Испытательная станция турбовинтовых двигателей ТВ3–117 ВМА–СБМ1 серийного производства

5/ Выбор и обоснование типа и конструкции испытательного бокса

Данная испытательная станция размещается в центре города, поблизости находятся жилые комплексы, природные условия нормальные, по этому выбираем П-образную конструкцию испытательного стенда.

6/ Аэродинамический расчет бокса

Расчет бокса ведется для определения скоростей газового потока в сечениях бокса.

Полученные результаты сравнивают со скоростями, необходимыми для обеспечения ламинарности потока. И на основании этих сравнений делается заключение о возможности использования этого бокса для данного типа двигателя. Разрезы бокса показаны на рисунке 2.

1-на входе, 2-перед двигателем, 3-возле двигателя, 4-за двигателем, 5-на выходе

-в шахте входа - F1=7.4 x 7.25=53.65мІ;

-перед двигателем - F2=7.7 x 7.15=55.06мІ;

-возле двигателя - F3=F2=55.06мІ;

-в шахте вихлопа - F4=3.14 x 2.295І/4=4.13мІ;

F5=5.8 x 5.8=33.64мІ.

Начальные данные для аэродинамичного расчета:

максимальный расход воздуха двигателя Gдв=9 кг/сек;

плотность воздуха п=1.1 кг/мі;

плотность выхлопных газов г=1.4 кг/мі.

6.1 Нахождение площади разреза бокса

Нахождение площади разреза в шахте входа:

; мІ

Нахождение площади разреза перед двигателем:

; мІ

Нахождение площади разреза возле двигателя:

; мІ

Нахождение площади разреза в шахте вихлопа:

Скорость потока в шахте вихлопа обозначается в наименьшем разрезе шахты:

мІ

мІ

Так как площадь S4 меньше, чем площадь S5, то скорость потока необходимо определять в площади S4.

6.2 Нахождение расхода воздуха и газа в площадях разреза бокса

Нахождение расхода воздуха в шахте входа:

где Gеж - часть воздуха, которая засасуется эжектором в шахту вихлопа;

Gдв. - расход воздуха двигателем

кг/сек.

кг/сек

Нахождение расхода воздуха перед двигателем:

кг/сек

Нахождение расхода воздуха возле двигателя:

кг/сек

Нахождение расхода воздуха в шахте вихлопа:

кг/сек

6.3 Нахождение скоростей потока воздуха и газов в площадях разреза бокса

Нахождение скоростей потока воздуха в шахте входа:

м/сек

Нахождение скоростей потока воздуха перед двигателем:

м/сек

Нахождение скоростей потока воздуха возле двигателя:

м/сек

Нахождение скоростей потока воздуха в шахте вихлопа:

м/сек.

Таким образом, во всех сечениях бокса скорость движения воздуха не превышает допустимую, что полностью удовлетворяет требованиям и позволяет проводить испытания двигателя в данном боксе.

7. Тепловой расчет двигателя

Начальные данные:

Ne=2800 л.с.=2058 кВт - мощность, кВт (л. с.);

Т*3=1250 К - температура газа перед турбиной, єС (єК);

p*к=12 - степень повышения давления;

V=0 - скорость полета, м/с;

H=0 - высота полета, м;

p0=1.033 кг/см2=0.1 МПа

Т0=288 К

о0 вх.=0.05

е=0.98

н=0.97

?3=0,98

Нв=10500 ккал/кг - теплотворность топлива, Дж/кг (ккал/кг);

Са=150 м/с - скорость воздуха на выходе, м/с

Входное устройство

Температура воздуха Т1 и его давление Р1 на входе в компрессор

кг/см2=0.089 МПа (2.1)

К (2.2)

Удельный вес воздуха

кг/м3 (2.3)

где R - газовая постоянная кг·м/кг·град.

Компрессор

Полное адиабатическое давление компрессора:

кгм/кг (2.4)

Для осевого компрессора при заданных зАД*=0,85 и зМ*=0,99 определяем работу:

кгм/кг (2.5)

Принимаем скорость на выходе из последней ступени компрессора С2=150 м/с и определяем температуру и давление воздуха на выходе из компрессора:

К (2.6)

Статическая температура на выходе из компрессора:

К (2.7)

Полное и статическое давление на выходе:

кг/см2=1,2396 МПа (2.8)

кг/см2=1.165 МПа (2.9)

где к =1,4 показатель адиабаты

кг/см4 (2.10)

Камера сгорания

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива

L0=14.8 кг /кг топлива.

