Малоразмерные газотурбинные двигатели

[JohnDoe]

А почему компрессор двухступенчатый? Насколько я знаю для ЦБ компрессоров ПИк=6 на одну ступень вполне достижимая величина, если верить литературе. А при 2-ступенчатом удлиняется вал, со всеми вытекающими.
Турбину можно и центростремительных, это подешевле будет. Хотя... У Вас не блиск же планируется?

 

[Kazakov]

Про компрессор интересный вопрос. Расчеты показывают: для одной ступени ЦК степенью =6, скорость необходима - 520м/с, при 30000об/м диаметр необходим - 330мм.
Высочайшая точность и балансировка.
Жуткое дело. Для расхода 1кг/с это большой диаметр, много трения по внешнему диаметру, низкий КПД. Нужно выше обороты.
Любая пещинка на такой скорости - разрушение. Большой фильтр.
Температура в конце сжатия - 530к, нужна сталь для всего колеса.

 

[Kazakov]

Двухступенчатый центробежный будет много компактней. Первое колесо алюминий. Скорости небольшие - высокий КПД. Выше устойчивость к помпажу.

 

[JohnDoe]

На выходе из первой ступени воздух тоже выйдет изрядно "потеплевшим", следовательно КПД второй ступени упадёт, из неё воздух будет выходить ещё горячее. Или у Вас предусмотренно промежуточное охлаждение? Двухступенчатый компрессор никак не может быть компактнее одноступенчатого в осевом направлении. Разве только в радиальном и то, не факт, т.к. двухступенчатой потребуются каналы перепуска. Так что вполне может статься, что и тут особого выигрыша не будет.
Хотя конечно окружная скорость и помпаж это аргумент.

 

[Kazakov]

Прикинул на пальцах внешние диаметры вариантов для 30000об/м, пальцев не хватает. Диффузор брал 55мм, отвод со стенкой 25мм. Двухступ 220+55+55+25+25=380мм, одноступ 330+160=490мм

 

[JohnDoe]

Прикинул на пальцах внешние диаметры вариантов для 30000об/м, пальцев не хватает. Диффузор брал 55мм, отвод со стенкой 25мм. Двухступ 220+55+55+25+25=380мм, одноступ 330+160=490мм

А почему у Вас диффузор и отвод в обоих случаях одинаковые?
Площадь сечения во втором случае составляет 1,36 по отношению к двухступенчатому варианту. Закон квадрата/куба, аднака. 😉

 

[Kazakov]

Предполагаю этот закон тут не совсем подходит. Двухступ, воздух выходит из колеса на 340м/с тормозится в диффузоре до 90-120м/с потом поворот. На это я выделил 80мм по радиусу. Тоже самое расстояние для одноступа, хотя там 530мм. Эти расстояния почти такие же в авто компрессорах, только вместо отвода - улитка.

 

[Kazakov]

Предполагаю этот закон тут не совсем подходит. Двухступ, воздух выходит из колеса на 340м/с тормозится в диффузоре до 90-120м/с потом поворот. На это я выделил 80мм по радиусу. Тоже самое расстояние для одноступа, хотя там 530мм. Эти расстояния почти такие же в авто компрессорах, только вместо отвода - улитка.

Опечатка: вместо 530мм читать 530м/с

 

[JohnDoe]

Хорошо, принимается.

 

[Kazakov]

В понедельник на работу, ура!

 

[Kazakov]

Турбина. Для этого двигателя, назовем гтда-200, при перепаде давления турбины в 0,5мпа возможны два реальных варианта. Двухступенчатая осевая или одноступенчатая радиальная. Нужно разобраться с плюсами минусами.

 

[Kazakov]

Плюсы. Одноступенчатая радиальная центростремительная турбина. Большой перепад давления в одной ступени и активный направляющий аппарат позволяют использовать высокую температуру цикла не нагревая сильно лопатки и диск. В конструкции гтда 200 перепад может достигать сотен градусов. Меньше требований к зазорам. Выше прочность из-за сужения лопаток к периферии, поэтому выше окружная скорость, соответственно высокий КПД.

 

[JohnDoe]

Радиальные турбины по КПД уступают осевым. Зато дешевле

 

[Kazakov]

При условии срабатывания давления в одной ступени, в современных конструкциях, радиальные превосходят осевые по КПД. Такие турбинки (в основном стационары) можно визуально определить, внешний диаметр турбины больше диаметра компрессора. Например capstone, opra, toyota. В старых конструкциях диаметр турбины меньше компрессора. Самый высокий внутренний КПД турбины (который мне известен) это opra2000, Норвегия = 0,92.
Стоимость ниже так как ниже требования к температуре.

 

[Kazakov]

Минусы. Одноступенчатая радиальная центростремительная турбина.
Ступень одна, поэтому отпадают дальнейшие варианты: реактивные и вертолетные.
Чтобы реализовать преимущества нужна высокая окружная скорость 480-550м/с, соответственно большой диаметр, высокая инерция.
Мало примеров в авиации.

 

[Kazakov]

Плюсы. Турбина осевая двухступенчатая. Рассматриваем активно- реактивные ступени.
Возможен вариант свободной турбины.
Традиционная для авиации конструкция.
Меньше внешние диаметры со всеми вытекающими.

 

[Kazakov]

Минусы. Турбина осевая двухступенчатая.
Сложнее, больше требований к температуре.
Направляющий аппарат первой ступени сложнее сделать охлаждаемым, а это необходимо.
Больше осевая сила на вал.
Большие размеры по длине.

 

[Kazakov]

Можно рассмотреть третий вариант. Радиальная активная центростремительная турбина компрессора и осевая активно реактивная турбина свободная турбина, расположенная вплотную без направляющего аппарата.

 

[Kazakov]

Делаю прикидки тех задания для гтда200, прихожу к некоторым выводам. Одновальный гтд с расходом 1кг/с просит небольших диаметров компрессора (так выше КПД), для скорости 340м/с - это 140-160мм. Обороты вала при этом - 44000-50000мин-1, что не очень укладывается с надёжностью редуктора.

 

[Kazakov]

Нужно смотреть схему газогенератор + свободная турбина.