Уравнение сохранения энергии для компрессора гтд

1. Уравнения энергии узлов ГТД

У-е сохранения энергии:

Сечение 1-1: ; Сечение 2-2 : .

– полная энергия

у-е Менделеева-Клапейрона

у-е Майера

От сечения 1-1 к 2-2:

Где с_v-удельная теплоемкость, с_p— удельная теплоемкостьпри постоянном давлении, T- абсолютная температура, V- удельный объем, с- абсолютная скорость.

Полная энергия газового потока на выходе из рассматриваемого узла (сечение 2-2) больше(меньше) полной энергии на входе на величину, сообщенной(отведенной) энергии между рассматриваемыми сечениями.

Подведенная(отведенная) в виде Q или L энергия изм на увеличение(уменьшение) кинетической и потенциальной энергии газового потока.

Характерные сечения : Н-Н – невозмущенный поток воздуха. В-В – выход воздуха из СВУ(ВУ). К-К – выход воздуха из компрессора. Г-Г – выход из ОКС двигателя. Т-Т – выход из газовой турбины .С-С – выход из реактивного сопла.

У-е сохранения энергии для ВУ:

Кин. энергия входящего потока преобразуется в потенц. энергию потока газа

У-е сохранения энергии для компрессора:

Подведенная энергия расходуется для повышения потенц. энергии

У-е сохранения энергии для ОКС:

Подведенная энергия расходуется для повышения потенц. энергии

У-е сохранения энергии для газовой турбины:

Потенц. энергия газового потока преобразуется в механическую работу на валу турбины.

У-е сохранения энергии для реактивного сопла:

Потенц. энергия перепада давлений преобразуется в кин. энергию вытекающей струи газа

7. Принцип работы Сверхзвукового входного устройства.

Изменение скорости и давления в скачках уплотнения СВУ.

Из данного рисунка следует, что в первом и втором косых скачках уплотнения скорость воздушного потока скачкообразно возрастает. После замык-го прямого скачка устанавливается дозвуковая скорость течения. Для повышения устойчивости работы воздухозаборника канал его профилируют как сопло Лаваля, т.е. вначале сужающимся а затем расширяющимся. Площадь наименьшего сечения(горла) делают равной критической.

10) Принцип работы ступени осевого компрессора

К рабочему колесу воздух подходит с абсолютной скоростью С. Лопатки рабочего колеса перемещаются с окружной скоростью V, скорость воздуха относительно лопаток W равна геометрической разности скоростей С и U. На расчетном режиме вектор W образует с направлением передних кромок лопаток небольшой угол атаки α. Лопатки рабочего колеса спрофилированы так. что между двумя соседними лопатками образуются криволинейные диффузорные канал . Направление относительной скорости W на выходе из рабочего колеса совпадает с направлением задних кромок лопаток. Вследствие диффузорности межлопаточных каналов относительная скорость воздуха в рабочем колесе уменьшается, а статическое давление и температура возрастают (рис 2.1). Величина и направление абсолютной скорости , на выходе из рабочего колеса определяются в результате геометрического сложения скоростей , и U. Со скоростью , воздух поступает в направляющий аппарат.

В направляющем аппарате направления потока на входе и на выходе из ступени примерно совпадают. В диффузорных межлопаточных каналах направляющего аппарата за счет снижения скорости воздуха происходит дальнейшее повышение его давления и температуры. Подвода энергии к воздуху в направляющем аппарате нет. поэтому полное давление (при отсутствии потерь) остаётся неизменным.

11) Неустойчивая работа осевого компрессора
При отклонении режима работы компрессора от расчетного картина течения воздуха в межлопаточных каналах нарушается. Рассмотрим, к чему это приводит.
При расчетной частоте вращения и расчётном расходе воздуха степень повышения давления и углы атаки на лопатках рабочих колес также имеют расчётные значения (рис. 4.1).

Если при той же частоте вращения с помощью дроссельной заслонки увеличивать расход воздуха, то режим работы компрессора на его характеристике будет смещаться вниз по напорной кривой, удаляясь от границы помпажа.

