Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Доклад'
В городе Нижний Тагил разработана и действует муниципальная целевая программа «Комплексное благоустройство города Нижний Тагил на 2006-2010 годы», кот...полностью>>
'Программа курса'
В течение всего учебного года школьники готовятся к проведению конференции, которое и будет зачтено им в качестве экзамена. В процессе подготовки они...полностью>>
'Документ'
Верите ли в Бога всемогущего и доброго? В жизнь после смерти? В рай и ад? В существование добрых и злых духов? Верите ли в Иисуса Христа как Бога и Че...полностью>>
'Документ'
1.1. Государственная система документационного обеспечения управления (ГСДОУ) - совокупность принципов и правил, устанавливающих единые требования к ...полностью>>

Конспект лекций часть 1 Основы теории и рабочего процесса Учебное пособие

Главная > Конспект
Сохрани ссылку в одной из сетей:

67


ЛИТЕРАТУРА по теоретической части
  1. К.В Холщевников. Теория и расчёт авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1970. 610 с.

  2. Ю.А. Ржавин, О.Н.Емин, В.Н.Карасев. Лопаточные машины двигателей летательных аппаратов. МАИ-ПРИНТ, 2008, 697 с.

  3. Ю.Н Нечаев, Р.М Фёдоров. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Учебник для вузов. Ч.1. М.: 1977. 312 с.

  4. Н.Н. Быков Программированное учебное пособие по теории рабочего процесса авиационных лопаточных машин. М.:МАИ, 1980, 86 с.

  5. Н.Н. Быков Программированное учебное пособие по характеристикам и регулированию авиационных лопаточных машин. М.:МАИ, 1981, 68 с.

  6. А.А. Митрофанов. Теория и расчет лопаточных машин ВРД, рукопись 2003, ч.1,2,3.

Московский государственный авиационный институт

(технический университет)

КАФЕДРА 201

Дисциплина

«Теория и расчет лопаточных машин врд»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Часть 1

Основы теории и рабочего процесса

Учебное пособие

Составил доцент кафедры 201

Митрофанов А.А.

Москва-2003

В основу данного учебного пособия положены материалы курса лекций, поставленного в Московском государственном авиационном институте (МАИ) профессором К.В.Холщевниковым, составляющие основу учебника [1] того же автора. Некоторые изменения в содержание и построение второго издания [2] внесены в связи с тем, что в течение периода, прошедшего со времени выхода учебника [1] (1970г.) изменилась трактовка некоторых понятий и методы решения ряда задач. Получено много новых данных по математическому описанию процессов, происходящих в турбомашинах, широкое распространение получили персональные ЭВМ, что позволило существенно расширить применение при проектировании компрессоров и турбин математических моделей, учитывающих такие эффекты, как сжимаемость и вязкость газа, а также пространственный характер течения в полостях турбомашин.

Учебное пособие предназначено для студентов факультета двигателей летательных аппаратов и энергетических установок МАИ. Оно дополняет материалы, изложенные в [8], [9] и вместе с ними отражает содержание курса лекций по дисциплине «Теория и расчёт авиационных лопаточных машин».

Учебное пособие состоит из трёх частей:

Часть 1 – Основы теории и рабочего процесса.

Часть 2 – Основы теории и газодинамическое проектирование авиационных компрессоров и турбин.

Часть 3 – Характеристики и регулирование авиационных компрессоров и турбин.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………… 5
1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, СХЕМЫ, ПАРАМЕТРЫ ТУРБОМАШИН………………………………………………………… 8
1.1 Назначение турбомашин в различных газотурбинных установках………………………………………………………………… 8
1.2. Классификация турбомашин………………………………………………. 9
1.3 Схемы и основные параметры турбомашин, подводящих энергию к газу. (Компрессоры)…………………………………………. …………………10
1.4 Лопаточные машины, отводящие энергию от газа. (Турбины)………….14
2. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ТУРБОМАШИН…………………………… 17
2.1.Основные допущения и упрощения, применяемые в теории
турбомашин………………………………………………………………….17
2.2. Влияние вида движения на параметры потока………………………… 22

2.3. Расчетные модели турбомашин……………………………………… 23

2.4. Уравнение расхода.,……………………………………………………… 27
2.5. Уравнение энергии…………………………………………………………28
2.5.1.Уравнение энергии в тепловой форме………………………………… 28

