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基于GasTurb发动机涡轴性能计算.rar

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    编号:20181030002725350    类型:共享资源    大小:3.35MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    基于 GasTurb 发动机 性能 计算
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    本科毕业设计(论文)基于 GasTurb 发动机涡轴性能计算学生姓名: 代浩男 专 业: 飞行器动力工程 学 号: 120141604 指导教师: 张银波 所属学院: 航空工程学院 二〇一六年六月中国民航大学本科毕业设计(论文)基于 GasTurb 发动机涡轴性能计算The Performance Calculation of Turboshaft Engine Based on GasTurb 学生姓名:代浩男专 业:飞行器动力工程学 号:120141604指导教师:张银波学 院:航空工程学院2016 年 6 月创见性声明本人声明:所呈交的毕业论文是本人在指导教师的指导下进行的工作和取得的成果,论文中所引用的他人已经发表或撰写过的研究成果,均加以特别标注并在此表示致谢。与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献也已在论文中作了明确的说明并表示谢意。毕业论文作者签名: 签字日期: 年 月 日本科毕业设计(论文)版权使用授权书本毕业设计(论文)作者完全了解中国民航大学有关保留、使用毕业设计(论文)的规定。特授权中国民航大学可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计(论文)的复印件和磁盘。(保密的毕业论文在解密后适用本授权说明)毕业论文作者签名: 指导教师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日摘 要现如今,航空发动机数值仿真系统可用来辅助发动机设计,从而缩短其研制周期,因此得到了广泛应用。而涡轮轴发动机作为军民用直升机的主要动力装置,具有体积小、功率大、易于起动和操纵等优点。所以为满足其未来的发展需要,本文利用专门面向燃气涡轮发动机的数值仿真软件 GasTurb,通过其内部的参数计算与分析功能对涡轴发动机进行设计点和非设计点性能计算,并对设计点参数进行了简单的验证;了解发动机各个站位的参数信息;研究了设计点参数变化对发动机性能的影响;绘制出压气机与涡轮的共同工作线并列举出一些影响共同工作线位置的因素;利用参数分析模块画出转速、高度、速度和温度特性图,从而分析涡轴发动机的性能特点。关键词:涡轴发动机;GasTurb;性能计算;发动机特性AbstractNowadays, aero engine numerical simulation system can be used to assist the engine design, which can shorten the development cycle, so it has been widely used. As the main power unit of civil and military helicopter, the turboshaft engine has the advantages of small size, large power, easy to start and control, etc. So in order to meet the needs of its future development, this paper uses the numerical simulation software for gas turbine engine called GasTurb. Through its internal parameter calculation and analysis functions for turboshaft engines we can do design and off design performance calculations, the design point parameters are also verified; understand parameter information for engine of each station. We can also print the operating line of compressor and turbine through the operating line module. Component characteristics of the turboshaft engine are obtained by means of the method of scaling the components. At the same time, we can use the parameters analysis module to draw the three major characteristics of the rotation rate, height and speed, so as to analyze the performance characteristics of the turboshaft engine.Key Words: Turboshaft Engine; GasTurb; Performance Calculation ; Working characteristics of engineI目 录第 1 章 绪论 ........................................................................................................................11.1 发动机数值仿真 ....................................................................................................11.2 