книги / Теория и расчет авиационных лопаточных машин
..pdfК.В.Холщевников
О.НЕмин
ВТ.Митрохин
ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ АВИАЦИОННЫХ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН
Второе издание
переработанное и дополненное
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР
в качестве учебника для студенте высших учебных заведений, обучающихся по специальности ’’Авиационные двигатели”
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ:
1986
ББК 39.55 Х74
УДК 629.7.036 : 621.438 + 621.51.001 (075.8)
Р е ц е н з е н т ы : член-корреспондент АН СССР О. Н. Фаворский и кафе дра «Турбомашины» Казанского авиационного института
Холщевников К- В., Емин О. Н., Митрохин В. Т.
Х74 Теория и расчет авиационных лопаточных машин: Учеб ник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели». 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986. 432 с., ил.
Впер.: 1 р. 40 к.
Вучебнике рассмотрены основы теории лопаточных машин, а также особенности рабочего процесса в осевых, центробежных и комбинированных компрессорах, в осе
вых |
и цеп 1 ростреми тельных |
турбинах. Изложены методы выбора основных параме |
|||
тров |
лопаточных |
машин и |
их газодинамического расчета. Второе издание (первое |
||
издание |
вышло в |
1970 г.) |
переработано и дополнено разделами по математическим |
||
моделям, |
аэродинамике течений. |
||||
v 3606030000-401 |
on< ог |
ББК 39.55 |
|||
038 (01)-86 |
221‘85 |
6Т5-1 |
© Издательство «Машиностроение», 1986 г.
П Р Е Д И С Л О В И Е
Первое издание книги «Теория и расчет авиационных лопаточных машин» вышло в 1970 г. Оно написано выдающимся ученым и педа гогом, крупнейшим специалистом в области авиационного двигателестроения, доктором технических наук, профессором Константи ном Васильевичем Холщевниковым (1906—1976).
Обобщившая более чем двадцатилетний опыт преподавания одно именной учебной дисциплины в Московском авиационном инсти туте, эта книга с успехом использовалась в качестве учебника и в других авиационных вузах и на авиационных факультетах, а также специалистами, занимающимися вопросами исследования и проек тирования компрессоров и турбин газотурбинных двигателей, при меняющихся в различных отраслях техники.
Авиационная наука и техника особенно в последние годы разви ваются чрезвычайно быстрыми темпами. Газотурбинные авиацион ные двигатели 80-х годов характеризуются повышенными параме трами рабочего тела (температурой и давлением), а их лопаточные машины во многом отличны от компрессоров и турбин двигателей предыдущих поколений.
Поэтому второе издание учебника существенно переработано и дополнено. Целесообразность этой переработки определилась стрем лением, с одной стороны, отразить современное состояние рассма триваемого вопроса и, следовательно, изложить новые достижения науки и техники, а с другой стороны, учесть определенные измене ния в самой постановке изучения этой учебной дисциплины в выс шей технической школе.
Повышенные требования к эффективности и надежности машин при интенсификации рабочего процесса в них потребовали разра ботки и использования более строгих и совершенных математиче ских методов и приемов исследования и проектирования, чему в не малой степени способствовало широкое внедрение ЭВМ и резуль татов целенаправленных аэродинамических экспериментов.
Во втором издании нашли отражение успехи современной теории лопаточных машин и фундаментальных наук (аэродинамики и тер модинамики применительно к процессам в проточной части лопаточ ных машин), обеспечивающие существенный рост нагруженности отдельных ступеней турбомашин и, следовательно, уменьшение числа ступеней (при приемлемом уровне их КПД). Существенно расширены разделы о методах расчета трехмерных течений в эле
ментах проточных частей лопаточных машин, |
в том числе с исполь- |
1* |
3 |
зованием ЭВМ. Кроме введения специального раздела об охлаждении проточной части турбин в книге показаны и те изменения в подходе к оценке совершенства рабочего процесса и выбору параметров ло паточных машин, которые вызваны практически повсеместным введением воздушного охлаждения лопаток турбин и других узлов газотурбинных двигателей.
Больше внимания уделено лопаточным машинам ТРДД и, в част ности, вентиляторам и турбинам двигателей с большой степенью двухконтурности, а также компрессорам и турбинам двигателей специальных схем и назначений (вертолетным и др.).
Не приводя непосредственно газодинамического расчета машины, при изложении методов и последовательности расчетов авторы под черкивают, что в настоящее время методики, излагаемые в специаль ных руководствах по расчету и проектированию, являются по су ществу модулями в общей системе автоматизированного (машинного) проектирования двигателей (САПРД).
Вновом издании книги учтен 15-летний опыт использования ее
вкачестве учебника. Этот опыт указал на целесообразность сокра щения ряда разделов. При этом учитывалось появление новых учебников по предшествующим и последующим учебным дисципли нам, изменение учебных планов и общие задачи совершенствования учебного процесса в высшей школе.
