Глава 1 – Базовые понятия теории лопаточных машин. Место лопаточных машин в современной промышленности
Понятие о ступени лопаточной машины
Понятие ступени является фундаментальным в теории лопаточных машин. Ступень состоит из одного рабочего колеса, а также некоторого числа дополнительных устройств, число, состав и расположение которых зависит от типа турбомашины.
Классификация лопаточных машин
Турбомашины могут быть классифицированы по нескольким признакам.
По принципу действия ЛМ подразделяют на машины – исполнители и машины – двигатели (см. раздел 1.1).
По числу ступеней лопаточные машины делятся на одно и многоступенчатые (рисунок 1.22 и 1.23). Число ступеней осевого компрессора современных ГТД может достигать значений 5...17. Число ступеней осевой турбины в ГТД достигает 7. В стационарных паровых турбинах это число может быть и больше
Наиболее часто используемой классификацией турбомашин является классификация по основному направлению движения рабочего тела. По этому признаку они делятся на осевые, центробежные, центростремительные и диагональные. Схема, иллюстрирующая различения лопаточных машин разных типов на примере турбин показана на рисунке 1.24.
| Рисунок 1.22 - Ступень осевой турбины | Рисунок 1.23 – Многоступенчатая осевая турбина |
Рисунок 1.24 – Типы лопаточных машин по направлению движения в них рабочего тела
В осевых ЛМ направление движения рабочего тела в меридиональной плоскости совпадает с направлением оси вращения РК или близко к нему. Линии тока в них располагаются на поверхностях близких к цилиндрическим, ось которых совпадает с осью ЛМ. Внешний вид осевых компрессора и турбины показан на рисунках 1.18 и 1.22.
Осевые турбомашины характеризуются повышенным КПД (до 0,9…...0,92 - самым большим по сравнению с другими типами), но умеренными степенями сжатия ( до 2...2,2) и расширения. Однако их газодинамическая эффективность существенно зависит от размера лопаточной машины. Осевые турбомашины при небольших расходах рабочего тела имеют маленькие высоты лопаток. Это приводит к увеличению влияния процессов, происходящих в погранслоях и радиальных зазорах, на течение в межлопаточных каналах и существенному снижению КПД. Поэтому с уменьшением расхода рабочего тела эффективность осевых турбомашин снижается и при расходах менее 5кг/с может проигрывать машинам других типов.
Важным достоинством осевых турбомашин является простота создания многоступенчатых конструкций из последовательно расположенных ступеней не сопровождающаяся существенным падением эффективности. Это позволяет получать большие суммарные степени сжатия и расширения с небольшими потерями.
| Рисунок 1.25 - Внешний вид рабочего колеса центробежного компрессора |
Главное достоинство центробежного компрессора по сравнению с осевым – возможность получать большие значения степени сжатия в одной ступени. Зачастую, она превышает величину 5…×××6, а в перспективных авиационных компрессорах может достигать 12. КПД ступени центробежного компрессора не превышает значение 0,85, что заметно меньше, чем в осевом. Величины КПД, близкие к указанной величине, характерны для компрессоров авиационных ГТД относительно большой производительности. Однако в отличие от осевых компрессоров, при уменьшении размерности компрессора по расходу и, как следствие, уменьшении высот лопаток, снижение КПД центробежных не столь значительно.
К числу достоинств ЦБК относятся также относительная простота конструкции, меньшее число деталей, более благоприятное протекание характеристики и меньшая чувствительность к условиям эксплуатации.
К недостаткам этого типа следует отнести и сложность организации многоступенчатого процесса сжатия без существенного снижения КПД, роста массы и диаметральных размеров.
В центростремительных ЛМ (рисунок 1.20) движение рабочего тела в меридиональной плоскости осуществляется также в направлении близком к перпендикулярному к оси вращения, но в направлении от периферии к центру. Центростремительными обычно выполняют только турбины.
КПД центростремительной турбины (достигает величины 0,88) превышает КПД центробежной машины, но не достигает величины эффективности осевых турбин. За счет движения рабочего тела против действия инерционных сил в центростремительных турбинах удается получить большую степень расширения, либо реализовать аналогичное расширение при меньшем уровне скоростей и, соответственно, потерь. В технологическом плане и по возможности организации многоступенчатого процесса центростремительные турбины аналогичны центробежным.
Диагональные турбомашины представляют собой тип промежуточный между осевыми и радиальными (центробежными и центростремительными). Их параметры находятся между параметрами лопаточных машин указанных типов.
Сравнение характеристик лопаточных машин разных типов приведены в таблице 1.1. Анализируя приведенные данные, не следует делать вывод, что тот или иной тип лопаточных машин плох или хорош. Сравнение следует проводить с учетом условий, в которых турбомашина будет эксплуатироваться. Например, наземные ГТУ и авиационные ГТД имеют относительно большее расход рабочего тела (измеряемый десятками килограмм в секунду) и степень сжатия (более 30). Очевидно, что для лопаточных машин таких изделий важными требованиями будут высокий КПД при больших расходах и возможность создания высокоэффективных и компактных многоступенчатых лопаточных машин, поскольку не один тип не позволяет получить требуемые параметры в одной ступени. Таким требованиям удовлетворяют только осевые турбомашины (таблица 1.2).
Таблица 1.1 – Сравнение разных типов лопаточных машин
Таблица 1.2 – К выбору типа лопаточной машины для ГТД самолета гражданской авиации
Для агрегата наддува ДВС характерны малый расход рабочего тела (до 1кг/с) и умеренные степени сжатия/ расширения (до 4, а у бензиновых двигателей еще меньше). Кроме того турбокомпрессор ДВС должен иметь простую конструкцию для удешевления массового производства автомобильных двигателей. Таким требованиям удовлетворяют центробежные и центростремительные машины. Они превосходят по КПД осевые машины в интересующем диапазоне расходов и позволяют получить требуемые степени сжатия в одной ступени (в отличие от осевых) (таблица 1.3).