GasTurb 软件介绍 .................................................................................................11.3 涡轮轴发动机概述 ................................................................................................11.3.1 涡轴发动机的组成及特点 ..........................................................................21.3.2 涡轴发动机的性能指标 ..............................................................................2第 2 章 发动机部件的共同工作与发动机特性 ................................................................42.1 单轴燃气涡轮发动机的共同工作 ........................................................................42.2 双轴燃气涡轮发动机部件的共同工作 ................................................................52.3 涡轴发动机的调节规律和特性 ............................................................................6第 3 章 程序分析 ................................................................................................................73.1 设计点性能计算及验证 ........................................................................................73.1.1 设计点参数计算 ..........................................................................................73.1.2 设计点程序的验证 ....................................................................................123.2 设计点参数变化对发动机总体性能的影响 ......................................................143.3 输出共同工作线 ..................................................................................................183.2.1 非设计点参数输入 ....................................................................................183.2.2 绘制共同工作线并分析 ............................................................................193.2.3 参数变化对共同工作线位置的影响 ........................................................223.3 涡轴发动机特性图及分析 ..................................................................................243.3.1 转速特性图 ................................................................................................243.3.2 速度特性图 ................................................................................................273.3.3 高度特性图 ................................................................................................293.3.4 温度特性图 ................................................................................................31第 4 章 结论 ......................................................................................................................33参考文献 ..............................................................................................................................34致 谢 ..................................................................................................................................35附录:外文翻译资料 ..........................................................................................................36中国民航大学本科毕业设计论文1第 1 章 绪论1.1 发动机数值仿真被誉为“工业皇冠上璀璨的明珠”的航空燃气涡轮发动机,是推动飞机乃至整个航空领域快速发展的源动力,航空发动机的研制水平,充分体现了一个国家工业基础、经济实力和科技水平等综合国力,故世界各国均不惜投入巨大的人力、物力、财力来研制更高性能的航空发动机。