2.5.2. Уравнение энергии в механической форме (обобщённое

уравнение Бернулли)……………………………………………………..29

2.5.3. Уравнение энергии для рабочего колеса турбомашины

с учётом потерь вне контрольного пространства…………………… 30

2.5.4. Уравнение энергии для ступени турбомашины …………………….. 31

2.6. Уравнение момента, мощности и удельной работы для рабочего

колеса турбомашин…………………………………. ……………………32

2.6.1 Уравнение Эйлера в 1-й форме………………………………………….32

2.6.2 Учёт влияния радиального зазора на удельную работу

рабочего колеса ………………………………………………………… 37

2.6.3 Частные случаи записи уравнения момента, мощности и удельной работы………………………………………………………………… 38

3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТУРБОМАШИНАХ
И ИХ ИЗОБРАЖЕНИЕ В P-V, T-S И i-s диаграммах………………43

3.1 Компрессор….……………………………………………………………43

3.1.1 Изображение процесса сжатия в компрессоре
в P-V диаграмме...………………………………………………………43
3.1.2 Изображение процесса сжатия в компрессоре
в T-S диаграмме………………………………………………………. 46
3.1.3 Изображение процесса сжатия в компрессоре
в I-S диаграмме………………………………………………………… 49

3.2 Турбина…………………………………………………. ………………. 50

3.2.1 Процесс расширения в турбине в P-Vдиаграмме …………. ……… 50
3.2.2 Процесс расширения в турбине в T-S диаграмме………………… 52
3.2.3 Изображение процесса расширения в турбине в i-S диаграмме…… 53

4. КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЛОПАТОЧНЫХ

машин……………………………………………………………………56

4.1. Коэффициенты полезного действия компрессоров…………………. 56
4.2. Коэффициенты полезного действия турбин………………………… 58
4.3 Связь КПД многоступенчатой лопаточной машины и её отдельных
ступеней……………..………………………………………………… 60

4.3.1 Компрессор ………………………………………………………… 60

4.3.2 Турбина ...………………………………………………………………62

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………… 63

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина "Теория и расчет турбомашин транспортных и стационарных ГТУ" изучает рабочий процесс, характеристики и регулирование турбомашин различного назначения. Эти агрегаты являются основными элементами энергетических установок, являющихся силовым двигателем для транспортных систем (самолетов, вертолетов, наземных транспортных средств гражданского и военного применения) и главным узлом газотурбинных установок энергетического машиностроения (тепловых электростанций, газоперекачивающих станций автономного функционирования и т.д.).

Столь широкий спектр применения турбомашин не позволяет иметь единую методику проектирования этих агрегатов, т.к. требования к ним, в частности, связанные с условиями эксплуатации различны. Поэтому при общности рабочего процесса, типов и схем турбомашин специфика применения диктует ряд различий в вопросах газодинамического проектирования и конструктивного воплощения машин разного назначения.

Например, для авиационных двигателей важнейшими требованиями являются:

  1. минимальные габариты и масса,

  2. высокая надежность конструкции,

  3. широкий диапазон рабочих режимов,

  4. высокая эффективность преобразования энергии (КПД), что непосредственно связано с дальностью полета.

Нетрудно заметить, что эти естественные требования в принципе противоречивы. Так, для повышения надежности работы обычно увеличивают толщину стенок элементов конструкции, в частности лопаток, составляющих основу ступеней турбомашин, а это приводит, с одной стороны к повышению массы двигателя, с другой - к снижению КПД и т.д. Для стационарных газотурбинных установок главным является требование высокой эффективности при длительной работоспособности, а такие параметры как масса агрегата интересуют разработчиков с точки зрения металлоёмкости, возможности транспортировки узлов и монтажа.

Приведенные примеры показывают, что подход к выбору схем и параметров элементов турбомашин должен быть во многом различным.

ТУРБОМАШИНАМИ называют такие машины, в которых подвод энергии к рабочему телу (жидкости, газу) или отвод энергии от рабочего тела осуществляется в результате взаимодействия потока рабочего тела с деталями специальной формы расположенными на ободе колеса, называемыми лопатками. Поэтому ТУРБОМАШИНЫ часто называют ЛОПАТОЧНЫМИ МАШИНАМИ.

