- •36. Классификация турбомашин по направлению передачи энергии, по преимущественному направлению потока. Преимущества и недостатки различных типов турбомашин.
- •37. Классификация осевых турбомашин по форме меридионального сечения проточной части, преимущества и недостатки различных схем проточной части.
- •39. Классификация турбомашин по скорости обтекания профилей (истечения из межлопаточных каналов). Краткая характеристика указанных видов турбомашин.
- •40. Классификация турбомашин по числу валов. Обоснование необходимости применения многовальных турбомашин.
- •41. Основные показатели работы и параметры турбомашин. Требования, предъявляемые к компрессорам и турбинам.
- •42. Основные геометрические параметры проточной части, ограничения и перспективы развития параметров проточных частей.
- •43. Геометрические параметры профиля, краткий анализ и характерные значения.
- •44. Геометрические параметры решетки профилей и лопаток. Краткий анализ.
- •47. Активный и реактивный принцип работы ступени турбомашины. Кинематическая степень реактивности. Термодинамическая степень реактивности.
- •48. Распределение параметров потока по длине ступени в активных и реактивных ступенях.
- •49. Основы расчета ступени турбомашин с использованием степени реактивности. Входная и выходная закрутка потока.
- •50. Анализ влияния кинематической степени реактивности на планы скоростей ступени осевого компрессора.
- •51. Анализ влияния кинематической степени реактивности на планы скоростей ступени осевой турбины.
- •5 2. Атакоустойчивость профиля и решетки профилей компрессоров и турбин. Характеристика компрессора по потерям (кпд). Факторы, определяющие атакоустойчивость.
- •54. Особенности характеристик центробежных компрессоров с различной формой лопаток.
- •55. Обобщенные и универсальные характеристики компрессора. Приведение параметров компрессора к стандартным атмосферным условиям. Возможные погрешности формул приведения.
- •56. Газодинамические основы рассогласования работы первых и последних ступеней компрессора (ступени и сети) на нерасчетных режимах работы.
- •59. Вращающийся срыв в компрессорах, надроторные устройства.
- •60. Изменение расхода воздуха через компрессор по частоте вращения. Регулирование компрессора с помощью перепуска воздуха.
- •61. Регулирование компрессора с помощью поворотных направляющих аппаратов.
- •62. Регулирование компрессора, 2-х и более вальная схема компрессора, изменение скольжения роторов при изменении частоты вращения.
- •63. Короткие, средние и длинные лопатки. Профилирование длинных лопаток по высоте, законы профилирования. Основные положения и уравнения для расчета планов скоростей по высоте.
- •64. Профилирование по закону постоянной циркуляции и закону постоянного угла выхода из соплового аппарата, сравнение с законом постоянной реактивности.
- •65. Профилирование по закону постоянной реактивности (твердого тела), сравнение с законом постоянной циркуляции.
- •66. Общая номенклатура потерь в решетках турбомашин, краткая характеристика видов потерь и их зависимость от основных режимных и геометрических параметров.
- •67. Дополнительные потери в турбомашинах: от нестационарности, в зазорах, на трение о диски, на охлаждение, с выходной скоростью.
- •68. Кпд турбомашин: адиабатный по параметрам торможения, адиабатный по статическим параметрам за турбиной/ступенью (мощностной), политропный.
- •69. Зависимость адиабатного и мощностного кпд от отношения u/c.
- •70. Оптимальные планы скоростей в активно-реактивной одноступенчатой турбине при переменной степени реактивности. Управление отношением u/c.
- •71. Распределение работы, кпд, осевой скорости и степени реактивности по ступеням многоступенчатых компрессоров.
- •73. Предел реализуемой в ступени турбины и отдельных лопаточных решетках работы (см. Вопрос 32). Влияние предела расширительной способности косого среза и запирания каналов по расходу.
- •74. Многоступенчатые турбины, турбины со ступенями скорости и ступеням и давления.
51. Анализ влияния кинематической степени реактивности на планы скоростей ступени осевой турбины.
8.2.1. «Активная» ступень (ρт = 0)
В такой элементарной ступени турбины весь теплоперепад срабатывается в СА ступени, т. е. в нем происходит понижение давления, равное понижению давления во всей ступени. Давление в осевом зазоре в этом случае равно давлению за ступенью и в РК изменения давления не происходит . Пренебрегая потерями в РК (а следовательно, и различием между ρтs и ρт.д) принимаем, что в нем не происходит и изменения скорости, т. е. (рис. 8.8, а).