Таблица 1.3 – К выбору типа лопаточной машины для агрегата наддува автомобильного двигателя
В ряде случаев в ГТУ с малыми расходами рабочего тела на расчетном режиме для повышения КПД компрессора могут применяться многоступенчатые осецентробежные компрессоры, представляющие собой комбинацию осевых и центробежных ступеней. При этом центробежная ступень всегда является замыкающей (рисунок 1.26). Она устанавливается вместо нескольких осевых, имеющих сверхмалые высоты рабочих лопаток, у которых особенно сильно сказывается влияние радиальных зазоров и вторичных течений.
Такие компрессоры, несмотря на некоторую потерю КПД (по сравнению с осевым компрессором той же степени сжатия), имеют значительно меньшие линейные размеры и массу.
1 – осевые ступени;
2 – центробежная ступень.
Рисунок 1.26 - Осецентробежный компрессор двигателя Honeywell T53
Области применения лопаточных машин
Как упоминалось ранее, турбомашины находят широчайшее применение в разных отраслях техники. На рисунке 1.27 приводится схема, показывающая наиболее характерные области применения лопаточных машин.
Ниже в данном разделе будут описаны место и роль турбомашин в некоторых отраслях.
А)
Б)
1 – входное устройство; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – турбина; 5 – сопло; 6 – приводная (свободная) турбина; 7 – выходное устройство.
Рисунок 1.31 – Принципиальные схема авиационного ГТД (а) и наземной ГТУ (б)
Входного устройства,выполненного в видедозвукового или сверхзвукового диффузора и предназначенного для предварительного сжатия рабочего тела, поступающего в двигатель и направления его в компрессор.
Компрессора,предназначенного для непрерывного сжатия поступающего рабочего тела до необходимого уровня степени повышения давления . Для осуществления сжатия к компрессору подводится извне механическая работа , в результате чего полное давление и полная температура рабочего тела возрастают, достигая на выходе и .
Камеры сгорания– устройства, в котором происходит непрерывное сгорания топлива (керосина) при в потоке сжатого рабочего тела, в результате чего к газу подводится потребное количество тепла , а температура возрастает до расчетного значения .
Турбины– предназначенной для выработки мощности, необходимой для привода компрессора. В наземных ГТУ часть мощности, выработанной турбиной, передается на выходной вал. В результате совершения в турбине рабочим телом работы его давление и температура уменьшаются, достигая на выходе значений и .
Реактивного соплапредназначенного для дальнейшего расширения сжатого и нагретого рабочего тела, в результате чего потенциальная энергия струи газа, покидающего турбину, превращается в кинетическую энергия струи и используется для создания тяги. В наземных ГТУ сопло служит для вывода выхлопных газов за пределы двигателя.
Как видно из приведенного выше анализа рабочего процесса газотурбинного двигателя лопаточные машины играют ключевую роль в его функционировании. Без сжатия в компрессоре не удастся создать повышенного давления, необходимого для работы сопла или приводной турбины наземной ГТУ. Работа компрессора в свою очередь не возможна без турбины.
Базовая терминология теории лопаточных машин
Для упорядочивания дальнейшего изложения материала при изучении рабочего процесса в разных типах турбомашин следует принять некоторые обозначения.
Понятие об элементарной ступени
Лопаточная машина любого типа представляет собой тело вращения. Если взять кольцевое сечение с произвольным радиусом ri, ось которого совпадает с осью турбомашины, пересечь им лопаточный венец, и полученную в сечении картину развернуть в плоскость (рисунок 1.43). Изображение, полученное таким образом, называется элементарной решеткой профилей. Контур лопатки, попавшей в цилиндрическое сечение, называется профилем. Элементарный венец представляет собой решетку профилей бесконечно малой высоты. Понятие элементарной решетки широко используется для описания взаимодействия лопатки с потоком.
Рисунок 1.43 – К понятию элементарной ступени лопаточной машины
Модели рабочего процесса в лопаточных машинах
Рабочий процесс в лопаточной машине является достаточно сложным. Поток рабочего тела нестационарен и имеет сложную пространственную структуру. Поэтому для упрощения анализа процессов, происходящих в турбомашинах, используются упрощенные модели.
Обычно поток считается установившимся и стационарным. То есть параметры потока в лопаточной машине считаются неизменными во времени.
А)
Б)
Рисунок 1.52 – Получение двухмерных моделей потока в радиальной турбине (а) и центробежном компрессоре (б) с помощью кольцевой и осевой секущей поверхностей
Рисунок 1.53 – Двухмерная модель потока во входной части РК центробежного компрессора (Двухмерная модель на выходе РК центростремительной турбины выглядит аналогично)
Рисунок 1.54 – Двухмерная модель потока в выходной части РК центробежного компрессора
Рисунок 1.55 – Двухмерная модель потока во входной части РК центростремительной турбины (Достаточно часто двухмерная модель потока в выходной части РК центробежного компрессора может выглядеть таким же образом)
Двухмерная модель потока позволяет рассмотреть взаимодействие лопаток и потока, а также построить треугольники скоростей.
Несмотря на то, что двухмерная модель ЛМ существенно расширяет представления о рабочем процессе в лопаточных венцах, существенным её недостатком является невозможность установления взаимодействия параметров отдельных элементарных ступеней на различных радиусах, из которых состоит действительная ступень. Эта задача решается с помощью трехмерной модели.