются теми же.
Величина
=0,901
не пересчитывается.
Величины
=0,045,
и
=0,765
можно не уточнять.
По таблицам газодинамических функций
=1,05-
коэффициент, учитывающий загромождение
выходного сечения поперечным слоем,
- коэффициент, учитывающий конструкцию выходного сечения лопатками.
- число лопаток колеса.
- толщина лопатки на выходе из
колеса.
Так как, проектируемый компрессор малорасходный и колесо предполагается сделать полуоткрытым с механической обработкой лопаток, принимаем
Высота лопатки на выходе получилась удовлетворительной (h>2>>0,005м).
,
что приемлемо (см. п.11)
15.Порядок и результаты расчета параметров потока на выходе из безлопаточного диффузора
1) Первое приближение
=1,1;
;
=0,011м;
=1,05;
=1,015;
=1,01;
=
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
2) Второе приближение
=
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
.
Параметры, полученные во 2 приближении можно считать окончательными.
16. Расчёт параметров потока на выходе из радиального лопаточного диффузора
;
;
=0,945;
;
;
при
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
из
таблиц ГДФ
;
;
;
;
;
;
.
Так как скорость
(максимально допустимой величины на
выходе из компрессора), то необходимо
использовать дополнительный осевой
диффузор, предварительно развернув
поток на
в меридиональной плоскости.
17.Расчет параметров на входе в осевой диффузор и на выходе из него.
;,
;
;
;
.
В 1ом приближении принимаем
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
Отличие
от принятого значения
менее 0,2%. 2ое
приближение не требуется
;
;
;
;
;
;
,
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
.
3.Профилирование элементов ЦБК
Профилирование рабочих колес центробежных компрессоров производится в меридиональном и цилиндрическом сечениях.
В настоящее время имеется достаточно много подробных методик профилирования (Холщевников К.В., Бекнев В.С., Селезнев К.П. и др.). Все они, в той или иной мере, связаны с существующими технологиями изготовления рабочего колеса, которые постоянно совершенствуются. В связи с этим возникла необходимость уточнения некоторых положений методологии профилирования, а именно:
Профилирование вращающегося направляющего аппарата (ВНА) радиального колеса с комбинированной средней линией лопатки.
Профилирование скелетной линии реактивного колеса и наращивание на нее тела лопатки.
Профилирование радиального клинового диффузора с точным определением координат всех точек профиля.
Рассматривается также один из способов профилирования меридионального отвода рабочего колеса.
Профилирование рабочего колеса в меридиональном сечении
Исходные данные:
мм,
мм
- наружный и втулочный диаметры во
входном сечении колеса;
мм,
мм,
- диаметр, высота и угол лопатки в выходном
сечении колеса.
мм
- осевая протяженность колеса.
При профилировании меридионального
обвода задаются каким-либо видом кривой
для наружного обвода и некоторым законом
изменения кольцевых площадей вдоль
канала
,
где
- текущее значение кольцевой площади;
- кольцевая площадь входного
сечения;
- относительная длина меридионального
обвода;
- текущая длина обвода, отсчитываемая
от входного сечения;
- полная длина обвода.
В качестве базовой линии используется кривая наружного обвода. Для ее получения используют графический метод построения параболы. Вертикальный и горизонтальный отрезки, делят на равное число частей и соединяют соответствующие точки. Около полученной ломаной проводится огибающая, которая и является наружным обводом меридионального профиля рабочего колеса.
Для построения внутреннего обвода используют уравнение площади боковой поверхности усеченного конуса, разбив сектор в 90° на 10 равных частей
м2,
где
- наружный и внутренний радиусы i
сечения,
- угол при основании конуса I
сечения.
Тогда
,м.
График
выбираем соответствующим расчетному
значению
.
Таблица 1 Профилирование рабочего колеса
-
,мм
,мм1
5,000967
0,0916
1,0156
54.8636
2
10,051170
0,184
1,0261
55,6086
3
15,232706
0,2789
1,0226
56,8703
4
20,581110
0,3768
0,9964
58,8031
5
26,208884
0,4799
0,9544
61,5773
6
31,699344
0,5804
0,8978
65,2819
7
37,381151
0,6844
0,8264
69,8422
8
43,100436
0,7892
0,7331
75,0282
9
48,840253
0,8943
0,6342
80,5769
10
54,615699
1,0
0,5156
86,3
Результаты расчетов сводятся в таблицу:
Рис.1.Наружный и внутренний меридиональные обводы РК
Профилирование ВНА
м
–
осевая протяженность ВНА.
Профилирование ведется по закону постоянной циркуляции:
1. В периферийном сечении (рис.2).
- угол лопатки.
,
где
- угол атаки.
Рис.2 Профилирование ВНА на периферийном радиусе
2. В среднем сечении (рис.3).
- угол лопатки.
,
где
- угол атаки.
Рис34 Профилирование ВНА на среднем радиусе
3. Во втулочном сечении(рис.4).
- угол лопатки.
,
где
- угол атаки.
мм.
Рис.4 Профилирование ВНА на втулочном радиусе
Профилирование Радиального лопаточного диффузора
Исходные данные:
;
- углы входа потока.
;
- угол выхода потока.
мм
- радиус входа в диффузор;
мм
- радиус выхода из диффузора.
Радиус скругления лопатки:
.
Радиус расположения центра R,мм:
- угловой шаг по решетке.
Профилирование осевого лопаточного диффузора
Профилирование ведется графическим
методом по известным углам входа
и выхода
потока. Лопатки изготавливаются из
стальных (20Х13) пластин, изогнутых по
одному радиусу
мм.
Шаг по решетке выбирается исходя
из оптимальных условий:
мм.
Число лопаток:
.
4. Расчет на прочность
Максимальные напряжения испытывает периферийная входная кромка ВНА, поэтому нет необходимости производить полный расчет колеса методом двух расчетов, а достаточно лишь оценить это напряжение.
Таким образом, материал лопатки выдерживает заданную нагрузку.
Список литературы
1. Ладошин А.М. Яковлев В.М., под редакцией Землянского А.В. Методическое пособие "Расчет и проектирование центробежного компрессора ГТД"
2. Ладошин А.М., Романова Е.А., Яковлев В.М., под редакцией: Землянского А.В. Методическое пособие "Профилирование рабочего колеса центробежного компрессора"
3. А. М. Ладошин, А. В. Князев, под редакцией: А. В. Землянского. Методическое пособие "Проектирование выходной системы ступени центробежного компрессора".
4. Г.С. Скубачевский. "Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей", издание 3-е, переработанное и дополненное.- Издательство "Машиностроение", Москва, 1969г.
5. В.И. Анурьев "Справочник конструктора-машиностроителя" в трех томах, издание 5-е, переработанное и дополненное.- Москва "Машиностроение", 1980г.
6. К.В, Холщевников " Теория и расчет авиационных лопаточных машин".- Москва, издательство "Машиностроение", 1970г.