Вычисляется средняя удельная теплоёмкость «чистых» продуктов сгорания и воздуха для температурного интервала 288 К -1250К

ккал кг/град (2.11)

ккал кг/град (2.12)

Для температурного перепада Т*2= К Т*3=1250 К

ккал кг/град (2.13)

Необходимый коэффициент избытка воздуха

(2.14)

Газовая постоянная продуктов горения

кг м/кг град (2.15)

Полное давление

кг/см2=1.178 МПа (2.16)

где - коэффициент гидравлического расхода в камере сгорания

Среднее значение показателя адиабаты продуктов сгорания принимаем k'=1.32

Ориентировочно оцениваем температуру конца расширения в двигателе:

К (2.17)

Средние удельные теплоёмкости для «чистых» продуктов сгорания и воздуха в интервале ТВ=692.93 К Т*3=1250 К

ккал кг/град (2.18)

ккал кг/град (2.19)

Средняя удельная теплоемкость действительных продуктов сгорания:

(2.20)

Действительное значение показателя адиабаты продуктов сгорания:

 (2.21)

Это значение близко к принятому, поэтому дальнейший перерасчет не нужен.

Турбина.

Адиабатический перепад в турбине. Чтобы предать на винт максимальную мощность, газ в турбине должен расширится практически до атмосферного

ккал/кг (2.22)

p4=p0=1.033 кг/см2 (2.23)

Степень расширения газа в турбине:

(2.24)

Температура газа на выходе из турбины:

К (2.25)

Статическая температура:

К (2.26)

Работа на валу турбины:

 кгм/кг (2.27)

Вычисление основных данных двигателя

Приняв к.п.д. редуктора зред=0.96 находим удельную эффективную мощность двигателя:

л.с./кг_в-ха (2.28)

Расход воздуха:

кг/с (2.29)

Расход газа через турбину:

кг/с (2.30)

Удельный эффективный расход топлива:

кг/л.с. час (2.31)

Часовой расход топлива:

кг/час (2.32)

Вычисляем реактивную тягу PR которая производится только за счет скорости газа за турбиной:

 кг=5480 Н (2.33)

Принимается в=1.1 и находится эквивалентная мощность двигателя:

л.с. (2.34)

Эквивалентный удельный расход топлива:

кг/э.л.с.час (2.35)

Удельный расход топлива:

кг/кг_тяги_час (2.36)

8. Выбор систем шумоглушения. Расчет эффективности шумоглушения

Современные испытательные боксы имеют сложные шумоглушащие устройства. Эти устройства должны удовлетворять ряду требований, главными из которых являются: снижение шума испытуемого двигателя до необходимых в каждом конкретном случае уровней и обеспечение неизменности параметров испытуемых двигателей. Последнее требование особенно важно для двигателей с большими расходами воздуха, так как оно является часто определяющим при решении вопроса о пригодности того или другого типа глушителя.

Все эти задачи по-разному решаются для различных типов двигателей.

Система состоит из глушителей шахты всасывания и подсоса, двухступенчатого эжектора и вертикального глушителя выхлопа, называемого секционным вертикальным. Глушитель состоит из горизонтальной и вертикальной частей. Горизонтальная часть представляет собой эжектор (эжекторная труба) или их систему.

К верхней части цоколя крепят выравнивающую решетку, обеспечивающую необходимое гидравлическое сопротивление. Изменяя величину гидравлического сопротивления, подбирают необходимый коэффициент эжекции, т. е. количество подсасываемого воздуха.

На цоколе устанавливают цанги (секции), образующие вертикальную шахту. Число их определяется необходимым числом рядов звукопоглотителей. В верхней части и в середине шахты имеются две рамы с обрешеткой.

Размещение крюков соответствует плотности подвески звукопоглотителей. На крюки в виде гирлянд подвешивают звукопоглотители. В каждом ярусе их бывает 3--4. Вертикальную часть глушителя устанавливают на фундамент и крепят к анкерным болтам. Глушители такого вида имеют диаметр 1,5--7 м. Звукопоглотитель для такого типа глушителей показан на рис. 69. Он представляет собой цилиндр из сетки, соединенной внахлестку точечной сваркой. Сетка имеет размер ячейки 1,4X1,4 мм, ее изготовляют из нержавеющей стальной проволоки диаметром 0,65 мм. Внутри цилиндра проходит стержень, оканчивающийся крюками. К стержню приварены крышки, которые соединяются с сеткой, внутренний объем заполняют мелкофракционным керамзитом. Диаметр звукопоглотителя обычно принимают 200мм, длину--1000 мм. Такие размеры являются оптимальными как по технологическим требованиям, связанным с размерами заготовок, так и по акустической эффективности. Конструкция звукопоглотителей надежно работает в условиях до +400°С газа, воздействия воды, пара, вибраций, и потока газа.

