Предварительный расчет вентилятора

Предварительный расчет вентилятора включает определение геометрических размеров меридионального сечения проточной части вентилятора, выбор числа ступеней, и распределение затраченных напоров по ступеням, обеспечивающих заданную степень повышения давления в вентиляторе . Некоторые параметры вентилятора к началу данного расчета уже известны из расчета компрессора газогенератора. Порядок расчета следующий.

1. Выбирается приведенная скорость потока на входе в вентилятор.

С точки зрения уменьшения диаметральных габаритов вентилятора, а, следовательно, и всего двигателя, особенно у ТРДД с большой степенью двухконтурности, целесообразно выбирать в пределах . В примере выбираем .

2. Относительный диаметр втулки первой ступени вентилятора существующих ТРДД составляет . С уменьшением увеличивается производительность компрессора, но снижается работа, передаваемая воздуху в первой ступени, не обеспечивается постоянство напора по высоте лопатки из-за значительной разницы окружных скоростей втулочных и периферийных сечений. Это обстоятельство, а также возможность получить оптимальное число ступеней турбины вентилятора, приводит иногда к необходимости постановки подпорных ступеней (см. §.4.2).

В примере выбираем .

3. Наружный диаметр первой ступени вентилятора.

,

где ;

(см. §1.2 п.31);

;

(см. §1.2 п.5);

– по значению в табл. ГДФ.

4. Средний диаметр вентилятора на входе

.

5. Диаметр втулки вентилятора на входе

.

6. Отношение площадей кольцевых сечений входа и выхода вентилятора

,

где и для вентилятора обычно достаточно близки, поэтому для предварительной оценки отношения площадей можно принять ;

, отсюда n = 1,498;

– температура на выходе из вентилятора, равная температуре на входе в компрессор газогенератора (см. §1.2 п.4).

7. Площадь кольцевого сечения на выходе из вентилятора

.

8. Выбор формы проточной части вентилятора.

Форма с имеет некоторое преимущество перед другими формами, т.к. более удачно удается скомпоновать узел вентилятора с компрессором газогенератора. Однако в примере выбрана форма с .

Ниже приводятся расчетные формулы и для форм проточной части с и .

9. Относительный диаметр втулки на выходе из вентилятора

при - ;

при - ;

при - .

10. Наружный диаметр на выходе из вентилятора в зависимости от выбранной формы проточной части

при - ;

;

при - ;

при - .

11. Диаметр втулки вентилятора на выходе

.

12. Число ступеней вентилятора определяется по величине затраченной работы (см. §1.2 п.3), по выбранным окружной скорости на наружном диаметре первого рабочего колеса и коэффициентам затраченного напора по ступеням компрессора (см. табл.2.1).

Значение окружной скорости в зависимости от типа вентилятора может лежать в следующих пределах: дозвуковая – 300 …360 ; трансзвуковая – 360 …420 ; сверхзвуковая – 420 …500 .

В современных ТРДД = 1,5…1,55 удается получить при =380 …400 , обеспечивая при этом КПД вентилятора = 0,86…0,88. При = 1,9 значение =490 , а = 0,82…0,84.

В дальнейшем при выборе и определении числа ступеней вентилятора следует иметь в виду, что современные двухвальные ТРДД имеют число ступеней вентилятора от 1 до 5. ТРДД со степенью двухконтурности m >4 имеет вентилятор, как правило, одноступенчатый с = 1,55…1,9. При m = 4 используются двухступенчатые вентиляторы, а при m = 0,15…1,0 – трехступенчатые. При этом ступени вентилятора выполняются с трансзвуковыми или сверхзвуковыми осевыми ступенями.

В нашем примере выбираем = 460 . Удельная работа, затрачиваемая вентилятором, определена ранее и равна

.

Для формы проточной части , и сумма коэффициентов затраченного напора равна

.

