ВОЕННО-ВОЗДУШНАЯ АКАДЕМИЯ
Имени профессора н.Е. Жуковского и ю.А. Гагарина
кафедра АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (№ 34)
(полное наименование кафедры)
УТВЕРЖДАЮ
Начальник кафедры № 34
полковник М. Немичев
« » 2010 г.
дисциплина:
ТЕОРИЯ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
(полное наименование дисциплины)
СПЕЦИАЛЬНОСТЬ Эксплуатация самолетов, вертолетов и авиационных двигателей.
КАФЕДРАЛЬНЫЙ ТЕКСТ ЛЕКЦИИ
РАЗДЕЛ 1. Параметры и характеристики элементов авиационных силовых установок
Тема № 7. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ газовЫ турбины.
Тема № 8. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВЫХ ТУРБИН
(номер и полное наименование темы)
Лекция № 15._ ТЕМА №7. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ газовЫЕ турбины. ТЕМА №8. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВЫХ ТУРБИН
(номер и наименование темы лекции)
Обсуждено на заседании ПМК
«____»_______________2010 г.
протокол № ___
г. Москва
УЧЕБНЫЕ И ВОСПИТАТЕЛЬНЫЕ ЦЕЛИ:
1. Указать основные параметры многоступенчатой турбины и определить связь их с параметрами её ступеней.
2. Рассмотреть возможные формы проточной части многоступенчатых турбин и типичный характер распределения работы расширения газа между ступнями.
3. Рассказать о методах получения и способах представления характеристик газовых турбин.
Время: 2 часа
ПЛАН ЛЕКЦИИ:
|
Вводная часть |
2 мин. |
1. |
Основные параметры многоступенчатой турбины и их связь с параметрами её ступеней |
40 мин
|
2. |
Формы проточной части и распределение работы газа между ступнями турбины |
20 мин
|
3. |
Методы получения и способы представления характеристик газовых турбин |
25 мин |
|
Заключительная часть |
3 мин. |
УЧЕБНО-МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ:
Наглядные пособия __плакаты по рис. 7.1 и рис. 7.3 из учебника.
Литература:
Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М., Котовский В.Н., Полев А.С. Теория авиационных двигателей, часть 1. ВВИА, 2006г., стр. 193-204.
1. Основные параметры многоступенчатой турбины и их связь с параметрами её ступеней
Для современных ГТД работа, которую можно получить на валу одной ступени турбины, значительно меньше, чем требуется для вращения компрессора и других потребителей мощности. Поэтому в них обычно применяются многоступенчатые турбины. При этом ступени турбины могут быть разделены на группы (каскады), расположенные друг за другом или соединенные переходными каналами. Число таких групп (каскадов) в турбореактивных двигателях равно числу каскадов в их компрессорах, например, турбина высокого давления (ТВД), приводящая во вращение компрессор высокого давления (КВД), и турбина низкого давления (ТНД), вращающая компрессор низкого давления (КНД). В двигателях других типов отдельная ступень или группа ступеней может быть выделена в так называемую свободную турбину (СТ), не связанную механически с компрессором и отдающую свою мощность на привод тянущего или несущего винта и т.п.
На рис. 7.1 приведена схема трехступенчатой турбины ГТД, а на рис. 7.2 показан процесс расширения газа в такой турбине. Турбина состоит из ряда последовательно расположенных ступеней, каждая из которых имеет сопловой аппарат и рабочее колесо. Здесь г – сечение на входе в турбину; т – сечение на выходе из нее;2I 2II, 2III – сечения на выходе соответственно из первой, второй и третьей ступеней. Процесс расширения газа в такой турбине состоит из последовательного (ступенчатого) понижения давления в первой, второй и т. д. ступенях.
Рис.
7.2. Процесс расширения газа в трехступенчатой
турбине в p,
v-
координатах
Степень понижения давления в турбинеопределяется по статическому давлению на выходеили по полному давлению . Очевидно, аналогично многоступенчатому компрессору во втором случае
, (7.1)
где степени понижения полного давления в первой, второй и т.д. ступенях, аz число ступеней.
Работа на валу турбиныравна сумме работ ступеней
. (7.2)
Располагаемый теплоперепад (адиабатная работа расширения) для многоступенчатой турбины определяется таким же образом, как и для ступени, т.е.
,
где , а теплоемкость газазависит от его состава и температуры.
Аналогично (в параметрах заторможенного потока)
.
Как и в многоступенчатом компрессоре, адиабатная работа расширения газа в турбине в целом не равна сумме адиабатных работ расширения газа в ее ступенях. Вследствие того, что температура (и энтальпия) газа на входе во вторую, третью и т.д. ступени в реальном процессе вследствие выделения теплоты трения оказываются (при данной степени понижения давления) выше, чем в идеальном (см. рис. 7.2), адиабатная работа расширения газа в каждой из них соответственно повышается. Поэтому сумма адиабатных работ (располагаемых теплоперепадов) во всех ступенях оказывается больше, чем адиабатная работа расширения газа в турбине в целом на величину, эквивалентную заштрихованной на рис. 7.2 площади. Этот эффект принято называтьвозвратом теплотыв многоступенчатой турбине.
Такой же результат дает и анализ процесса расширения газа в параметрах заторможенного потока
,
или
, (7.3)
где коэффициент >0 называетсякоэффициентом возврата теплоты.
Коэффициенты полезного действия турбины:
адиабатный; (7.4)
мощностной(7.5)
в параметрах заторможенного потока
. (7.6)
Средний коэффициент нагрузки ступеней турбины
, (7.7)
где окружная скорость на среднем радиусе рабочего колесаi– той ступени.
Рассмотрим далее связь между КПД турбины и КПД ее ступеней . Согласно определению КПД ступени в параметрах заторможенного потока равен. Тогда в соответствии с формулой (7.2)
.
Следовательно, согласно формуле (7.6) КПД турбины в целом равен
. (7.8)
Если КПД всех ступеней одинаков, т.е.
,
то
.
Но согласно (7.3) .
Следовательно, . (7.9)
Таким образом, вследствие наличия возврата теплоты КПД многоступенчатой турбины оказывается в 1+ раз выше, чем среднее значение КПД ее ступеней.
Обычно = 0,01...0,02, т. е. КПД турбины превышает КПД ее ступеней на 1…2%.
С точки зрения оценки условий работы элементов, расположенных за турбиной, важное значение имеют также число М (число ) потока за турбиной и направление этого потока (уголна выходе из последней ступени турбины, который будет далее обозначаться символом). В авиационных ГТД за турбиной обычно располагается кок, прикрывающий диск последней ступени турбины и образующий (вместе с внутренней поверхностью камеры смешения, форсажной камеры или выходного устройства) расширяющийся канал («затурбинный диффузор»), потери в котором существенно возрастают с увеличением скорости (числа М) потока, выходящего из турбины, и с отклонением значения углаот 90о. Это связано с тем, что вследствие вязкости газа кинетическая энергия, связанная с окружной составляющей скорости потока за турбиной, теряется, переходя в тепловую. Поэтому на расчетном режиме отклонение угла от 90о не должно превышать 8…10 о.