Существуют и другие схемы боксов и глушителей. Некоторые боксы для испытания газотурбинных двигателей с винтом (турбовинтовых) имеют Г-образную форму или представляют собой горизонтальный канал. В шахте на стороне выхлопа подвешивают щитовые или цилиндрические звукопоглотители. Различие между звукопоглотителями стороны всасывания и выхлопа боксов турбовинтовых двигателей заключается в материале, которым заполнена конструкция. На стороне всасывания используют материалы, не запыляющие бокс, в то время как на стороне выхлопа могут, применены более грубые и дешевые материалы. Боксы, в которых испытывают турбовинтовые двигатели, имеют большие габариты, так как воздушный винт двигателя, например, самолета ИЛ-18, прокачивает через бокс около 1000 м3 воздуха за 1 с. Габариты бокса и тип глушителей выбирают на основании гидравлического и акустического расчетов. Аналогично подбирают глушители для других газодинамических установок, работающих с открытой газовой струей.

8.1 Расчет требуемой эффективности устройств шумоглушения и выбор глушителей

От шума испытательных станций, лабораторных и экспериментальных стендов, где проводятся испытания реактивных двигателей, защищают жилые районы или отдельные здания, находящиеся за пределами территории

предприятий, а также здания и объекты с нормируемым уровнем шума, расположенные па заводских территориях (производственные корпуса, конструкторские бюро, вычислительные центры, административные здания и т.п.).

Устройства шумоглушения должны снижать шум до допустимых уровней при наиболее неблагоприятном сочетании источника шума и защищаемого района или объекта, которыми могут оказаться не только жилые дома, но и производственные корпуса, в которых размещены рабочие места с нормируемым уровнем шума.

Допустимый уровень звуковой мощности источника шума определяют по формуле:

где -- затухание шума в атмосфере, дБ/км; определяется по табл. 2

Таблица 8.1 - Значение затухания шума в атмосфере

Расчет требуемой эффективности устройств шумоглушения начинают с установления звуковой мощности источника шума. В соответствии с техническим заданием определяют условия работы установок; число одновременно работающих боксов, максимальную продолжительность испытания в течение смены, месторасположение защищаемого от шума объекта (радиус защитной зоны). Имея эти данные, определяют поправки к допустимым уровням звукового давления . Требуемое заглушение определяют по формуле:

где -- исходный уровень звуковой мощности бокса с учетом числа излучающих шум источника.

Подставляя в эту формулу значение находят:

При заглушении шума испытательных боксов, имеющих два или три источника внешнего шума (глушитель выхлопа, шахта всасывания и шахта подсоса), целесообразно заглушить шахту всасывания и подсоса так, чтобы излучаемая ими звуковая мощность на всех частотах была на 8--10 дБ меньше излучаемой глушителем выхлопа. Это условие объясняется тем, что заглушение шахт подсоса и всасывания достигается более простыми средствами. В таком случае в расчет шума излучаемого боксом в атмосферу, принимают только один источник -- глушитель выхлопа.

Для определения уровня звуковой мощности в дБ, идущей в шахты всасывания и подсоса, экспериментально установлена зависимость:

где - звуковая мощность, излучаемая в бокс;

-- звуковая мощность источника шума, дБ.

Звуковую мощность, излучаемую в шахту всасывания, в дБ определяют по формуле:

где S - площадь, сечения шахты всасывания, м2.

При наличии в боксе шахты подсоса звуковую мощность, идущую в нее, в дБ определяют по формуле:

где гс -- расстояние от средней точки открытой части струи до входного сечения шахты, м.

По полученному значению требуемой эффективности подбирают соответствующую конструкцию глушителя.

Расчет эффективности глушителей особенно для
стороны выхлопа представляет трудную задачу. Применявшиеся ранее эмпирические формулы, основанные на модельных исследованиях без учета влияния температуры и скорости потока, часто давали неудовлетворительные совпадения расчетов и результатов натурных измерений.

Снижение эффективности, которое наблюдается (не только в глушителях выхлопа газодинамических установок, но в глушителях вентиляционных систем, объясняется вторичной генерацией шума, возникающей при протекании газовоздушного потока через глушитель. В глушителях с газовоздушным потоком уровни шума на выходе и, следовательно, фактическое заглушение обусловлено, помимо звукопоглощающих свойств конструкции, акустической мощностью шума, генерируемого потоком, которая возрастает с увеличением его скорости.