Предметом изучения в рассматриваемой дисциплине являются турбомашины, в которых рабочим телом является газ. Как известно, газ изменяет объём при изменении давления, поэтому турбомашины, в которых энергия подводится к газу называются КОМПРЕССОРАМИ, а те, в которых энергия отводится от газа принято называть ГАЗОВЫМИ ТУРБИНАМИ.

В основу данного пособия положены материалы курса лекций, читавшегося в Московском государственном авиационном институте (МАИ) профессором К.В.Холщевниковым, составляющие основу учебника [1] того же автора. Некоторые изменения в содержание и построение второго издания [2] внесены в связи с тем, что в течение периода, прошедшего со времени выхода учебника [1] (1970г.) изменилась трактовка некоторых понятий и методы решения ряда задач. Получено много новых данных по математическому описанию процессов, происходящих в турбомашинах, широкое распространение получили персональные ЭВМ, что позволило существенно расширить применение при проектировании компрессоров и турбин математических моделей, учитывающих такие эффекты, как сжимаемость и вязкость газа, а также пространственный характер течения в полостях турбомашин.

Значительные успехи в области исследования рабочего процесса и разработке методов расчета турбомашин были достигнуты не только за рубежом, но и отечественными учеными, конструкторами и коллективами таких организаций, как ЦИАМ, ЦАГИ, конструкторских бюро "Союз", "Сатурн", КБ им.В.Климова, РКБМ и др., учебных заведений - МАИ, ХАИ, СПбГТУ, МГТУ им.. Э.Баумана, ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского и др. Эти материалы нашли отражение в учебниках [2],[3],[4],[5] и др., а также в многочисленных монографиях, статьях и учебных пособиях.

В последние годы появилась практика конверсионного внедрения достижений и разработок, выполненных в одной из отраслей, в смежные отрасли, что требует освещения этих вопросов в учебных курсах, предназначенных для подготовки специалистов в профильных ВУЗ-ах, в частности в МАИ.

Указанными причинами, главным образом, продиктована необходимость издания данного учебного пособия.

1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, СХЕМЫ, ПАРАМЕТРЫ ТУРБОМАШИН
1.1 Назначение турбомашин в различных газотурбинных установках. 

Будем рассматривать только тот круг применения турбомашин (компрессоров и турбин), когда они работают совместно в едином агрегате. Это позволит оставить за пределами объёма изучения случаи изолированного применения как компрессоров, так и турбин в качестве самостоятельных машин, например компрессорных машин с приводом от электродвигателя, турбин, вращающих электрогенераторы и т.д.

В этом случае целесообразно вспомнить термодинамический цикл тепловой машины со сгоранием при постоянном давлении. На рис.1.1. представлен идеализированный цикл и схема турбореактивного двигателя.

Рис.1.1.

Термодинамические процессы в таких машинах происходят последовательно в разных элементах. Рабочее тело (обычно это воздух) засасывается компрессором. В компрессоре давление повышается за счет подвода энергии к воздуху от вращающихся лопаток. Энергия, затраченная на повышение давления от Рв до Рк в P,V-координатах отображается площадью в-Рвк-к, т.е. слева от линии сжатия в-к.. Далее воздух подается в камеру сгорания, где при постоянном давлении подводится тепло за счет химической реакции горения топлива, при этом удельный объём (V) увеличивается и в точке Г начинается процесс расширения газа, который идет по политропе до точки Т с давлением Рт, причем количество энергии, отведенное от газа, отображаемое площадью Г-Т-Ртг, примерно равно энергии, подведенной воздуху в компрессоре. Процесс расширения продолжается в реактивном сопле до точки с, соответствующей давлению Рс, равному давлению на входе в компрессор. Незаштрихованная площадь внутри диаграммы отображает свободную энергию цикла, которая в ТРД выражается в виде тяги.

На рис.1.2 показаны цикл и схема турбовального двигателя вертолета или газотурбинной установки, вращающей ротор электрогенератора. Здесь свободная энергия используется в виде мощности на валу так называемой свободной турбины, т.е. турбины механически не связанной с ротором турбокомпрессорной части установки.

Рис.1.2.

Существует весьма обширный спектр схем ГТУ, основой которых является турбокомпрессор, часто состоящий из нескольких роторов. Однако в любой схеме ГТУ назначение турбомашин аналогичное.