Углы атаки на лопатках рабочих колёс будут уменьшаться и могут даже стать, отрицательными (рис. 4.2). При этом на корытцах лопаток образуются вихревые срывы потока. Под действием сил инерции вихри прижимаются к лопаткам и не распространяются по потоку. Однако степень повышения давления и КПД компрессора при этом уменьшаются вследствие затрат энергии на образование вихрей..
Если же при расчётной частоте вращения с помощью заслонки уменьшить расход воздуха по сравнению с расчётным, то режим работы компрессора будет смещаться по напорной кривой к границе устойчивой работы. Углы атаки на лопатках рабочих колёс увеличиваются (рис. 4.3) и на спинках лопаток образуются вихревые срывы потока Под действием сил инерции вихри отрываются от лопаток, загромождают межлопаточные каналы и могут вызвать неустойчивую работу компрессора. Аналогичная картина имеет место и в спрямляющих аппаратах компрессора.
Из-за наличия погрешностей изготовления и установки лопаток срывы потока возникают не на всех лопатках одновременно. Потерн энергии на образование вихрей приводят к снижению давления в зоне срыва. Поэтому воздух, сжатый нормально работающими лопатками, через зоны срыва прорывается навстречу основному потоку. Это вызывает растекание воздуха в сторону от зоны срыва (рис. 4.4). В результате углы атаки на лопатках, расположенных на рисунке выше зоны срыва, увеличиваются и срыв распространяется на эти лопатки. На лопатках, расположенных на рисунке ниже зоны срыва, углы атаки уменьшаются и срывы прекращаются. Поэтому возникшие срывные зоны в рабочем колесе или в направляющем аппарате будут перемещаться в окружном направлении. Такое явление называется вращающимся срывом.

До определённого расхода воздуха компрессор может работать устойчиво даже при наличии развитого срыва в какой-либо ступени. Однако вращающийся срыв может вызвать опасные колебания лопаток, поэтому работа на таких режимах нежелательна.

Дальнейшее уменьшение расхода воздуха приводит к тому, что напорная кривая на характеристике компрессора достигает границы помпажа. Таким образом, количественное изменение расхода воздуха через компрессор приводит к качественному изменению режима его работы.

Механизм этого процесса следующий. Уменьшение расхода воздуха увеличивает срывные явления в ступени, где они возникли. Усиливающиеся обратные течения воздуха через зоны срыва дросселируют предыдущий лопаточный вевец. Осевые скорости воздуха в нем уменьшаются, углы атаки на лопатках растут, и срыв возникает в этом венце. Из-за наличия обратных течений через зоны срыва расход воздуха через последующий лопаточный венец тоже уменьшается. Поэтому уменьшаются осевые скорости, растут углы атаки и возникают срывы потока на лопатках последующего лопаточного венца. В результате за доли секунды срыв распространяется на все ступени компрессора.

Из-за наличия развитых срывов происходит перетекание воздуха через срывные зоны на вход в компрессор. Расход воздуха через камеру сгорания и перетекание воздуха на вход в компрессор приводят к снижению давления за компрессором. Сопротивление течению воздуха через компрессор уменьшается, и расход воздуха увеличивается. Углы атаки на лопатках при этом уменьшаются, и срывы исчезают. Давление за компрессором начинает увеличиваться. Вследствие роста давления за компрессором сопротивление течению воздуха возрастет, осевые скорости воздуха уменьшаются, углы атаки возрастают, и опять возникают интенсивные срывы, распространяющиеся на весь компрессор. Рассмотренные выше явления повторяются. Такой автоколебательный процесс, сопровождающийся сильными пульсациями давления в расхода воздуха, носит название помпажа компрессора.

В рассмотренном случае помнаж возникает при знач!ггельном уменьшении расхода воздуха через компрессор и постоянной частоте вращения ротора. Однако в газотурбинном двигателе с постоянной геометрией проточного тракта невозможно изменить расход воздуха через компрессор, не изменив частоту вращения ротора.

Вопрос 17. Способы форсирования ГТД: их сущность.