Исследования работы глушителя выхлопа показали изменение эффективности глушителя при постоянной активной длине звукопоглотителей, но при измененных сечениях и скоростях газовоздушного потока. Было установлено, что генерация шума сказывается тем раньше, чем меньше исходная звуковая мощность, чем больше величина удельной генерации (генерация на единицу длины глушителя) и затухания звука в глушителе. В результате вторичной генерации шума в глушителе эффективность в ряде случаев не может быть полностью реализована, и она почти перестает возрастать при увеличении длины активной части звукопоглотителя.

Эти вопросы теоретически еще недостаточно изучены и на практике приходится принимать эффективность глушителей выхлопа, основываясь на результатах экспериментальных исследовании.

В практической работе для перечисленных глушителей скорость газовоздушного потока принимают до 40 м/с с последующей проверкой влияния скорости газа на шумообразование в глушителе.

Следующим этапом расчета является определение геометрических размеров глушителя. Для этого определяют количество воздуха, которое необходимо подмешать к струе, чтобы охладить ее до допустимых значений. Сначала рассчитывают коэффициент эжекции:

Где -- температура газовой струи, °К;

- допустимая температура газовоздушной смеси, °К;

Общее количество газовоздушной смеси в м3/с oпределяют по формуле:

где -- расход воздуха через двигатель, кг;

- плотность газа при , кг/м3

Необходимое проходное сечение глушителя определяют из соотношения

Далее, в результате гидравлического расчета, определяют скорость газовоздушного потока в глушителе, при которой обеспечивается принятый коэффициент эжекции n. По ней выбирают в первом приближении тот или иной тип глушителя.

Если эта скорость не превышает 20--25 м/с, то на этом расчет можно закончить.

Глушители со стороны всасывания

Эффективность глушителей со стороны всасывания, где скорость потока обычно не бывает больше 25 м/с, определяют без учета влияния скорости воздушного потока. Для газодинамических установок, каналы всасывания
которых имеют сечения от нескольких до многих десятков квадратных метров, применяют пластинчатые глушители, по форме подобные глушителям вентиляционных систем. Их эффективность обычно определяют
экспериментально.

При определении затухания в глушителях больше длины (6--8 м) было установлено, что из-за наличия обходных путей распространения шума (монтажные зазоры, стенки глушителей) практически нельзя получить величину затухания более 70--75 дБ. Особенно сильно влияют на снижение эффективности зазоры между торцами звукопоглощающих щитов и стенками канала. Когда такие зазоры имеют величину, измеряемую несколькими сантиметрами, эффективность может снижаться на 10--15 дБ в широком диапазоне частот.

Увеличение скорости воздуха на стороне всасывании свыше 25 м/с приводит обычно к значительному разрежению в боксе, искажению параметров испытуемых объектов и увеличению нагрузки на ограждающие конструкции, что нежелательно. Наиболее целесообразная скорость для установок, излучающих шум в атмосферу 10--15 м/с.

Форма и тип глушителей, устанавливаемых на стороне всасывания газодинамических установок, зависит в первую очередь от величины расхода воздуха. Если для работы установки требуется 1--2 кг воздуха в секунду, то его можно подавать через каналы вентиляционных систем, где и предусматриваются соответствующие глушители шума. При расходе воздуха 3--10 кг/с его можно подавать через специально установленные вентиляционные глушители. При расходе воздуха свыше 10--12 кг/с испытательные боксы снабжают специальным всасывающим каналом (шахтой).

Для уменьшения шума, излучаемого в атмосферу палом всасывания, используют различные звукопоглощающие конструкции.

Для шахт испытательных боксов и других газодинамических установок применяют щиты.

Широко применяют щиты, каркас которых изготовляют из дюралюминиевых профилей, обшитых снаружи перфорированными алюминиевыми листами. В качестве звукопоглощающего материала в них используют базальтовое или стеклянное супертонкое волокно в оболочке из стеклоткани, плотность заполнения составляет 20-25 кг/м3.

Щиты расчаливают за крюки проволокой к стенам
шахты. Размеры щита увязывают с размерами шахты. Одни из возможных размеров щита -- 200X200X 2000мм.

В больших каналах щиты устанавливают один на другой и при помощи распорок соединяют между собой. Такую конструкцию применяют для заглушения боксов, в которых испытывают турбовинтовые и поршневые двигатели и каналы всасывания газотурбинных установок.

