Принцип действия турбомашин

до требуемого уровня степени повышения давления за счет постоянного подвода механической энергии к потоку рабочего тела

осевые и центробежные

Элементы ступени осевого компрессора

Одноступенчатый центробежный компрессор

Многоступенчатый осевой компрессор

Современный компрессор должен:
Иметь высокий КПД
Работать в течении требуемого ресурса
Иметь малые размеры и вес
Быть технологичным и удобным в эксплуатации
Иметь широкий диапазон устойчивой работы

(увеличение давления)
- Изменение кинетической энергии в РК
- Преодоление гидравлических потерь в проточной части РК

В рабочем колесе компрессора подводится механическая работа:

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОМПРЕССОРА

Уравнение Бернулли

 

Куда должна направиться большая часть энергии?

 

 

 

торможения потока в относительном движении

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОМПРЕССОРА

Что необходимо сделать для того, чтобы давление в РК увеличилось?

Уравнение энергии в механической форме в относительном движении

 

 

 

Как из этого сделать компрессор?

в механической форме в относительном движении

Вариант 1

Вариант 2

Окружная скорость в компрессоре должна увеличиваться: u2 > u1
Поток должен покидать компрессор на большем радиусе, чем входил: r2 > r1

в относительном движении

Вариант 1

Вариант 2

Для получения диффузорной формы межлопаточного канала, угол потока на входе должен быть меньше угла на выходе: β2 > β1

Больший угол (β2)

Меньший угол (β1)

Скорость в относительном движении должна уменьшаться: w1 > w2
Канал между лопатками должен расширяться (диффузорный)

работы

Рабочая лопатка ориентируется по вектору w

Рабочая лопатка ориентируется по вектору с

Уравнение Бернулли для РК
В рабочем колесе растет абсолютная скорость с2 > с1
Значительная часть механической энергии переходит в кинетическую
Увеличение давления -недостаточно

Затормозить поток за рабочим колесом в направляющем аппарате

Как увеличить давление?

 

движению потока

Сила Ru подводит работу к потоку

Сила Rа проталкивает рабочее тело через компрессор

Рабочее колесо компрессора выполняет следующие функции:
Подводит работу к потоку
Проталкивает рабочее тело
Увеличивает давление

Уравнение количества энергии

 

 

тела увеличивается
Осевая скорость меняется мало
Осевая площадь уменьшается к выходу
Высота лопатки уменьшается к выходу

 

потока в межлопаточных каналах ротора (w1 > w2)

С

С

W

P

P

Статическое давление увеличивается из-за торможения потока в межлопаточных каналах РК и НА

Абсолютная скорость в НА падает из-за торможения потока в межлопаточных каналах статора(с2 > с3)

Абсолютная скорость в РК растет из-за подвода механической работы (c2 > c1)

подводится

В НА полное давление не меняется (незначительно снижается из-за потерь)

 

 

ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ В СТУПЕНИ КОМПРЕССОРА

Т

Т

Т*

Т*

P*

P*

 

 

 

Уравнение энергии в механической форме:

Уравнения энергии для НА:

 

 

 

в компрессоре растет давление

Баланс энергии в ступени компрессора

 

 

КПД компрессора:

ПОТЕРИ В РАДИАЛЬНОМ ЗАЗОРЕ

ДИСКОВЫЕ ПОТЕРИ

ИЗОЭНТРОПИЧЕСКИЙ
НАПОР, L*стs

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

НАПОР НА РАБОЧЕМ КОЛЕСЕ, Lu

ЗАТРАЧЕННЫЙ НАПОР, Lк

ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

ЛОПАТКИ

ПОТОК

ПОТЕРИ НА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ
ОБЪЕМНОЕ СЖАТИЕ

 

 

энергии от сжатого и нагретого газа и преобразование ее в механическую энергию вращения ротора

Для функционирования турбины необходимо создать разность давления между входом и выходом
Расширение газа характеризуется степенью расширения газа:

По заторможенным параметрам

По статическим
параметрам

 

 

36,5МВт (это эквивалентно мощности 25 самолетов «Спитфайр»)
Каждая лопатка ТВД ТРДД Trent 500 производит 700 л.с., что соответствует мощности двигателя болида Формулы 1
Температура газа, обтекающего лопатку на 700 градусов превышает температуру плавления материала
Температура лопатки турбины такова, что обычный чайник вскипел бы за 0,05сек
На взлетном режиме на лопатки ТВД действует сила - 60000g

= 25×

=

P=60000g

ступени осевой турбины

Многокаскадная

углов – межлопаточный канал расширяется
Газ ускоряется в относительном движении w2> w1
Ускорение сопровождается снижением статического давления

Ускорение газа в роторе

давление больше, чем на спинке

U

РОТОР

(1)

(2)

W1

W2

Β1

Линия тока

+

+

+

+

-

-

-

-

-

PU

P

Pa

 

На лопатку действует результирующая газовая сила P

Окружная составляющая газовой силы Pu создает крутящий момент на валу турбины, и заставляет ее вращаться

Производится механическая работа:

Β2

турбины (с22/2) – потери с выходной скоростью
Это энергия которая не была отобрана турбиной от потока
Эти потери нельзя устранить, но можно уменьшить

Влияние инерционных сил на процесс

u1> u2 – Центростремительная турбина

u1= u2 – Осевая турбина

 

 

она превращается в механическую, за счет поворота потока.