1.2. Классификация турбомашин

Турбомашины различают по ряду признаков принципиального и частного характера. Так, исходя из ранее приведенного определения, турбомашины делятся на подводящие энергию к газу и отводящие энергию. К первым относятся компрессоры, насосы, ко вторым - турбины.

И те и другие имеют единые признаки и соответственно названия в зависимости от направления потока по расходной составляющей скорости:

а) осевые; б) радиальные; в) диагональные; г)комбинированные.

От уровня скорости в проточной части:

а) дозвуковые; б)сверхзвуковые; в) трансзвуковые.

По числу ступеней:

а) одноступенчатые; б) многоступенчатые.

По величине некоторых параметров характеризующих особенности рабочего процесса, в частности, при степени реактивности равной нулю ступень называется "активная", если степень реактивности не равна нулю - "реактивная". По количеству роторов: одно-двух-трёхвальные. В свою очередь компрессоры могут быть одно-двухкаскадные, комбинированные; турбины - с охлаждаемыми и неохлаждаемыми лопатками рабочих колес, биротативные, парциальные и с полным подводом газа к рабочему колесу и т.д.

Ряд названий компрессоров и турбин связан с другими частными признаками, о чем будет говориться в соответствующих разделах курса.

1.3 Схемы и основные параметры турбомашин, подводящих энергию к газу. (Компрессоры)

Компрессоры характеризуются следующими параметрами:

pк* - степень повышения полного давления ;

uk - окружная скорость на периферии лопатки ;

hк*- полезный эффект (коэффициент полезного действия);

В зависимости от величины степени повышения давления лопаточные машины, подводящие энергию к газу разделяют [3] на:

- вентиляторы, если pк* £ 1,15 (в двухконтурных ТРД вентилятором называют компрессор низкого давления. У него pк* может быть больше 1.15);

- компрессоры, если pк* более 1,15;

1.3.1 ОСЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

а) Одноступенчатый осевой компрессор. Ступень осевого компрессора состоит из ряда лопаток рабочего колеса (вращающийся лопаточный венец) и ряда лопаток направляющего аппарата (неподвижный лопаточный венец)-на выходе из компрессора. Этот лопаточный венец называют спрямляющим аппаратом, т.к. по техническим условиям поток из компрессора должен иметь осевое направление такой состав имеет обычно сверхзвуковая ступень (Рис.1.3).

Рис.1.3. Рис.1.4.

В дозвуковом одноступенчатом компрессоре перед рабочим колесом обычно устанавливают дополнительный лопаточный венец, называемый "входным" направляющим аппаратом (ВНА) (Рис.1.4.).

Примерные значения основных параметров одноступенчатых компрессоров приведены в таблице 1.

Таблица 1

pк*

uk

hк*

Дозвуковая ступень

1.2-1,5

300-360

0,88-0,92

Сверхзвуковая

1,5-2,1

420-470

0,82-0,85

Трансзвуковая

1,4-1,7

360-420

0,85-0,87

Достоинства осевых одноступенчатых компрессоров:

-высокий уровень КПД,

-высокая производительность при малых лобовых габаритах,

-простота компоновки в многоступенчатую схему.

недостатки:

-большое число деталей сложной формы,

-относительно узкий диапазон рабочих режимов,

-высокая чувствительность к попаданию посторонних предметов.

б) Многоступенчатые осевые компрессоры.

Простота компоновки осевых ступеней в многоступенчатую схему обусловило широкое распространение осевых многоступенчатых компрессоров в различных газотурбинных и иных установок.

Число ступеней диктуется заданной величиной степени повышения давления. Значение pкS* получают перемножением pкi* в каждой ступени. Многоступенчатым компрессорам присущи достоинства и недостатки одноступенчатых, причем основным недостатком является большое число деталей сложной формы (лопаток). Улучшение характеристик получают применением двухкаскадных схем и средств регулирования.

1.3.2 РАДИАЛЬНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

В радиальных компрессорах газ выходит из рабочего колеса от центра в радиальном направлении, поэтому их называют центробежными (ЦБК). Одна из схем, применяемых в авиационных ГТД приведена на рис.1.5.

Рис.1.5.

Видно, что в ступени центробежного компрессора больше составных частей и поток при движении по колесу изменяет направление.

Однако разница окружных скоростей между входом и выходом из колес позволяет получать большие значения pк* одной ступени ЦБК, чем в осевой ступени компрессора. Так, при U к=450-500 м/с можно получить pк* = 5-6.