Боксы газодинамических установок.

В таких боксах размещают установки для испытания камер сгорания, сопловых аппаратов и других струйных агрегатов, транспортных газотурбинных двигателей, имеющих расход воздуха до 15--20 кг/с. Звуковая мощность этих установок меньше, чем например, реактивного двигателя, однако, если не принять мер по заглушению, то на расстоянии нескольких десятков, а иногда и сотен метров шум от них будет превышать допускаемые санитарными нормами величины.

Наиболее надежным методом устранения шума газодинамических установок является размещение их в боксах, подобных тем, в которых испытывают полноразмерные реактивные двигатели. Геометрические размеры боксов определяются габаритами испытываемых изделий, транспортных средств и заданными условиями испытаний. Условиями испытания предусматривается забор воздуха из бокса и выхлоп в глушитель через эжекторную трубу.

Воздух поступает в бокс через всасывающий канал, где установлены звукопоглощающие щиты. При определении скорости воздуха между щитами необходимо учитывать его расход не только через двигатель, но и эжекцию газовой струи. На каждые два бокса делается кабина наблюдения и дистанционного управления с окнами и дверями повышенной звукоизоляции. Бокс оборудуют также выхлопным глушителем.

8.2 Снижение шума газовой струи воздействием на процесс шумообразования

Образование шума газовой струи происходит на ограниченной длине, причем шум различных частот образуется на разных участках струи. Эту особенность используют для изменения характера шума или для его уменьшения в глушителях.

Другим способом воздействия на процесс шумообразовывания является применение преобразователей шума в виде сеток или перфорированных преград, устанавливаемых непосредственно за соплом. При определенных соотношениях размеров сетки, ее расположении по отношению к струе удается преобразовать низкочастотный шум в высокочастотный, заглушение которого достигается более легко.

Для высокотемпературных газовых струй такой способ пока не получил применения. Преобразователь в виде сетки или решетки должен находиться на близком расстоянии от сопла в ядре струи. Способа охлаждения этой части струи пока не найдено, а преобразователи в зоне высокой температуры разрушаются.

Более подходящим способом воздействия на процесс образования шума оказалась система эжектор -- перфорированный насадок.

Экспериментальным путем подобрано такое сочетание размеров эжектора и
насадка, при котором обеспечивалась необходимая эжекция воздуха для охлаждения струи на входе и одновременное снижение шума.

Теоретически процесс шумообразования в таких системах еще недостаточно изучен, поэтому для практического их применения в шумоглушащих устройствах используют зависимости, полученные экспериментальным путем. Размеры перфорированного насадка определяют из следующего соотношения: S = 0,016G, где S -- суммарная площадь отверстий насадка, м2; G -- расход газа через сопло, кг/с.

При температуре газовой струи свыше 9000К применяют впрыск воды в начале эжектора, Отверстия насадка способствуют хорошему испарению воды и уменьшению температуры до расчетной. Описанная система применена для ряда глушителей выхлопа испытательных боксов.

Глушители выхлопа повышенной эффективности.

Необходимость повышения эффективности глушителей выхлопа вызывается ростом рабочих температур и расхода газа у современных реактивных двигателей. Для создания высокоэффективного глушителя требуется увеличение его длины (или высоты), так как скорость газа в глушителе должна быть ограничена для получения расчетного заглушения.

Компромиссным решением явилось создание глушителя с увеличенным проходным сечением без существенного увеличения длины звукопоглощающих элементов по сравнению с существующими. Конструкция такого глушителя основана на принципе параллельного соединения низкочастотного глушителя (в виде шахт ограниченных размеров 3,5X3,5 м), облицованных по периметру толстым слоем звукопоглотителя обычных цилиндрических звукопоглотителей, pacположенные по всему сечению и выполняющих роль высокочастотного глушителя. Глушитель с параллельным расположением низкочастотных и высокочастотных звукопоглощающих элементов представляет собой вертикальную металлическую шахту, соединенную с эжекторной трубой. Нижняя часть шахты имеет цилиндрический цоколь с переходом на квадратное сечение. Колодцы образуются из крупных блоков, внутренняя сторона которых имеет защитную акустически прозрачную кассету и за которой размещается толстый cлой звукопоглотителя (например, из минераловых плит). Размер колодцев определяют в соответствии с необходимой пропускной способностью глушителя. Число колодцев может быть различным. Толщину звукопоглощающего слоя выбирают исходя из требуемого заглушения, она должна быть ?300.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9