Назначение схемы и области применения лопаточных машин. Основные параметры, характеризующие работу ЛМ. Основное уравнение турбомашин. Уравнение Эйлера для турбомашин. Схема и принцип действия ступени осевого компрессора. Характеристика ступени осевой турбины

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет

им. Н.Е. Жуковского

кафедра 201

Конспект лекций по курсу

«Теория и расчет лопаточных машин»

Лектор: проф., д.т.н. Бойко Л.Г

Харьков 2003
ЛЕКЦИЯ №1

Назначение схемы и области применения ЛМ.

Лопаточная машина (ЛМ) – устройство, в проточной части которого осуществляется подвод или отвод энергии к рабочему телу или от него, с помощью специально спрофилированных поверхностей неподвижных и вращающихся, которые мы называем лопаточными машинами.

	Рис. 1

Во входном устройстве (ВУ) происходит предварительное повышение давления потока за счет скоростного потока, затем поток поступает в компрессор. Потоку передается механическая энергия с помощью лопаточных венцов. Подвод энергии осуществляется во вращающихся лопаточных венцах (рабочих колесах).

В камере сгорания (КС) происходит впрыск топлива и его сгорание. В сечении Г рабочее тело – продукты сгорания.

В турбине осуществляется отвод энергии от потока. часть отведенной энергии передается компрессору через вал, оставшаяся часть энергии переходит в кинетическую энергию и расходуется на выходе из сопла и определяет тягу.

P = m(C_C – C_H).

Требования к ЛМ:

1.  Осуществление процесса с высокими КПД;

2.  Минимальный вес;

3.  Благоприятное протекание характеристик;

4.  Надежность.

Классификация схем компрессоров и турбин.

Осевые;                                              Радиальные;                               Диагональные.

	Рис. 2

Применение.

Доавиационный период:

·  ветряные мельницы;

·  гидротурбины;

·  паровые турбины;

·  вентиляторы–воздуходувки (шахтные вентиляторные установки и системы, подача воздуха в домны);

Авиационный период:

·  гребной винт;

·  наддув к поршневым ДВС;

·  турбореактивные двигатели:

-  1–е поколение (45–50гг.) ТРД и ТВД – одновальные с осевым или центробежным компрессором  неохлаждаемые турбины

-  2-е поколение (50–60гг.) ТРД и ТВД –  одно-двухвальные, как правило, с осевым компрессором  неохлаждаемая турбина

-  3-е поколение (60–70гг.) ТРД –  конвективное охлаждение лопаток на турбине ; ТРДД –

-  4-е поколение (70–80гг.) – в компрессоре применяются поворотные лопатки    конвективное пленочное охлаждение лопаток турбины, появляются трехвальные схемы.

-  5-е поколение (наше время)  до 60,

ЛЕКЦИЯ №2

Основные параметры, характеризующие работу ЛМ

I – Компрессор

1)   – степень повышения полного давления;

2)   – коэффициент полезного действия;

3)   – удельная работа ;

4)   – мощность ;

5)   – удельный расход воздуха;

II – Турбина

1)   – степень понижения полного давления;

2)   – КПД;

3)   – удельная работа ;

4)   – мощность ;

5)   – удельный расход газа;

6)   – температура газа перед турбиной.

Математические модели, используемые при расчете ЛМ

Реальное течение в ЛМ весьма сложное, имеет пространственный характер, нестационарное (изменяется с течением времени), в потоке имеются пульсации параметров (вызвано турбулентностью потока при входе в двигатель). В ТРД возможно возникновение такого явления как помпаж, когда происходит так называемая "закупорка" проточной части компрессора. Также не мало важную роль играет вязкость течения, что способствует образованию пограничных слоев, а, следовательно, потере скоростей, потере энергии, снижению КПД. Существенное влияние вносит и сжимаемость газового потока: при < 0,5 газ считается несжимаемым, а при > 0,7~1,0 течение и его свойства уже меняются скачкообразно, т. е. появляются скачки уплотнения.

Таким образом, при расчетах возникает потребность в разных математических моделях, которые имеют различный уровень сложности. Начинать построение математической модели необходимо с выявления основных физических свойств.

Существуют три общепринятых подхода к решению данной задачи. Один из сложнейших (используется на завершающей стадии проектирования при доводке ЛМ) – это трехмерная задача, когда проточный канал разбивается трехмерной сеткой, и в каждом узле рассчитываются все параметры потока.

 Следующий метод – меридиональный, который рассматривается как совокупность 2-х двумерных задач. В первом случае предполагается, что поток не изменяется в меридиональном направлении. Тогда расчет параметров производят вдоль оси проточной части канала (ось z) и по высоте лопатки (т. е. вдоль радиуса R). Во втором случае сеткой разбивают меридиональное сечение межлопаточного канала.

 И, наконец, одномерная задача – все параметры определяют по усредненной высоте лопаток.

Основные уравнения, описывающие течения в ЛМ

Уравнение расхода (неразрывности, сплошности, закона сохранения массы)

Примем, что течение стационарно, и все параметры потока осреднены по высоте лопатки.

Закон сохранения массы утверждает, что количество рабочего тела, прошедшего через проточную часть без отбора, остается неизменным.

,

	Рис. 3

 

где  и  осевые составляющие скорости.

Уравнение расхода в форме Христиановича

,

где  m=constant=0.0404 – для воздуха,

0,0396 – для продуктов сгорания,