Поскольку скорость газа на выходе из рабочего колеса очень большая приходится за ним ставить несколько ярусов устройств-диффузоров для того, чтобы снизить кинетическую энергию и преобразовать её в давление. Наличие большого количества элементов не позволяет получать высокие значения КПД в ступени ЦБК. Кроме того, этот компрессор уступает осевому по параметру лобовой производительности.

НЕДОСТАТКОМ центробежного компрессора является трудность компоновки многоступенчатых схем. В этом случае его эффективность резко снижается. В стационарных и наземных установках этот недостаток в значительной степени парируется постановкой промежуточных газоохладителей.

1.3.3 ДИАГОНАЛЬНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Этот тип ступени компрессора занимает по параметрам промежуточное положение между осевой и центробежной.

Схема диагональной ступени компрессора представлена на рис.1.6. Чаще всего такие ступени променяют в сочетании с другими типами, о чём будет сказано ниже.

Рис.1.6

1.3.4 КОМБИНИРОВАННЫЕ КОМПРЕССОРЫ

В ряде случаев недостатки и достоинства разных типов ступеней компрессоров можно снивелировать применяя их в разных комбинациях. На рис.1.7 показана схема осецентробежного компрессора, в которой центробежная ступень выполняет роль так называемой дожимной ступени.

Рис.1.7.

Такие решения дают положительные результаты в тех случаях когда, например, в осевом компрессоре при не больших расходах газа и высокой степени повышения давления лопатки последних ступеней становятся соизмеримы с величиной радиального зазора между торцами лопаток и корпусом. КПД компрессора резко снижается и замена нескольких осевых ступеней одной центробежной, при наличии резерва лобового габарита, позволяет повысить суммарный КПД компрессора и уменьшить число лопаток в нём. Такие схемы широко применяются в вертолётных ГТД, а также получают распространение в маршевых авиационных ТВД и ТРДД.

Известны примеры применения этих компрессоров в системах получения сжиженного газа и других промышленных установках

1.4 Лопаточные машины, отводящие энергию от газа. (Турбины).

Рабочий процесс в турбине характеризуется следующими параметрами:

pт* - степень расширения;

Uт ср - окружная скорость на среднем диаметре;

hт* - коэффициент полезного действия;

Тг* - температура газа перед турбиной.

1.4.1 ОСЕВЫЕ ТУРБИНЫ

а) Одноступенчатые осевые турбины.

Ступень осевой турбины состоит из неподвижного ряда лопаток (соплового аппарата) и рабочего колеса (вращающийся лопаточный венец). Схема ступени турбины представлена на рис.1.8.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Конспект лекций по дисциплине «основы менеджмента»

    Конспект
    Наличие членов группы, которые намеренно работают вместе, чтобы достичь значимой для всех цели. Соединив в одну эти важные характеристики, мы получаем важное определение:
  2. Конспект лекций по дисциплине «Экономическая теория»

    Конспект
    Задачи и цели микроэкономики. Роль микроэкономики в условиях рыночной экономики. Подходы к трактованию рынка. Признаки рынка. Объекты и субъекты рынка.
  3. Конспект лекций по курсу «основы конструирования, моделирования и проектирования производственных процессов» (4-редакция, исправленная и дополненная)

    Конспект
    Наблюдение, анализ и моделирование являются средствами познания и прогнозирования процессов, явлений и ситуаций во всех сферах объективной действительности.
  4. Международная Книга предлагает Вашему вниманию очередной каталог книжных новинок по образованию, педагогике; учебных пособий

    Книга
    MK10-18773-ut Авдонкин В.С. ПРАВООХРАНИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНЫ В СХЕМАХ С КОММЕНТАРИЯМИ: УЧЕБ. ПОСОБИЕ. 5-Е ИЗД., ПЕРЕРАБ. И ДОП., Обл., 288 стр., 2010 год, 978-5-699-35853-3, М, издательство ЭКСМО.
  5. Е. А. Подольская управление социальными процессами издательство нуа народная украинская академия е. А. Подольская управление социальными процессами учебное пособие

    Учебное пособие
    «Управление социальными процессами» – комплексный курс, интегрирующий философские, исторические, социологические и психологические подходы к анализу общества как социальной системы.

Другие похожие документы..