Оценивается для проточной части потребное число ступеней. В соответствии с табл. 2.1 для выбранного типа вентилятора выбираем коэффициенты затраченного напора первой ступени 0,23 и последней 0,28. Тогда при 0,255 число средних ступеней определяется

.

Округлять следует до ближайшего целого числа. При получении <0,5 следует взять =0 и сумму перераспределить между двумя ступенями.

Таким образом, для формы , чтобы удовлетворить заданию, вентилятор должен состоять из 2-х ступеней.

Если же выбирается форма проточной части с или , то, как известно, это приводит к снижению напорности вентилятора по сравнению со случаем . Поэтому следует проверить, не потребуется ли в этих условиях добавить еще одну ступень. Для этого строим по известным величинам и график (рис. 4.1) и определяем по нему наружные диаметры промежуточных ступеней.

Определяем необходимое дополнительное число ступеней, с тем, чтобы обеспечить заданную величину .

.

В случае если >0,5 и тем более близка к единице, следует увеличить число ступеней. При <0,5 можно сохранить ранее полученное число ступеней, но в любом случае необходимо скорректировать величину в допустимых пределах так, чтобы .

Корректировку удобно проводить в следующей последовательности (см. табл. 4.1).

Таблица 4.1

Рассчитываемые параметры	Ступени	Сечение выхода
I	II
, м	0,4529	0,4529	-
	1,0	1,0	-
(скорректированные)	0,2314	0,28
	0,2314	0,28
,

13. Окружная скорость на среднем диаметре входа в колесо первой ступени

.

14. Коэффициент нагрузки для первой и второй ступени вентилятора, представляющий отношение затраченной работы ступени к квадрату окружной скорости на среднем диаметре

; .

При схеме окружные скорости на среднем диаметре . Для других схем окружные скорости на средних диаметрах каждой ступени различны, поэтому для нашего примера () в первом приближении принимаем

.

Тогда ;

; .

Рекомендуемые значения 0,35…0,55.

15. Частота вращения вентилятора

.

16. Площадь кольцевого сечения проточной части за вентилятором для внутреннего контура (перед разделителем контуров)

,

где - расход через внутренний контур;

- температура на выходе из вентилятора (см. §4.1 п.6);

- см. §1.2 п.5;

- приведенная скорость на выходе из вентилятора по внутреннему контуру;

- угол выхода потока из спрямляющего аппарата последней ступени вентилятора;

.

17. Площадь кольцевого сечения за вентилятором по наружному контуру (перед разделителем контуров)

.

18. Диаметр передней кромки разделителя контуров

.

19. Температура изоэнтропически заторможенного потока воздуха на выходе из спрямляющего аппарата ступени равна, соответственно, температуре торможения в абсолютном движении на выходе из рабочего колеса данной ступени и температуре торможения на входе в последующую ступень, т.е.

.

20. Предварительный выбор КПД ступени вентилятора можно проводить согласно рекомендациям, данным в п.12 данной главы или по графику (рис. 4.2). Выбираем .

Рис. 4.2. Связь изоэнтропического КПД компрессора с КПД ступеней при различных значениях

Окончательные значения устанавливаются в процессе расчета степени повышения давления в каждой ступени вентилятора.

21. Степень повышения давления в отдельных ступенях вентилятора определяется по формуле

,

и в тоже время должно соблюдаться условие

.

В связи с этим приходится подбором вносить небольшие корректировки в первоначально выбранные значения .

В случае, когда входной направляющий аппарат отсутствует, давление будет является одновременно и давлением перед рабочим колесом первой ступени вентилятора .

При наличии ВНА давление перед первым рабочим колесом равно , где .

22. Полное давление на входе в i-ю ступень

.

Результаты расчетов по п.п.19…22 сведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Рассчитываемые параметры	Ступени	Сечение на выходе
I	II
, К		336,6	395,32
, К	336,6	395,32	-
	0,85	0,85	-
	1,5957	1,6254	-
, Па		161686,1	262804,6

23. В случае отсутствия ВНА на входе в вентилятор угол входа в рабочее колесо первой ступени вентилятора . В этом случае , т.е. равна выбранной величине (см. §4.1 п.1).