В случае существования закрутки за ступенью, например, против направления вращения (рис.8.8,б) и с1и = 2u + с2u, откуда c1u — с2и = 2и, действительно, ρт = 1—(с1и—с2и)/(2и)=0. В этом случае Δси>2и и коэффициент теоретической работы Lu=Δси/u>2.0.
Характерной особенностью такой активной ступени является равенство углов что при и равенстве скоростей w1 = w2 однозначно определяется в соответствии с выражением (8.7) и планом скоростей (см. рис. 8.8). Поэтому теоретические профили решётки РК имеют характерную форму — они симметричны.
Типичный профиль решётки РК активной турбинной ступени приведён на рис. 8.9. В случае решётки активного типа при обычно применяют межлопаточный канал постоянной ширины и кривизны
План скоростей активной ступени с осевым выходом (т. е. без закрутки потока за ступенью: с2и = 0; с2 = с2а, а2 = 90°) показан на рис. 8.8, а. У этой ступени условия w2 = w1 и w2u = w1u определяют, что с1и = 2и и, следовательно, ρт = 1 — (с1и — с2и)/(2и) = 0, а коэффициент теоретической работы Lu = Δси/и = 2,0.
Таким образом, уже здесь возможно сделать важный вывод, который будет повторяться и в дальнейшем, о том, что введение закрутки потока за ступенью турбины против направления вращения, т. е. когда а2 < 90° или с2и > 0, увеличивает коэффициент теоретической работы. При заданном значении окружной скорости (определяемом, например, конструктивными соображениями) это будет соответствовать и получению большей теоретической работы.
Сопоставление планов скоростей (см. рис. 8.8, а и б) указывает, что реализация закрутки за ступенью (при неизменных значениях и и са) приводит к возрастанию угла поворота потока в РК , выходной скорости с2 и чисел М в проточной части. Однако, как будет показано далее, это может обусловить снижение КПД самой ступени, а закрутка за ступенью точнее за последней ступенью турбины, ухудшает работу затурбинных устройств. Поэтому закрутки за последней ступенью обычно избегают или применяют пониженную величину с2и.
Существенная закрутка потока в осевом зазоре турбины (значение аг — мало, а с1а — велико) приводит к значительному возрастанию давления в осевом зазоре от корня (от внутреннего диаметра) к периферии (к наружному диаметру ступени), хотя существуют способы уменьшения градиента давления по высоте проточной части.
При этом обычно и степень реактивности в отдельных элементарных ступенях существенно возрастает по радиусу проточной части от втулки к периферии.
Поэтому элементарные ступени с ρт 0 могут применяться только в корневых сечениях проточной части турбины с относительно длинными лопатками, так как в настоящее время избегают отрицательных степеней реактивности, при которых в СА происходит перерасширение, а затем в РК повышение давления. Происходящее при этом торможение потока в относительном движении (w2<w1) приводит к повышенным потерям, и КПД таких ступеней получается пониженным. Кроме того, течение в межлопаточных каналах решётки РК активной ступени осуществляется при высоком уровне скоростей (w2 немногим меньше, чем w1), а это также приводит к увеличению потерь и снижению КПД.
У турбины с относительно короткими лопатками (в частности, при Dср/hл1 > 20), которые используются, например, в ТНА ЖРД открытых схем, изменение степени реактивности по радиусу проточной части столь незначительно, что условно можно считать их «активными» во всех сечениях проточной части.
Турбины ГТД с относительно длинными лопатками, у которых степень реактивности существенно изменяется по радиусу, являются турбинами с переменной по радиусу степенью реактивности. Однако обычно степенью реактивности полной ступени называют степень реактивности ее элементарной ступени на расчётном среднем радиусе (диаметре) проточной части. Такие ступени с ρт.ср > 0 называют «реактивными» ступенями, хотя в корневых сечениях этих ступеней ρт.корн может быть и равно нулю. Изменение степени реактивности по радиусу проточной части зависит от закона профилирования лопатки по высоте проточной части.
Достоинства ρт = 0 (активной турбины)
Активная турбина имеет и ряд достоинств. Равенство p1=р2 приводит к уменьшению перетекания в радиальном зазоре, отсутствию или снижению осевого усилия на диск РК. Однако главным преимуществом активной турбины является возможность получения высокого КПД при малых окружных скоростях.