Уравнение сохранения энергии для компрессора гтд

1/Р уд ф и изменение * T г не влияет на g т S , это приводит к уменьшению удельного расхода топлива С уд ф .
Поскольку в ТРДДФ увеличение * T г при прочих равных условиях повышает давление газа только в затурбинном тракте внутреннего контура, то в ТРДДФ эффект влияния * T г на Р уд ф и С уд ф проявляется в меньшей степени, чем в ТРДФ (см. рис. 9).

5. Литература

Нечаев Ю.Н., Фёдоров Р.М. Теория авиационных ГТД. —М.: Машиностроение, 1977. Ч. I — 312 с.; 1978. Ч. II — 336 с.

Теория газотурбинных двигателей

Книга может оказаться полезной при изучении принципа работы, конструкции и эксплуатации газотурбинных авиационных двигателей.

Оглавление

• Входные устройства
• Компрессор

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Теория газотурбинных двигателей предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Теория ступени компрессора ГТД

Компрессор газотурбинного двигателя служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания.

Применение компрессора в ГТД позволяет получить нужный расход воздуха, обеспечить желаемое значение КПД, получить высокую тягу (мощность) при небольших габаритных размерах и массе двигателя.

Компрессор ГТД должен удовлетворять следующим требованиям:

а) сжатие воздуха должно происходить при возможно большем КПД;

б) обеспечивается устойчивая работа двигателя во всем диапазоне эксплуатационных режимов;

в) подвод воздуха в камеру сгорания производится без пульсаций давления, расхода и скорости потока;

г) обеспечение наименьшего веса и габаритов двигателя;

д) обеспечивается высокую надежность авиадвигателя.

Основными типами компрессоров авиационных ГТД являются многоступенчатые осевые [1] или осецентробежные компрессоры.

Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре ГТД состоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия воздуха в отдельных его ступенях.

В современных газотурбинных двигателях наиболее часто используются осевые компрессоры, как наиболее полно отвечающие предъявляемым требованиям. В осевых компрессорах авиадвигателя по сравнению с другими типами компрессоров возможны высокие значения степени повышения давления воздуха и большие расходы воздуха при высоких КПД и сравнительно малых габаритных размерах и массе.

Осевой компрессор ГТД имеет несколько рядов лопаток, насаженных на один общий вращающийся барабан или на ряд соединенных между собой дисков, которые образуют ротор компрессора.

Один ряд лопаток ротора называется рабочим колесом.

Другой основной частью компрессора является статор, состоящий из нескольких рядов лопаток (направляющих аппаратов), закрепленных в корпусе. Назначением лопаток статора является:

а) направление проходящего через них воздушного потока под необходимым углом на рабочие лопатки расположенного за ними рабочего колеса;

б) спрямление потока, закрученного лопатками впереди находящегося рабочего колеса, с одновременным преобразованием части кинетической энергии закрученного потока в работу по повышению давления воздуха.

Сочетание одного рабочего колеса и одного стоящего за ним направляющего аппарата называется ступенью компрессора.

Перед первым рабочим колесом компрессора может быть установлен входной направляющий аппарат.

При вращении рабочего колеса за счет внешней энергии повышается скорость потока, при этом на входе рабочего колеса создается разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха. Внешняя энергия, сообщенная лопатками рабочего колеса воздуху, движущемуся по расширяющимся (диффузорным) каналам, затрачивается на повышение давления воздуха, а также на увеличение его скорости.

Преобразование кинетической энергии воздушного потока, приобретенной в рабочем колесе, сопровождающееся повышением давления воздуха, происходит в направляющем аппарате, который, кроме того, обеспечивает потоку требуемое направление для входа в рабочее колесо следующей ступени компрессора.

Разрез лопаток ступени компрессора цилиндрической поверхностью образует решетку профилей рабочего колеса.

На входе в рабочее колесо скорость воздуха может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени компрессора или установки перед рабочим колесом входного направляющего аппарата. Вращению рабочего колеса соответствует перемещение решетки с окружной скоростью «u». Для определения скорости воздуха относительно рабочих лопаток «w» применим правило сложения векторов скоростей, согласно которому абсолютная скорость равна относительной и переносной. Переносной скоростью будет окружная скорость лопаток, следовательно, c = w + u.