Критическая скорость на входе в первую ступень вентилятора

.

Скорость на входе в вентилятор

.

Коэффициент расхода на среднем диаметре в колесе первой ступени

.

Обычно . Аналогично рассчитывается и в других ступенях, предварительно распределив осевую скорость по ступеням вентилятора. При распределении необходимо учесть, что сохранение неизменно высокой на первых ступенях вентилятора позволит получить в них повышенные напоры. Осевая скорость на входе в колесо первой сверхзвуковой ступени может быть больше, чем в дозвуковых ступенях. Обычно для сверхзвуковых ступеней . С другой стороны, выбор на последней ступени вентилятора должен быть согласован с осевой скоростью на входе в колесо первой ступени компрессора газогенератора (см. §2.2 п.5).

24. Коэффициент расхода , степень реактивности, коэффициент напора и угол входа воздуха в колесо первой ступени на среднем радиусе связаны между собой выражением

,

где (см. §2.1 п.6);

.

Т.к. , то , откуда степень реактивности для первой ступени вентилятора определяется

.

В сверхзвуковых ступенях .

Для обеспечения плавности проточной части при таких необходимо в рабочем колесе снизить осевую скорость С_а на 20 …30 , а в направляющем аппарате этой ступени С_а может быть увеличена на 15 …20 .

Повышенное значение (по сравнению с ) позволяет получить большие значения коэффициента напора при незначительном снижении КПД ступени. В последующих ступенях степень реактивности может быть сохранена равной степени реактивности в первой ступени или с целью увеличения КПД последующих ступеней вентилятора снижена на каждую последующую ступень на 3%…5%.

25. В случае наличия ВНА, что объясняется специальными требованиями к ВНА, принимая коэффициент расхода, равный ранее принятому значению, т.е. , определяем угол входа воздуха в колесо первой ступени вентилятора

Степень реактивности в этом случае для первой ступени обычно выбирают близкой к оптимальной . Иногда для уменьшения величины предварительной закрутки на входе в колесо первой ступени степень реактивности доводят до . Для последующих ступеней, обычно увеличивается с увеличением номера ступени на 1%…3%.

Выбрав и определив , находим приведенную скорость на входе в первую ступень

.

26. Число Маха на входе в рабочее колесо первой ступени по относительной скорости

где ;

.

Величина и определяются по величине из табл. ГДФ. Для нашего примера =0,9087; =0,9189.

Для первых ступеней вентилятора, в случае выполнения их дозвуковыми, допустимые числа Маха = 0,75…0,8. Для трансзвуковых = 0,9…1,1, сверхзвуковых = 1,1..1,3.

27. Коэффициент производительности первой ступени

.

В современных дозвуковых компрессорах , в трансзвуковых до 0,7, в сверхзвуковых до 0,78. Значения < 0,6 приводит к необоснованному увеличению диаметральных размеров компрессора.

В случае несовпадения коэффициента производительности с указанными значениями следует пересмотреть выбранные величины , и .

28. Окружная составляющая абсолютной скорости на входе в рабочее колесо i-й ступени

,

где (см. §2.1 п.6);

.

29. Абсолютная и приведенная скорость на входе в рабочее колесо i-й ступени

;

.

30. Угол входа в ступень по абсолютной скорости

(при отсутствии ВНА).

Подчеркнем, что угол на входе является одновременно и углом выхода потока из спрямляющего аппарата предыдущей ступени, т.е. .

31. Площадь проходного сечения на входе в ступень

.

32. Наружный и внутренний диаметры рабочих колес i-й ступени

;

.

33. Высота рабочей лопатки

.