При работе над книгой авторы учли замечания рецензентов: члена-корреспондента АН СССР профессора О. Н. Фаворского и кафедры «Турбомашины» Казанского авиационного института (профессоров В. И. Локая и М. К. Максутовой, доцентов М. Н. Бо дунова, Ю. А. Ржавина и В. А. Стрункина). Ценные замечания по рукописи были сделаны докторами наук, профессорами Г. Ю. Сте пановым, С. М. Шляхтенко, Л. Е. Ольштейном, С. 3. Копелевым,
ведущими |
специалистами промышленности |
И. И. |
Мотиным и |
Е. С. Ивановым. При написании гл. 8 книги |
были |
использованы |
|
материалы |
и помощь доктора технических наук Б. А. |
Пономарева. |
Авторы выражают глубокую благодарность всем перечисленным лицам, а также сотрудникам кафедры двигателей МАИ и работникам промышленности, чьи замечания помогли при написании книги.
И З П РЕ Д И С Л О В И Я К П Е РВ О М У И ЗД А Н И Ю
Книга «Теория и расчет авиационных лопаточных машин» написана в соответствии с учебной программой одного из основных профили рующих курсов для студентов, специализирующихся по авиацион
ным газотурбинным двигателям, |
и включает теорию и расчет |
ком |
||
прессоров и турбин. |
машин уделено значительное |
место |
||
Основам теории лопаточных |
||||
в курсах прикладной газовой динамики |
и посвящено большое коли |
|||
чество специальных книг. Тем не |
менее |
выпуск учебника, соответ |
||
ствующего учебной программе |
и |
согласованного с дисциплинами, |
||
как предшествующими изучению |
курса лопаточных машин, так |
иизучаемыми после него весьма необходим.
Вчисто теоретическом аспекте ряд вопросов, имеющих непосред ственное отношение к лопаточным машинам (например, теория ре шеток, теория пограничного слоя, диффузоров, сопел), рассматри ваются в курсе газовой динамики, предшествующем курсу лопаточ ных машин, а вопросы, относящиеся к применению лопаточных ма шин в газотурбинных двигателях и к их конструированию, — в кур сах теории и конструкции двигателей, читаемых после данного курса. Поэтому в настоящем учебнике наибольшее внимание уделено вопро сам общей теории лопаточных машин и их отдельных видов, а также выбору исходных параметров и инженерным методам расчета, кото
рые не рассматриваются в курсе газовой динамики, но связаны с ним рядом положений и уравнений.
Связь курса «Теория и расчет авиационных лопаточных машин» с курсами по теории и конструкции газотурбинных двигателей вы является при рассмотрении исходных параметров и методов расчета, и особенно, в главах, посвященных характеристикам и регулирова нию лопаточных машин и согласованию параметров компрессоров и турбин. Вопросы согласования, разработанные впервые автором, изложены применительно к различным типам газотурбинных авиа ционных двигателей и сопровождаются практическими рекомен дациями.
Предлагаемые методы расчета не являются единственно возмож ными. В практике работы исследовательских институтов и кон структорских бюро могут применяться и другие методы расчета, основанные на результатах специальных испытаний, однако, как показывает опыт, усвоение в учебном процессе теории и упрощенных методов расчета позволяет инженерам быстро освоить конкретные методы, применяемые в той или другой организации.