Для увеличения работы турбины необходимо создать закрутку потока и увеличить кинетическую энергию потока на входе в РК

 

УСКОРЕНИЕ И ПОВОРОТ ПОТОКА ВЫПОЛНЯЕТ СОПЛОВОЙ АППАРАТ

сужается (конфузорный)
Газ ускоряется в абсолютном движении с1 > с0
Ускорение сопровождается снижением статического давления

Процесс в сопловом аппарате:

Сопловой аппарат ускоряет поток и создает предварительную закрутку на входе в ротор для увеличения работы, отбираемой в РК

турбине уменьшается
Осевая скорость меняется мало
Осевая площадь увеличивается к выходу
Высота лопатки увеличивается к выходу

 

канала статора (с1 > с0)

С

С

W

P

P

Статическое давление снижается из-за ускорения потока в межлопаточных каналах РК и СА

Поток в абсолютном движении в РК тормозится из-за отбора энергии от потока (с1> с2)

Поток в относительном движении в РК ускоряется из-за конфузорного (сужающегося) межлопаточного канала ротора (w2> w1)

форме:

 

В СА работа
не производится

 

 

 

Уравнения энергии для СА:

В РК работа
отбирается

 

Для СА:

Для РК:

 

ПОТЕРИ

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

ЭФФЕКТИВНАЯ РАБОТА ТУРБИНЫ, Lе

ВНУТРЕННЯЯ РАБОТА, Lт

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ
ПОТЕРИ

ВОЗВРАЩЕННОЕ
ТЕПЛО

РАБОТА НА РАБОЧЕМ КОЛЕСЕ, Lu

РАСПОЛАГАЕМАЯ РАБОТА ТУРБИНЫ, Lтs

ПОТОК

ЛОПАТКИ

ПОТРЕБИТЕЛЬ

РАБОТА НА ВЫХОДНОМ ВАЛУ

Баланс энергии в ступени турбины

в турбинах ГТД

 

 

и профилей лопаток в нескольких сечениях по радиусу, которые обеспечат требуемую в техническом задании мощность или степень повышения давления, при заданных параметрах потока на входе с минимальными габаритными размерами, массой, стоимостью, высокой эффективностью и надежностью в течение ресурса

ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЕТ ТУРБОМАШИНЫ

Исходные данные для расчета

Принимаются по результатам термодинамического расчета ГТД и выбираются для достижения высокой эффективности
Группы исходных данных:
Параметры потока на входе и работа (р0(1)*, Т0(1)*, Gi, n, Lт) - (НЕ ИЗМЕННЫЕ)
Параметры процесса турбины (L/u2, ca/u, ρст и др.) - (ВАРЬИРУЕМЫЕ)
Свойства рабочего тела (k, R, cp) - (НЕ ИЗМЕННЫЕ)

Т0(1)*, Gi, n, Lт)
Свойства рабочего тела (k, R, cp)

Допущения, используемые в разделе

Нужно найти

форму меридионального сечения
профили лопаток в нескольких контрольных сечениях вдоль лопатки
значения основных параметров потока (p, T, ρ, c, w, α, β и т.п.) в контрольных сечениях
КПД ступени

лопатки не охлаждаются
теплообмен между лопатками и потоком не учитывается
свойства рабочего тела считается постоянным
средний диаметр РК не меняется
осевая скорость в ступени неизменна

и газодинамических функций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОБЩИЕ ДЛЯ ОБОИХ ТИПОВ ТУРБОМАШИН

σ зависит от потерь в венце
Потери рассчитываются с помощью модели потерь
Для турбины в первом приближении можно использовать диаграмму

Зависимость для определения σ

Расчет давлений и плотностей

Расчет осевых площадей

 

 

 

 

 

 

 

 

быть меньше угла на входе
Окружная скорость - не более 550м/с (прочность)
Раскрытие проточной части γ - не более 15°
Значения приведенных скоростей - не более 1,1
Высота лопаток - более 15мм

КОМПРЕССОР

ТУРБИНА

Угол входа потока должен быть меньше угла на выходе
Угол поворота потока в венце - не более 30°
Угол входа потока в решетку - более 25°
Значения приведенных скоростей - не более 1,1
Высота лопаток - более 15мм