8.2.2. Ступень с ρт = 0,5
В такой ступени половина общей работы расширения приходится на СА, а половина — на РК.
треугольники скоростей такой ступени симметричны (рис. 8.11).
скорость за СА равна скорости за РК (с1=w2),
скорость на входе в РК равна скорости на входе в СА: w1 = с0 = с2.
В случае наличия закрутки за ступенью против направления вращения (а2 < 90°) из плана скоростей следует (см. рис. 8.11, а) с1u — c2u = u и ρт = 1 — (с1и — с2и)/(2и) = 0,5.
Коэффициент теоретической работы такой ступени:
У ступени с ρт = 0,5 без закрутки на выходе (а2 = 90°, с2и = 0), как следует из рис. 8.11, б, с1и=и=Δси и Lu = 1,0. Это подтверждает ранее сделанный вывод о том, что введение закрутки за ступенью против направления вращения увеличивает коэффициент теоретической работы, что при определённом значении окружной скорости означает также увеличение теоретической работы.
рис 8.11. Планы скоростей ступени с рТ = 0,5:а) с закруткой на выходе против направления вращения, б) без закрутки на выходе (с осевым выходом)
Сопоставление ступеней с рт = 0 и рт = 0,5 показывает, что при одинаковых условиях (например, при а2 = 90°, т. е. при с2и = 0 когда нет закрутки за ступенью), у ступени с пониженной степенью реактивности величина работы получается больше . Это делает в некоторых случаях целесообразным выбор пониженных значений степени реактивности, но так, чтобы у корня она была еще положительной.
Поэтому ступени турбины с рт = 0,5 могут применяться в элементарных ступенях, находящихся на среднем радиусе ступени и выше. Для очень длинных лопаток (Dср/hл = 5 ... 3) может оказаться целесообразным выбирать рт.ср = 0,5 на среднем радиусе, чтобы не получить у корня отрицательной степени реактивности. Для лопаток с умеренной относительной длиной (Dср/hл = 10 ... 5) обычно достаточно иметь на среднем радиусе рт. ср = 0,25 ... 0,35. Поэтому элементарные ступени со степенью реактивности рт = 0,5 располагаются между средним и периферийным сечениями лопатки.
8.2.3. Ступень с Рт = 1,0
В такой ступени вся работа расширения приходится на РК, т. е. в нем происходит понижение давления, равное понижению давления во всей ступени (πРК = p1/p2 равно πт = p0/p2). Пренебрегая потерями в СА полагают, что в нем не происходит и изменение скорости, т. е. с1 = с2(0), и так как с1и = с2и то
Однако си > 0 и Lu > 0, такая ступень турбины совершает некоторую работу при закрутке на выходе против вращения (с2а > 0) (рис. 8.13, а).
Ступень с ρт = 1,0 может рассматриваться как промежуточная ступень многоступенчатой турбины. В СА такой ступени выходная скорость предыдущей ступени с2(i-1) = с0i меняет своё направление без изменения величины и становится скоростью с1 для рассматриваемой ступени.
Такие элементарные ступени турбины в авиационных ГТД не встречаются даже в периферийных сечениях относительно длинных лопаток. Как правило, даже в этих сечениях степень реактивности не превышает значений ρт.пер = 0,6 ... 0,7. Ступени со степенью реактивности ρт = 1,0 встречаются в турбинах специальных схем, некоторые из которых находят практическое применение. В частности, отметим, что ступень с ρт = 1,0 без закрутки на выходе, т. е. с1u = c2u = 0, имеет Δси = 0, а следовательно, Lu = 0, . Это так называемый случай «вырождения» турбины, рабочая решётка которой вырождается в решётку прямых пластин. На режиме с нулевым углом атаки (при w2 = w1) Δwu = 0, и решётка не осуществляет силового взаимодействия с потоком, а развиваемый ступенью момент и мощность также равны нулю (рис. 8.13, б).
б)
Рис. 8.13. Планы скоростей ступени с ρт = 1,0:
а — с закруткой на выходе против направления вращения; б — без закрутки на выходе — случай «вырождения» ступени (пунктир — треугольник скоростей ветряка)
Таким образом, ступень с ρт = 1,0, но с с2и = 0 (без закрутки на выходе), имеет , что подтверждает сделанный ранее вывод о том, что увеличение степени реактивности, при прочих равных условиях, снижает коэффициент теоретической работы ступени турбины.