然而,由于航空发动机设计过程中的数据过于庞大、运算过于复杂,导致我国乃至世界航空发动机的研制进程缓慢。随着计算机技术的讯速兴起,近几年出现了数值仿真技术。数值仿真技术在航空发动机的研制领域的广泛应用,引发了不少发动机数值仿真软件的问世。它们很大程度地弥补了发动机设计中难以实验的不足,起到了缩短研制周期和辅助发动机设计等作用,并以其风险小、安全可控、经费少、可重复计算等优点,迅速得到了航空发动机研发强国的重视利用。目前,国外该方面的数值仿真软件有很多,本文所用的德国 GasTurb 软件便是其中之一 [1]。如果我国想要在航空发动机研究领域追赶甚至超越其他航空强国,就必须在国外相关软件的研究基础上,探究其设计思路和功能组成,取长补短,从而研发出我国独有的发动机数值仿真系统,以此提升发动机研制与试验水平。1.2 GasTurb 软件介绍GasTurb 软件是由来自德国 MTU 公司的 Joachim Kurzke 博士所开发的,是一款面向燃气轮机(包括航空发动机和地面燃气轮机)的总体性能计算软件,其最新版本为 GasTurb 12[2]。GasTurb 可实现涡喷、涡桨、涡扇、涡轴发动机,以及地面燃气轮机的整机性能分析或热力学循环计算,还可以得到每个部件的性能参数;分析发动机的试车数据,有助于诊断运行工况;快速实现发动机系列化热力学性能设计等功能。GasTurb 软件包括 GasTurb 12、GasTurb Details、Component Map Collection, Smooth T 、Smooth C 和 GasTurb Names 等 6 个模块 [3]。其中 GasTurb 12 是 GasTurb 软件的核心计算模块,能够在各种发动机的模型下进行详细的设计点参数计算与非设计点性能分析、初步结构方案设计并提供计算截面的气动参数,估算出发动机的外形尺寸和重量等。GasTurb Details 是 GasTurb 软件的辅助模块之一,主要包括各类发动机各个部件的详细气动计算及相应的修正模型。由于其余模块本文不会涉及,故不再过多介绍。中国民航大学本科毕业设计论文21.3 涡轮轴发动机概述涡轮轴发动机是燃气涡轮发动机中的一种,它以空气为做功工质,主要靠燃气发生器中产生燃气,然后通过动力涡轮驱动旋转轴,用输出的轴功率带动负载工作。而负载对于航空发动机来说就是直升机旋翼。它的工作原理与涡轮螺旋桨发动机类似,只是燃气发生器出口燃气所含的可用能量几乎全部用于供给动力涡轮。同时,涡轴发动机中燃气在涡轮内的膨胀度很大,尾喷管出口压力几乎与外界大气压力相同,所以为了满足直升机旋翼的转速要求,一般都需要安装减速器。1.3.1 涡轮轴发动机的组成及特点典型的涡轮轴发动机主要部件是近气装置、压气机、燃烧室、燃气发生器涡轮、动力涡轮(自由涡轮) 、排气装置等。其基本构造示意图如 1-1 所示。图 1-1 典型涡轴发动机结构图直升机上使用的涡轴发动机的涡轮与普通的涡轮喷气发动机不同,不仅要带动压气机转动,还要带动旋翼、尾桨,所以目前大多数的涡轮轴发动机将涡轮分为前后彼此无机械联系的两段,即燃气发生器涡轮、动力涡轮。前段用于带动压气机,构成发动机的燃气发生器转子;后段作为动力轴,通过输出轴功率从而带动旋翼、尾桨等部件。前、后两段无任何机械联系,只有气体动力上的联系,这样的好处是使得燃气发生器涡轮与动力涡轮在气体热能分配上可以随飞行条件改变进行适当调整,从而在较宽裕的范围内优化涡轮轴发动机性能。1.3.2 涡轮轴发动机的性能指标(1) 功率和单位功率在涡轮轴发动机中,几乎不产生喷气反作用推力,即有效循环功的绝大部分都由涡轮传至旋翼。涡轮轴发动机的轴功率表达式为: 中国民航大学本科毕业设计论文3(1-snetaNLW1)式中, 为涡轮轴发动机轴功率, 为空气的质量流量, 为涡轮输出至旋sNa netL翼的功,对单轴发动机而言, ,对具有动力涡轮的发动机而言,netTCL。在这里, 为涡轮单位质量气流的功; 为压气机单位质量气流的功;TZnetLT C为动力涡轮单位质量气流的功。(2) 燃油消耗率涡轮轴发动机的单位燃油消耗率,简称耗油率,是单位时间内产生 1 kW 功率所消耗的燃油量,用 表示,单位为 ,即sfc/()kgWhA(1-360/fssfcN2)(3) 功率质量比发动机功率与发动机质量之比称为功率质量比,以 表示,单位为 ,m/kWg即(1-/msNM3)对于涡轮轴发动机来说,往往不把发动机迎风面积的大小作为一个重要的指标来看。这是因为,一方面由于直升机的飞行速度较低;另一方面是发动机的直径相对较小,导致流过发动机的空气流量一般也比较小。中国民航大学本科毕业设计论文4第 2 章 发动机部件的共同工作与发动机特性2.1 单轴燃气涡轮发动机的共同工作发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管五大部件构成,各个部件之间是协调工作、相互制约的,任何一个部件工作状态的变化都将影响其他部件的工作。五大部件的协调工作是发动机能否有效地工作的最基本前提。在五大部件中,压气机、燃烧室、涡轮是核心机。一般民用航空发动机的进气道和喷管面积都不可调 [4]。所以,研究发动机的共同工作,主要就是研究压气机和涡轮的共同工作。几何不可调是指根据发动机设计点参数确定的各部件的形状和几何尺寸在非设计点不再变化。这是一种最简单的情况,可用来了解共同工作的基本概念。单轴燃气涡轮发动机在非设计点下稳定工作时,各部件需要满足如下的共同工作条件:(1) 涡轮与压气机的物理转速相等:(2-CTN1)式中, 为压气机转速, 为涡轮转速 。CNT(2) 气流质量流量的平衡关系:(2-acolfgW2)式中, 为压气机进口的空气质量流量, 为涡轮冷却空气质量流量, 为燃aWcol fW油质量流量, 为涡轮导向器进口的燃气质量流量。g由于 和 与 相比相对较小,为简化起见可忽略不计,于是上式变为:colfa(2-agW3)用气动函数 表示气流质量流量,加以整理后,则上式可写为q(2-42tCTconsq4)(3) 压力平衡:
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