- •Введение
- •Термодинамические параметры состояния
- •2. Основные понятия и определения
- •Идеальный газ. Законы идеального газа
- •Закон Бойля – Мариотта
- •Закон Гей – Люссака
- •Закон Шарля
- •3. Уравнение состояния идеального газа
- •Закон Авогадро
- •Молярная масса
- •4. Уравнение менделеева – клапейрона
- •Уравнение состояния реальных газов
- •5. Газовые смеси
- •6. Первое начало термодинамики Теплота и работа
- •Принцип эквивалентности
- •7. Внутренняя энергия
- •Закон сохранения и превращения энергии
- •Формулировки первого начала термодинамики
- •Виды работ
- •Развернутое уравнение первого закона термодинамики и его частные выражения
- •Энтальпия
- •8. Теплоемкость газов
- •9. Анализ термодинамических процессов на основании I начала термодинамики Понятие об энтропии
- •Схемы распределения энергии
- •Изотермический процесс
- •Адиабатный процесс
- •10. Политропные процессы
- •Группы политропных процессов
- •Способы определения n
- •Связь между n и с
- •11. Второе начало термодинамики Односторонность протекания самопроизвольных процессов
- •Формулировки второго начала термодинамики
- •Выражение первого закона термодинамики для циклов
- •Термический коэффициент полезного действия прямого цикла
- •12. Цикл карно
- •Термодинамическая шкала температур
- •Математическое выражение второго закона термодинамики
- •Критика учения о «тепловой смерти вселенной»
- •13. Термодинамика потока газа. Основные понятия и уравнения гидрогазодинамики
- •Уравнение неразрывности
- •Уравнение энергии – уравнение первого закона термодинамики
- •Уравнение состояния идеального газа
- •Уравнение импульса
- •Располагаемая работа газа в потоке
- •Скорость звука и критические параметры
- •14. Скорость и расход газа при течении. Истечение из сужающихся сопел
- •Переход через скорость звука. Сопло Лаваля
- •После подстановки значения скорости потока в последнее уравнение получим .
- •Истечение при наличии трения
- •Дросселирование газа
- •15. Термодинамика химических процессов
- •Термохимические процессы
- •Первый закон термодинамики применительно к химическим процессам
- •Закон Гесса
- •Второй закон термодинамики
- •Тепловой закон Нернста
- •16. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
- •Цикл со смешанным подводом тепла
- •Цикл с подводом тепла при постоянном объеме
- •Цикл с подводом тепла при постоянном давлении
- •Сравнение циклов поршневых двс
- •Сравнение по условию .
- •Сравнение по условию
- •17. Циклы компрессоров
- •Многоступенчатые компрессоры
- •Центробежный компрессор
- •Осевой компрессор
- •18. Циклы газотурбинных установок
- •Регенеративные циклы
- •19. Циклы паросиловых установок
- •Цикл Карно для водяного пара
- •Цикл Ренкина
- •Цикл с промежуточным перегревом пара
- •Регенеративный цикл
- •Бинарные циклы
- •Цикл парогазовой установки
- •Теплофикационный цикл
- •20. Циклы холодильных установок
- •Цикл воздушной холодильной машины
- •Цикл парокомпрессорной холодильной машины
- •Цикл теплового насоса
- •Детандеры
- •21. Реактивные двигатели
- •Цикл ПуВрд
- •Цикл трд
- •22. Ракетные двигатели
- •Цикл рдтт
- •Цикл жрд
- •Цикл ярд
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Центробежный компрессор
Состоит из следующих основных частей: входного устройства 1, рабочего колеса 2, диффузора 3 и выходных патрубков 4.
Рис. 17.11. Центробежный компрессор
Входное устройство обеспечивает равномерный поток воздуха на входе и выполняется в виде суживающегося канала. Поэтому скорость воздуха во входном устройстве несколько возрастает, а давление падает. Рабочее колесо состоит из диска, насаженного на вал, вместе с которым оно приводится во вращение.
На диске рабочего колеса имеются радиальные лопатки, образующие расширяющие каналы, по которым под действием центробежных сил движется воздух. При вращении колеса, находящийся между лопатками, газ приходит во вращение и под действием центробежной силы выбрасывается в диффузор, где происходит преобразование его кинетической энергии в потенциальную энергию давления. При этом на входе в колесо образуется разрежение, вследствие чего новые порции газа непрерывно под давлением атмосферы поступают в нагнетатель.
Выражение I начала термодинамики для сжатия реального газа имеет вид: .
Отсюда работа на привод центробежного компрессора , при , и , , .
Современные центробежные авиационные компрессоры могут обеспечить сравнительно небольшой расход воздуха (mв= 4050 кг/с), поскольку увеличение расхода воздуха приводит к значительному увеличению центробежного компрессора, а следовательно, и веса, что дли авиационных двигателей является нецелесообразным.
По этим причинам в большинстве современных авиационных реактивных двигателей предпочитают применить осевые компрессоры.
Осевой компрессор
Состоит из входного устройства 1, рабочего колеса (ротора) 2, вращающегося вместе с валам, неподвижного спрямляющего аппарата 3, представляющего собой ряд лопаток, расположенных радиально между двумя обечайками и диффузора 4.
Рис. 17.12. Осевой компрессор
На входе в компрессор воздух имеет осевое направление скорости. На выходе из диффузора перед лопатками рабочего колеса первой ступени скорость имеет также осевое направление. На рабочие лопатки поток набегает с относительной скоростью , .
Конфигурация межлопаточного канала рабочего колеса такова, что площадь его сечения растет от входа к выходу и дозвуковой поток тормозится от скорости до ; причем геометрия облопачивания обеспечивает безударный вход потока на рабочие лопатки. На выходе из рабочего колеса скорость складывается из относительной скорости и окружной : .
