Роль и место турбомашин в современной технике

Энергетические машины.

Курс лекций.

Роль и место турбомашин в современной технике

К лопаточным машинам относятся: турбина, компрессор, вентилятор, насос.

• Машины двигатели:
• Турбины -гидравлические, паровые, газовые.

• Машины исполнители:
• Компрессор, вентилятор, насос.

Турбина-это двигатель с вращательным движением ротора, с непрерывным рабочим процессом, в результате которого происходит превращение потенциальной энергии рабочего тела в механическую энергию на валу.

“достоинства” - Возможность получения широкого диапазона мощностей от 1 Вт до 2000 МВт - Возможность получить любой диапазон частот вращения ротора. - Малая удельная масса на единицу мощности. - “Простота” конструкции.

• “недостатки”
• Высокая технологичность изготовления
• Высокая культура эксплуатации

Элементы конструкции турбомашин

Рабочий венец - совокупность лопастей установленных в обойме ротора.

Направляющий аппарат – система неподвижных лопастей в компрессоре.

Сопловой аппарат – неподвижные лопатки в турбине

Ступень осевого компрессора (ОК) – это совокупность направляющего аппарата и рабочего колеса.

Ступень осевой турбины (ОТ) - это совокупность соплового аппарата и рабочего колеса.

Общие принципы работы лопаточных машин.

Для реализации процесса сжатия ступени ОК должно быть 2 системы лопастей:

неподвижных (НА)

и вращающихся (РК).

Лопатки ступеней ОК выполняются в виде слабоизогнутых лопастей установленных под некоторым углом к потоку. Т.к. в компрессоре подводится работа, то лопатки принудительно вращаются с окружной скоростью U. Поток в межлопаточном канале РК участвует в 2-х движениях : относительном (W относительно пера лопатки) и переносном (U). Тогда абсолютная скорость C равна:

Межлопаточные каналы (МЛК) выполняются диффузорными, что позволяет не смотря на увеличение абсолютной скорости (C1C2) из-за подвода работы в РК получить увеличение давления рабочего тела по относительной скорости (W2W1), т.к. канал диффузорный.

В НА межлопаточный канал также диффузорный. В нем тормозится поток по абсолютной скорости С, в результате чего растет давление и температура. В результате подвода работы рабочему колесу на поток действует сила R, составляющие которой Ru – отклоняет поток в сторону вращения и прямопропорциональна крутящему моменту, Ra- проталкивает рабочее тело в сторону большего давления.

Схема рабочего процесса в турбине.

Ступень ОТ состоит из неподвижных и вращающихся крыловидных, сильно изогнутых лопастей.

РК ступени ОТ вогнутой поверхностью (корытцем) воспринимает импульс силы газового потока, в следствии чего на лопатки действует аэродинамическая сила Р, составляющие которой Pu – участвует в создании крутящего момента на валу и Ра – переноса рабочего тела по тракту турбины. u частично компенсирует силу Ра в компрессоре.

Чем больше скорость рабочего тела на входе в рабочее колесо, тем больше импульс силы и соответственно крутящий момент, следовательно перед рабочим колесом необходимо установить ряд неподвижных лопаток (СА) с конфузорным МЛК, который позволит преобразовать потенциальную энергию потока в кинетическую. С1С0 следовательно РТ, в рабочем колесе (т.к. отводится работа) С2С1 следовательно РТ. Рабочие колеса проектируют так что W2 W1.

Основные допущения при изучении течения рабочего тела в лопаточной машине.

В МЛК выделим элементарный объем на который действует со стороны лопатки сила F. Данный элементарный объем движется вдоль линии тока S

Схема течения рабочего тела в МЛК и система координат.

Со скоростью Сi является функцией 4-х переменных в соответствии с системой координат Сi = f (r;u;a;t) Рассмотрим условия равновесия данной частицы находящиейся в поле действия объемных сил включающих силу F. Обозначим проекцией объемных сил через R,U,A, тогда уравнение движения частицы будет описано уравнением Эйлера.

Уравнение Эйлера

Плоскость m называется меридиональной

Плоскость u – плоскость вращения. Плоскость а – осевая плоскость.

Одномерная модель течения рабочего тела в лопаточной машине.

Математической моделью называется схема рабочего процесса, которой соответствует системы координат и уравнений описывающих данный рабочий процесс.

Одномерная модель – это простейшая модель представленная в форме, которая ограничена 2-мя телами вращения ( ротором и статором), через кольцевое сечение которой переносится рабочее тело со скоростью Сi и расходом Gi.

Параметры рабочего процесса определяются в конкретных сечениях, которые могут быть расположены дискретно (это могут быть сечения на входе и на выходе). Значения параметров в выбранных сечениях соответствует их усредненным значениям.

Недостаток одномерной модели: не дает картины взаимодействия пера лопатки и рабочего тела, но очень просто получить потребные площади проходных сечений.