Результаты расчета сведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Рассчитываемые параметры	Ступени	Сечение на выходе
I	II
,		55,5
,	228,94	235,35
	0,74	0,7039
, град	90^0	76,35^0
	1,0	0,9718
, м^2	0,1353	0,0968
, м	0,1359	0,0834

34. Густота решеток рабочих колес и спрямленных аппаратов в дозвуковых ступенях определяется также, как и для Р.К и С.А в компрессоре газогенератора (см. §2.5).

Для сверхзвуковых ступеней использование обобщенных характеристик плоских компрессорных решеток приводит к большим погрешностям в определении потребных густот рабочих решеток. Связано это с трудностью учета волновых потерь.

Поэтому для сверхзвуковых ступеней можно поступить следующим образом.

Выбирается величина удлинения лопатки ( - высота рабочей лопатки на входе, b – хорда профиля на среднем радиусе) в диапазоне 1,7…3,0. Для выбранной величин определяется хорда на среднем диаметре .

Принимая линейный закон изменения хорды по высоте лопатки, определяют хорду на периферийном и втулочном расчетных сечениях

и ,

где ; .

Величина называется парусностью лопатки. Густоту решетки на периферии лопатки рекомендуется задавать в диапазоне .

Зная и можно определить шаг на периферии рабочего колеса

и число лопаток рабочего колеса

.

В примере для первой сверхзвуковой ступени выбрано

; =1,3; =1,0,

тогда z = 28,4.

Округляя до ближайшего целого числа число лопаток (z = 28), уточняются густота и шаг решетки

; .

Зная число лопаток, можно определить шаг и густоту решетки на среднем диаметре и у втулки.

Величина густоты решетки на среднем диаметре должна находится в пределах , а у втулки .

Отсутствие срыва потока в расчетных сечениях может быть проверено приближенно по формуле диффузорности

.

Во всех расчетных сечениях величина D не должна превышать 0,6. В случае превышения необходимо увеличить густоту решетки или за счет увеличения числа лопаток z, или за счет изменения удлинения и парусности .

Угол отклонения потока в спрямляющем аппарате сверхзвуковой ступени может оказаться малым, что не позволит воспользоваться обобщенными характеристиками.

В этом случае густоту спрямляющего аппарата выбирают в пределах 0,9 – 1,1. При этом удлинения лопаток спрямляющего аппарата принимаются равными .

35. Схема меридионального сечения проточной части вентилятора выбираются аналогично схеме компрессора газогенератора (см. §2.4). Удлинение лопаток вентиляторных ступеней в ТРДД .

Угол скоса , заключенный между направлениями, определяющими диаметры и (при ) предыдущей и последующей ступеней, не должен превышать 8^о…12^о на сторону, а обводы проточной части должны быть достаточно плавными.

36. Детальный газодинамический расчет ступеней вентилятора проводится аналогично подобному расчету для ступеней компрессора газогенератора (см. §2.5). Результаты детального расчета ступеней вентилятора сведены в табл.4.4.

Таблица 4.4

Параметры	Един. измерения	Ступени
I	II
	м/с	428,5	379,7
	м/с	323,1	350,8
	-	1,295	1,134
	-	0,653	0,600
	град	33,16	35,10
	м	0,3650	0,3901
	-
	-	2,96	2,77
	м	0,0160	0,0131
	м/с	138,92	211,09
	м/с	188,9	208,7
	м/с	234,5	296,8
	-	0,7014	0,7509
	м/с	350,9	377,9
	-	0,6682	0,7854
	град	53,67	44,67
	-	0,92	0,92
	Па
	-	0,893	0,926
	м^2	0,1129	0,0832
	м	0,1026	0,0690
	-	0,5470	0.6955
	м	0,2478	0,3150
	м/с	350,33	380,90
	м/с	283,5	269,1
	град	41,79	50,87
	град	8,62	15,76
	град	76,35
	град	22,68	45,53
	-	0,2661	0.3392
	-	0,852	1,336
	-	1,196	2,202
	-
	-	3,250
	м	0.0418	0.0257

Дата добавления: 2015-10-29