После рабочего колеса воздух направляется со скоростью в спрямляющий аппарат, лопатки которого образуют также расширяющиеся каналы - –иффузоры и отклоняют поток воздуха в сторону, обратную вращению рабочего колеса. Геометрия спрямляющей решетки такова, что обеспечивается безударный вход потока на ее лопатки, а выходная скорость имеет осевое направление, замедляясь от скорости в диффузорном канале. При течении по межлопаточным каналам спрямляющего аппарата скорость воздуха уменьшается, а энтальпия, давление и температура возрастают.
Таким образом, течение воздуха через рабочее колесо и спрямляющий аппарат можно рассматривать как течение по системе диффузоров с увеличением абсолютной скорости, уменьшением относительной скорости в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости в спрямляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.
Степень повышения давления воздуха в одной ступени невелика при окружной скорости м/с, и поэтому в реактивных двигателях применяют многоступенчатые осевые компрессора с числом ступеней . Расход воздуха через осевой компрессор значительно больше, чем в центробежном и составляет кг/с.
Его применение при небольших расходах и достаточно высокой степени повышения давления неэффективно, т.к. лопатки последних ступеней получаются весьма короткими. В этом случае используют комбинированные компрессоры, в которых первые ступени - –севые, а последние - –ентробежный компрессор.
Изменение термодинамических параметров по тракту ступени осевого компрессора аналогично центробежному. В идеальном случае, когда течение воздуха по компрессору происходит без каких-либо потерь, изменение состояния воздуха происходит по адиабате . Происходит адиабатное сжатие газа, т.к. теплообменом со стенками, при скоростях движения газа в современных машинах, можно пренебречь по сравнению с энергией, которую несет в себе газ.
Но это сжатие не изоэнтропное, т.к. газ подогревается из-за трения, и на выходе имеет температуру , вместо для случая течения газа без трения.
Показатель политропы при сжатии с трением . Действительная затрачиваемая работа при наличии трения больше теоретической .
Рис. 17.13. TS-диаграмма
В результате потерь, обусловленных трением при течении воздуха по тракту компрессора, воздух в реальном компрессоре подогревается за счет тепла, эквивалентного работе гидравлических сопротивлений. Поэтому процесс сжатия протекает в сторону увеличения энтропии с (для осевых компрессоров на расчетном режиме , для центробежных ). Вследствие подвода тепла за счет трения увеличивается удельный объем воздуха и температура в конце сжатия. Это приводит к тому, что работа политропного сжатия воздуха при прочих равных условиях больше адиабатной работы па некоторую величину , т.е. , .
Их отношение называется адиабатическим к.п.д. , .
Соотношение между параметрами для теоретического и действительного процесса и .
Значит - учитывает потери энергии (затраченной работы), связанные с наличием только гидравлических потерь (внутренних потерь).
У существующих авиационных компрессоров величина на расчетном режиме для отдельных ступеней осевых компрессоров =0,860,90, для многоступенчатых осевых компрессоров , для центробежных одноступенчатых компрессоров .
Действительная работа
.
Рис. 17.14. Увеличение энтальпии газа
На рис. 17.14 увеличение энтальпии газа при сжатии с трением i2д - i1 эквивалентно пл. ba2дс. Площадь d22дс эквивалентна дополнительно затрачиваемой энергии на преодоление трения. Часть этой дополнительной энергии превращается в тепло и подогревает газ (площадь dl2дc), а часть теряется безвозвратно (площадь 122д).
Внутренняя работа компрессора lкi, подводимая к воздуху, всегда несколько меньше работы, затрачиваемой на привод компрессора, на величину механических потерь. Эти потери учитываются механическим коэффициентом полезного действия, под которым понимается отношение внутренней работы компрессора к эффективной (с учетом механических потерь): .
Для современных центробежных и осевых компрессоров .
Все потери энергии в компрессоре (как механические, так и внутренние) учитываются общим, или эффективным к.п.д. , под которым понимается отношение адиабатной работы компрессора к эффективной : .
Эффективность компрессоров нельзя оценивать значением обычного энергетического к.п.д., представляющего собой отношение энергии, приобретаемой газом, к энергии, затрачиваемой на проведение компрессорного процесса.
Например, энергетический к.п.д. процесса в применении к изотермическому процессу ( ) дает = 0. Однако, ранее было доказано, что из всех возможных типов компрессорных процессов наименьшей затраты энергий требует изотермический процесс. А отсюда оказывается крайне невыгодным.
Оценивать величину энергии, получаемой газом в компрессорном процессе, изменением его энтальпии не имеет смысла, т.к. при сохранении постоянства энтальпии способность газа производить работу возрастает.
Зная величину эффективного к.п.д. можно определить потребную мощность компрессора при заданном расходе воздуха и известной величине адиабатной работы: .
Величина мощности, потребляемой авиационными компрессорами, весьма велика и составляет примерно от 10000 до 45000 кВт и более.
Таблица 17.1
Некоторые показатели различных групп компрессоров
Тип компрессора |
Производительность, м3/мин |
Степень повышения давления |
К.п.д. |
|
Поршневые |
200 |
2-10000 |
0,75-0,85 |
|
Роторные |
3000 |
До 3-10 |
0,65-0,75 |
|
Лопастные: |
|
|||
Центробежные |
50-3000 |
15-20 |
0,75-0,85 |
|
Осевые |
300-10000 |
8-10 |
0,85-0,95 |
|
Струйные |
- |
4-5 |
0,15-0,45 |