Газодинамический расчет и модернизация двигателя cfm56

     При уменьшении температуры газа перед турбиной до минимального значения, тяга ГТД падает до нуля, так как количество подведенного к рабочему телу тепла, уменьшаясь, становится равным величине потерь тепла с выхлопными газами.

     Рост  удельной тяги при условии обеспечения заданной абсолютной тяги ведет к снижению габаритов и массы двигателя. Поэтому увеличение температуры газа перед турбиной – основная  

     Влияние температуры газа перед турбиной на удельный расход топлива.

     

     Рисунок 6 – График зависимости Суд  от Тг* 

     Удельный  расход топлива изменяется обратно  пропорционально общему КПД, который  равен произведению эффективного КПД  на коэффициент гидравлических потерь и на полетный КПД. Согласно формуле:

     

     При минимальный температуре общий  КПД двигателя равен нулю, а удельный расход топлива стремится к бесконечности, так как в этом случае удельная тяга двигателя равна нулю. С повышением температуры газа перед турбиной увеличивается эффективный КПД, также коэффициент гидравлических потерь, что объясняется увеличением работы цикла и уменьшением доли тепла, идущего на преодоление гидравлических потерь в обоих контурах двигателя. Одновременно увеличивается скорость рабочего тела за движителем, а следовательно, и потери кинетической энергии с выходной скоростью, т.е. уменьшается полетный КПД.

     Таким образом, с увеличением температуры  за камерой сгорания на общий КПД  и удельный расход топлива два  фактора оказывают противоположное  влияние. Вначале преобладает уменьшение доли тепла, идущего на преодоление  гидравлических потерь, затем – увеличение потерь кинетической энергии. Это приводит к тому, что общий КПД вначале увеличивается, затем уменьшается, а при некоторой температуре имеет место максимум. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3.2 Зависимость тяги  и удельного расхода  топлива двигателя от суммарной степени повышения давления

     

     Рисунок 7 – График зависимости Руд от

     Влияние суммарной степени повышения  давления на удельные параметры двигателя  рассмотрим при условии сохранения постоянной температуры газа перед турбиной.

     Зависимость удельной тяги от суммарной степени  повышения давления имеет максимум, а удельного расхода топлива  – минимум. Максимум удельной тяги совпадает с максимумом работы цикла, то есть достигается при оптимальной  степени повышения давления и объясняется противоположным влиянием на Le двух факторов: увеличением термического КПД с ростом и одновременным уменьшением количества подведенного тепла.

     

     Рисунок 8 – График зависимости Руд от

 

     Наличие минимума удельного расхода топлива( максимума КПД) объясняется противоположным  влиянием двух факторов: с одной  стороны уменьшение теплоподвода (увеличение подведенного тепла, идущего на преодоление  гидравлических потерь), и с другой стороны увеличение работоспособности рабочего тела.

     При суммарной степени повышения  давления равной нулю рабочее тело становится не работоспособным, тяга равняется  нулю, а удельный расход топлива  равным бесконечности. 
 

     3.3 Изменения удельной тяги и удельного расхода топлива в зависимости от степени двухконтурности

     

     Рисунок 9 – График зависимости Cуд  от m 

     Зависимость удельной тяги от степени двухконтурности  можно описать следующим способом. Прежде все запишем формулу для анализа зависимости

     

     С увеличением степени двухконтурности  выходная скорость и , следовательно , удельная тяга движителя уменьшаются, что объясняется увеличением  доли рабочего тела во втором контуре, к которому не подводят тепло. Это  приводит к уменьшению потерь кинетической энергии с выходной скоростью и к увеличению полетного КПД. С другой стороны при увеличении степени двухконтурности коэффициэнт гидравлических потерь уменьшается. Причем вначале преобладающее влияние на КПД оказывает полетный КПД, а затем – коэффициент гидравлических потерь. Противоположное влияние двух факторов приводит к тому, что тяга двигателя имеет максимум, а удельный расход топлива – минимум.

     Удельная  тяга будет стремится к максимальному  значению  в предельном случае, когда степень двухконтурности стремится к бесконечности, а КПД движителя  к единице. В частном случае ( бесконечно большой степени двухконтурности соответствует бесконечно большая тяга  .

     Всю эту зависимость, мы будем исследовать  за счет формулы  . Задаваясь =53,27. Эта цифра была найдена из условия, что степень двухконтурности равна значению из исходных данных, суммарный расход тоже равен исходному расходу при данной степени двухконтурности.  Т.е. m=6, =375. При m=6, =53,27. Пользуясь условием и , мы получаем несколько суммарных расходов, при разных степенях двухконтурности. Полученные суммарные расходы воздуха, мы подставляем в Астру ПР, которая выводит значения тяги и удельного расхода топлива. Эти значения тяги и удельного расхода, и соответствующие им степени двухконтурности, мы указываем в Exel и по ним строим графики зависимости.   

     

     Рисунок 10 – График зависимости удельного расхода топлива от коэффициента распределения энергии 

     Зависимость удельного расхода топлива ТРДД от параметров движителя легко проанализировать с помощью следующей формулы

     

     Понятно, что числитель этой дроби не изменяется при изменении степени двухконтурности, так как относительный расход топлива зависит от параметров цикла  и параметры движителя на него никакого влияния не оказывают. Поэтому удельный расход топлива в рассматриваемом случае изменяется обратно пропорционально изменению удельной тяги РУДGI.

     При постоянной степени двухконтурности  и оптимальном распределении  энергии между контурами удельный расход топлива имеет минимум, соответствующий максимуму удельной тяги.