5
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Параметры лопаточных машин ГТД
vu — скорость полета в м/с; Я — высота полета в км (м); М — число Маха;
а — скорость звука в м/с; узкое сечение (горло решетки) в м; акр — критическая скорость в м/с;
b — хорда профиля в м;
bit — густота решетки в ступени компрессора или турбины; с — скорость воздуха или газа в абсолютном движении а м/с;
D — диаметр |
в м; фактор |
диффузорности; |
d — относительный диаметр втулки; |
||
F — площадь |
проходного |
сечения в м2; |
т — масса в |
кг; |
|
G — массовый |
расход в кг/с; |
G — коэффициент производительности;
NK— мощность, затрачиваемая на вращение компрессора в кВт; Nj — мощность, развиваемая турбиной в кВт;
LK— удельная работа, затрачиваемая в компрессоре, в Дж/кг; LT — удельная работа, получаемая в турбине в Дж/кг; Ят — теоретический напор компрессора в Дж/кг;
Lu — теоретическая работа ступени турбины в Дж/кг;
Ят — коэффициент |
теоретического |
напора |
ступени компрес- |
|||||
__ |
сора; |
|
|
|
|
|
|
|
Lu — коэффициент |
теоретической |
работы |
(коэффициент на |
|||||
|
грузки) ступени турбины; |
|
|
|
||||
М — крутящий |
момент, в Н-м; |
|
|
|
||||
h — высота лопатки |
в м; |
|
|
|
|
|||
hlb — удлинение |
лопатки; |
|
|
|
|
|||
k — показатель |
изоэнтропы; |
|
показатель |
политропы; |
||||
п — частота вращения в мин"1; |
||||||||
р |
— давление |
в |
Па; |
постоянная |
в |
Дж/(кг-К); |
||
R — универсальная |
газовая |
|||||||
cpt cv — теплоемкости соответственно при р = |
const и V = const; |
|||||||
5 — энтропия; |
поверхность |
тока; |
|
|
|
|||
s — осевая ширина лопатки |
в м; линия тока; |
|||||||
Т — температура |
в |
К; |
|
|
|
|
||
t |
— температура |
в |
°С; |
|
|
|
|
|
и — окружная |
скорость колеса в м/с; |
|
|
V — объем в м3; объемный расход в м3/с;
w — скорость в относительном движении в м/с; z — число ступеней; число лопаток;
а— углы потока и лопаток в абсолютном движении; коэф фициент теплопередачи в Вт/(м2-К);
Р— углы потока и лопаток в проточной части компрессора и турбины в относительном движении в °; коэффициент объемного расширения;
£— коэффициент потерь;
£— коэффициент трения;
(() — скоростной |
коэффициент |
СА; |
ф — скоростной |
коэффициент |
РК; |
р — плотность |
в кг/м3; |
|
а — коэффициент полного давления; напряжение растяжения;
т} — коэффициент |
полезного |
действия; |
к — приведенная |
скорость; |
коэффициент теплопроводности |
вВт/(м*К);
р— динамическая вязкость в Па-с; коэффициент расхода;
коэффициент мощности; |
в компрессоре; |
|||
лк — степень |
повышения |
давления |
||
лт — степень |
понижения давления |
в турбине; |
||
ар — растягивающее |
напряжение в Н/см2; |
|||
со — угловая |
скорость в |
рад/с; |
комплексный параметр |
|
П — периметр; параметр |
подобия; |
|||
Индексы |
|
|
|
|
* — заторможенные |
параметры; |
вихревой; |
||
в — вход; воздух; |
вентилятор; |
к— компрессор;
т— турбина; теоретический;
г— газ;
с— сопло;
д — диффузор; ст — ступени; тр — трения;
кан — канальный; проф — профильный;
вт — вторичный; втулочный; пер — периферийный; ср — средний;
кром — кромочный; волн — волновой;
заз — зазора; конц — концевые;
м — механический сп — спинка;
кор — корытце; кориолисово; вып — выпуклый;
7
вог — вогнутый; |
|
|
эф — эффективный; |
|
|
пр — приведенный; |
|
|
пред — предельный; |
|
|
кр — критический; |
|
|
отр — отрывной; |
|
|
л — лопатки; |
|
|
теор — теоретический; |
в узком сечении решетки; |
|
а — по оси машины; |
||
т — меридиональный, |
средний; |
|
п — но нормали; |
|
|
г — радиальный |
|
|
Условные сокращения |
|
|
СА — сопловой аппарат; |
|
|
РК — рабочее колесо; |
|
|
НА — направляющий аппарат; |
аппарат; |
|
ВНА — входной направляющий |
||
РСА — регулируемый сопловой |
аппарат. |
ВВЕДЕНИЕ
ДИСЦИПЛИНА «ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН» В УЧЕБНОМ ПЛАНЕ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРА
Дисциплина «Теория и расчет лопаточных машин» (ТЛМ) изучает теорию и расчет компрессоров и турбин газотурбинных двигателей. Она является поэтому профилирующей для специальности «Авиа ционные двигатели», так как занимается вопросами, относящимися к основным элементам ГТД любой схемы и назначения.
Изучение лопаточных машин базируется на предварительной общетеоретической (физико-математической) и общеинженерной под готовке студентов. Твердое усвоение всех предшествующих дисцип лин учебного плана и прежде всего математики, физики, механики, термодинамики и газодинамики — непременное условие успешного усвоения курса ТЛМ.
Отдельные фундаментальные положения этих учебных дисциплин непосредственно входят в курс лопаточных машин, рассматривая, например, особенности термогазодинамических процессов в проточ ной части лопаточных машин и методы их совершенствования.
Курс «Теория и расчет лопаточных машин» предшествует учебным курсам по теории двигателей,их проектированию и конструирова нию, расчетам на прочность, технологии и испытаниям и в ряде разделов начинает изучение вопросов, подробно рассматриваемых затем в этих последующих курсах.
