大作业-反力式涡轮的设计计算

大作业-反力式涡轮的设计计算

一.反力式涡轮参数的选择

在具有冲击式涡轮的供应系统(无补燃发动机系统)中，由燃气发生器产生的富燃燃气驱动涡轮，涡轮不冷却，富燃燃气的温度在1000～1200K 的范围内，比富氧燃气的允许温度(600～800K)高得多。另外，富燃燃气的气体常数比富氧燃气的气体常数大一些，这些都有利于减小需通过涡轮的燃气流量。

涡轮流量m t q 是具有冲击式涡轮的供应系统的主要参数之一。m t q 值越小，发动机的比冲就越高。涡轮流量m t q 可由泵和涡轮的功率平衡：

T Pf Po N N N =+

泵的需用功率降低，可减小通过涡轮的燃气流量，因此应尽量提高泵的效率。选定泵的结构并确定其效率后，可根据功率平衡求出所需的涡轮燃气流量，由此确定涡轮的效率。

涡轮入口压力(燃气发生器压力)取决于氧化剂泵的出口压力。当用燃料冷却推力室时，燃料泵出口压力比氧化剂泵的出口压力高。

涡轮出口压力之值取决于涡轮排气是直接排入周围环境还是导入辅助喷管。 冲击式涡轮计算的原始数据为：

(1)涡轮的设计功率：涡轮功率T N 由泵所需的功率决定，由涡轮泵装置设计任务给定：

其中，T N —涡轮的设计功率，又称涡轮的轴功率；

Pf N —燃料泵的轴功率； Pf N —氧化剂泵的轴功率。

(2)涡轮的设计角速度：涡轮的设计转速ω由泵不发生汽蚀时允许的最大角速度确定； (3)涡轮工质的物理常数和温度：涡轮进口总压*

0P 、进口总温*

0T 、和出口静压2P ；涡轮工质的绝热指数k 和气体常数R 。 二.反力式涡轮参数的选择

1.反力式式涡轮基本参数的确定

1)涡轮功率 T 4300kw N = (由涡轮泵的计算得出) 2)角速度

2410rad/s ω= (由泵的计算得出)

3)燃气流量 T 85kg/s m = (由涡轮泵的计算得出)

4)入口滞止压强 *

014MPa p = (由涡轮泵的计算得出)

5)出口压力 210MPa p = (由涡轮泵的计算得出)

6)入口滞止温度 *

0700K T = (给定)

7)气体常数 280J/(kg K)R =⋅ (给定) 8)绝热指数 1.33k = (给定) 2.涡轮圆周速度和平均直径的确定

9)(膨胀)压比 1.4

δ= (给定) 10)绝热功

*ad 011[1]1

()

k k

k

L RT k δ-=

--

12)反力度 T 0.2ρ= (给定) 13)速度比

ad

0.52u

c = 14)绝热速度

ad c =

15)圆周速度 u = 16)平均直径 ave 2u

D ω

=

2.喷嘴叶栅高度的确定

17)喷嘴装置的绝热功 01a d T

0a d

(1

)L L ρ=-=

由2ad 01ad T 0ad 0ad

1L L

L L ρ=

=-计算得到。 18)喷嘴出口的绝热速度

1ad c c =

由ad 1ad c c =

19)速度系数(一次近似值) 0.97ϕ= (给定) 20)喷嘴装置出口流速 11ad c c ϕ= 由1

1ad

c c ϕ=

计算得到。 21)临界声速

cr a =

给定)

22)折合速度 11

1c cr

c a λ=

23)折合流量 1111/(1)

2c c c 11()121k k k q k λλλ-⎡+-⎤

⎛⎫=-

⎪⎢⎥+⎝⎭⎣⎦

24)总压系数

1

1/(1)

212111111k k c c k k k k λϕσλ-⎡⎤

⎛⎫-⎢⎥- ⎪+⎢⎥⎝⎭=⎢

⎥

--

⎢⎥+⎢⎥⎣⎦

25)气流角 124α=︒ 26)喷嘴叶片高度(一次近似值

)

1

c ave 0

1c 1

h =

3.喷嘴叶栅参数的确定

27)气流入口角

090α=︒

28)按绝热速度计算的马赫数

1ad

c M =

其中，1ad 1ad

c 1cr

a c λ=

29)马赫数有效叶栅角 1

1effective sin sin k

αα=

30)相对节距 c t 0.79= (在最佳值范围内给定) 31)叶片安装角 4520χ'=︒ (根据叶栅特性确定) 32)叶栅宽度 c 0.013b = (给定) 33)叶片弦长 bc c /sin b b χ= 34)叶栅节距 c c bc t t b =

35)喷嘴叶片数 ave

c c

D z t π=

36)叶片相对高度 c bc /h b

37)叶栅内的损失系数 c 0.05ζ= (根据叶栅特性确定) 38)叶栅速度系数

ϕ

由2

c 1ζϕ=-

4.轴向间隙内气流参数的确定

39)总压 **

110p p σ=

40)静压

1/(1)

211111k k c k p p k λ-*-⎛⎫=- ⎪+⎝⎭

41)静温

1210111c k T T k λ*-⎛⎫

=- ⎪+⎝⎭

42)气体密度 1

11

p RT ρ=

43)声速

a =44)马赫数 1

1M c a

= 45)叶轮叶栅入口相对速度

1w =46)相对运动滞止温度

101**2w 111(2cos )1c u u k T T k λλαλ-⎡⎤=--⎢⎥+⎣⎦

其中，cr

u u

a λ=

47)相对运动的临界声速

cr w a =

48)折合速度

1

1

w cr w

w a λ=