       Минимум удельного расхода топлива  одновременно с максимумом удельной  тяги, достигается при оптимальных  параметрах движителя ( и ) .

     Итак  зависимость удельнго расхода топлива движителя от степени двухконтурности  будет обратной зависимости удельной тяги от последней. 

     3.4 Зависимость тяги и удельного расхода топлива от коэффициента распределения энергии

     

     Рисунок 11 – График зависимости удельной тяги от коэффициента распределения энергии 

     

     Рисунок 12 – График зависимости удельного расхода топлива от коэффициента распределения энергии

     Х – коэффициент при степенях повышения  давления в вентиляторе в наружном и внутреннем контурах, характеризующий  собой коэффициент распределения энергий между контурами, при росте которого растет энергия, переданная в наружный контур.

     Максимум  КПД движителя, а следовательно, максимум тяги и минимум удельного  расхода топлива, при изменении  Х возникает вследствие противоположного изменения полетных КПД внутреннего и наружных контуров. С увеличением коэффициента Х от 0 до оптимального значения КПД движителя повышается благодаря преобладающему влиянию на него увеличения полетного КПД внутреннего контура , т.е. вследствие доминирующего влияния снижения потерь кинетической энергии с выходной скоростью внутреннего контура. Дальнейшее увеличение Х приводит к снижению КПД движителя, что объясняется преобладающим влиянием повышения потерь кинетической энергии с выходной скоростью наружного контура.

4. Модернизация двигателя

   Модернизируем двигатель двумя способами, стараясь при этом сохранить неизменными  возможно большего числа деталей  и узлов.

   1 способ:

1. Увеличим общий расход воздуха через двигатель за счет увеличения расхода воздуха в наружном контуре, соответственно увеличим общий расход от 375 кг/с до 475кг/с.
2.           Для увеличения общей работы цикла увеличим температуру газа   перед турбиной от 1544 К до 1600К. Для обеспечения прочности лопаток, увеличиваем подвод воздуха на охлаждение турбины ВД до 0.09, а в турбине ВД до 0,025.
3.            Добавляем в конструкцию три подпорные ступени, увеличивая тем самым степень повышения давления в компрессоре и в вентиляторе в 1.32 раза.

     В результате тяга ГТД увеличилась до 125,95кН ( увеличилась на 17,33% )  а удельный расход топлива снизился до 34,406 ( снизился на 5,52 % ). 

    Процентное отклонение полученных значений от заданных( которые мы должны получить) , мы получаем через формулу погрешности.

 Подсчитаем погрешность

2 способ:

1)       Увеличим общий расход воздуха через двигатель за счет увеличения расхода воздуха в наружном контуре, соответственно увеличим общий расход от 375кг/с до 477кг/с, а степень двухконтурности до 6,55.

2)     Уменьшим температуру газа перед турбиной от 1544К до 1510К.

3)      В результате тяга ГТД увеличилась до 125,39кН ( увеличилась на 17,1% ) , а удельный расход топлива снизился до 34,512 ( снизился на 5,83 % ).

Процентное  отклонение полученных значений от заданных( которые мы должны получить) , мы получаем через формулу погрешности. 

Запишем погрешность

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

В данной работе был произведен термогазодинамический расчет двигателя-прототипа CFM56-2/ В результате расчетов были получены  следующие результаты: , Суд=0,03587 кг/Н*ч. Эти значения, я проверил в программе Астра ПР-А и получил погрешность и .

Был проведен расчет в Астре ПР, по которому в  дальнейшем построены графики зависимости  удельного расхода и тяги от .

Была произведена  модернизация двумя способами в результате которой была увеличена тяга и снижен удельный расход топлива.

Первый способ:

    Погрешность от заданных значений составила в первом случае: = , =4%. Для того что бы обеспечить увеличение тяги и снижение удельного расхода, был увеличен суммарный расход воздуха через двигатель от 375 кг/с  до 475кг/с . Расход воздуха, увеличен за счет увеличения расхода воздуха в наружном контуре . Для этого, был увеличен диаметр двигателя, из-за чего была изменена конструкция вентилятора. Вентилятор взяли другого диаметра и с большим количеством ступеней. Также была увеличена температура газа перед турбиной 1544 К до 1600К. Для обеспечения прочности лопаток, увеличиваем подвод воздуха на охлаждение турбины ВД до 0.09, а в турбине ВД до 0,025.  Добавляем в конструкцию три подпорные ступени, увеличивая тем самым степень повышения давления в компрессоре и в вентиляторе в 1.32 раза.

        Второй способ: 

    Во втором случае погрешность полученных значений тяги и удельного расхода составила: =2,2%, =3%. Для того, что бы обеспечить увеличение тяги и снижение удельного расхода также, как и в первом способе был увеличен суммарный расход воздуха от 375кг/с  до 477кг/с, а степень двухконтурности была увеличена от 6 до 6,55.  Эти изменения были сделаны за счет расширения(конструктивного) наружного канала. Т.о. увеличился диаметр двигателя. Вентилятор был увеличен в диаметре и к в нем была добавлена еще одна ступень. Температура газа перед турбиной была уменьшена от 1544К до 1510К. Для такого изменения температуры газа, был установлен другой компрессор и вместе с ним была изменена конструкция его лопаток. Степень повышения давления компрессора изменилась, а следовательно изменилась и температура газа перед турбиной. Тем самым, были достигнуты требуемы модернизацией значения тяги и удельного расхода.