Подобное промежуточное положение учебного курса ТЛМ среди профилиру ющих двигательных дисциплин определило ряд его особенностей и приемов для его
успешного усвоения. |
|
|
главных |
типов лопа |
|
Основное содержание курса — изучить рабочий процесс |
|||||
точных машин авиационных |
ГТД, методику подбора |
их |
основных |
параметров |
|
и газодинамического расчета элементов проточной части. |
|
|
|
||
Таким образом, курс ТЛМ во всех его разделах можно считать состоящим как |
|||||
бы из двух основных частей: |
первая — общетеоретическая, |
где |
рассматриваются |
||
основные теоретические положения рассматриваемого |
вопроса, и |
вторая — инже |
нерная, где излагаются практические приемы по расчету и исходному проектиро ванию лопаточных аппаратов компрессоров и турбин ГТД.
Это порождает определенные трудности и можно рекомендовать следующий порядок изучения всех разделов курса: сначала понять физическую сущность про цессов и явлений; потом рассмотреть основную идею (математическую модель) теоретического анализа данного вопроса; затем следует более детально изучить математические приемы получения аналитических или графических зависимостей (формул и графиков), их соответствие опытным (экспериментальным) данным; после этого следует рассмотреть практические выводы, т. е. инженерные рекомендации по выбору параметров и расчету. Особенно важно иметь в виду все практические ограничения и особые случаи применения тех или иных рекомендаций, следующие
9
непосредственно из практики создания и эксплуатации компрессоров и турбин авиационных ГТД.
Такая целесообразная последовательность изучения курса ТЛМ завершается курсовым проектом, цель которого — закрепить изученный материал по теории и методам расчета лопаточных машин, а также получить определенные практические навыки по расчету и профилированию элементов проточной части (лопаточного аппарата) компрессора и турбины, в том числе и с использованием ЭВМ, методов и приемов автоматизированного проектирования (САПРД).
Овладение этими методами является обязательным для будущего инженера. Курс «Теория и расчет лопаточных машин» закладывает необходимые основы и для такой подготовки авиационного инженера.
Другим важным вопросом качественной подготовки по компрессорам и турби нам ГТД является последовательное использование положения о необходимости постоянного сочетания расчетно-теоретических и экспериментальных исследований
иработ. И здесь экспериментальные исследования, проводимые при создании компрессоров и турбин, являются прямым продолжением исследований по общим вопросам термогазодинамики. Они непосредственно переходят в испытания опытных
исерийных машин, проводимых в процессе доводки и предъявления готовой про дукции.
Овладение экспериментальными методами в области теории и практики создания компрессоров и турбин также является важной задачей при изучении курса теории и расчета лопаточных машин.
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УЧЕБНИКА И ДРУГИХ ИСТОЧНИКОВ
Расположение материала в отдельных главах учебника, изучение которых обязательно для всех студентов, таково, что по усмотрению преподавателя отдельные разделы и подразделы могут быть опущены или изучаться в сокращенном варианте.
Авторы стремились сохранить основной строй первого издания, учитывая опыт и традиции преподавания этого предмета в МАИ. Однако внесенные в учебные про граммы изменения потребовали некоторой перестановки материала, введение новых глав, как и исключения ряда разделов, ранее входивших в первое издание учебника.
Разумеется, в учебнике невозможно было поместить весь материал, необходи мый будущему специалисту, особенно в случае, если он будет в дальнейшем спе циализироваться в области теории и газодинамических расчетов компрессоров и турбин.
Необходимые дополнительные сведения можно получить при изучении источ ников, указанных в списке литературы, который представлен в виде трех разделов. Первый раздел — литература, рекомендуемая для самостоятельного углубленного изучения курса; второй — учебные пособия, необходимые для выполнения расчетов компрессоров и турбин при курсовом и дипломном проектировании (их следует изучать также и для приобретения практических инженерных навыков по указан ному предмету), третий — более специальная литература, норой по отдельным, частным вопросам (однако, в ряде случаев, изучение и этих источников может стать настоятельно необходимым, например, при выполнении специальной части диплом ного проекта, при проведении самостоятельного научного исследования). Раз умеется, изучение технической литературы должно включать в себя ознакомление с периодическими изданиями — журналами, сборниками статей, справочниками по двигателям, различными информационными выпусками и др.
Опыт преподавания в МАИ убедительно показал, что изучение материала по учебнику должно предшествовать слушанию очередной лекции, на которой изла гается соответствующий раздел курса. Работа студента непосредственно на лекции становится в этом случае особенно целенаправленной и продуктивной. Он имеет возможность обратить особое внимание на то, что лектор считает наиболее важным установить логическую последовательность в изложении материала, имея в виду, что конечный результат изложения в общих чертах уже известен.
Разумеется, для этого преподаватель знакомит студентов с ближайшими пла нами изучения курса, указывает соответствующие разделы учебника и дополнитель-
10