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 b 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 (h2>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			,мм
1	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.