Треугольник, составленный из векторов «c», «u» и «w», является треугольником скоростей на входе в рабочее колесо.

Лопатки рабочего колеса должны быть установлены таким образом, чтобы передние кромки их были направлены по направлению вектора «w» или под небольшим углом к нему. Кривизна профилей лопаток выбирается с таким расчетом, чтобы угол выхода потока из колеса был больше угла входа потока.

Направление потока за решеткой при безотрывном ее обтекании определяется в углом установки задней кромки лопатки.

Разворот потока воздуха в рабочем колесе компрессора приводит к возникновению на каждой лопатке аэродинамической силы «P» направленной от вогнутой к выпуклой поверхности профиля. Можно разложить силу «P» на две составляющие. Составляющую, направленную параллельно вектору окружной скорости, назовем окружной, а составляющую, направленную параллельно оси компрессора — осевой составляющей. Окружная составляющая направлена против движения лопаток колеса и противодействует их вращению. Для поддержания частоты вращения ротора к валу компрессора должен быть приложен крутящий момент. Работа, затрачиваемая на вращение колеса идет на увеличение энергии потока, прошедшего через колесо. Это проявляется в том, что обычно скорость потока за колесом оказывается больше скорости потока перед колесом, несмотря на одновременное увеличение давления.

Абсолютная скорость «с» на выходе из рабочего колеса определится построением треугольника скоростей. Вследствие поворота потока в колесе вектор абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса оказывается отклоненным от вектора абсолютной скорости на входе в сторону вращения колеса.

Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток в обратную сторону. Форма лопаток подбирается так, чтобы направление вектора абсолютной скорости за ступенью соответствовало направлению вектора абсолютной скорости на входе в рабочее колесо. При этом, увеличивается поперечное сечение струи, проходящей через канал между соседними лопатками. В результате скорость потока в направляющем аппарате падает, а давление увеличивается.

Независимо от скорости набегающего на лопатки воздуха и формы проточной части, течение потока через ступень может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости потока в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости потока в направляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.

Основными элементами центробежной компрессорной ступени являются рабочее колесо и диффузор, а характерными сечениями воздушного тракта — сечение перед рабочим колесом, сечение за рабочим колесом и сечение на выходе из диффузора. За диффузором могут быть установлены выходной канал или выходные патрубки, обеспечивающие поворот выходящего из диффузора потока в нужную сторону.

Рабочее колесо центробежного компрессора обычно представляет собой диск, на торцевой поверхности которого расположены рабочие лопатки.

В центробежной ступени можно получить значительно большее повышение давления воздуха, чем в осевой ступени, благодаря центробежным силам направленным по движению воздушного потока в рабочем колесе. Но в то же время (в отличие от осевой ступени) ее диаметр намного превышает диаметр рабочего колеса осевого компрессора.

Недостатки центробежной ступени могут быть в значительной степени смягчены в диагональной ступени. По своим параметрам она занимает промежуточное положение между осевой и центробежной ступенью компрессора. Сжатие воздуха в ее рабочем колесе происходит как вследствие уменьшения относительной скорости воздуха в межлопаточных каналах, так и в результате работы центробежных сил, совершаемой при перемещении воздушного потока в колесе от центра к периферии. Меньшее отклонение основного направления течения воздуха от осевого позволяет уменьшить диаметральные габаритные размеры ступени.

Степенью повышения давления ступени компрессора называется отношение давления за ступенью к давлению на входе в рабочее колесо.

В осевых ступенях степень повышения давления обычно невелика и равняется 1,2…1,35. В центробежных ступенях степень повышения давления может достигать 4—6 и более.

С целью увеличения общей степени повышения давления применяют многоступенчатые компрессоры, в каждой ступени которых осуществляется повышение давления воздуха.

Адиабатический КПД ступени компрессора представляет собой отношение адиабатической работы повышения давления воздуха в ступени к затраченной работе Адиабатический КПД ступени осевого компрессора обычно равен 0,83—0,87, что свидетельствует об их высоком аэродинамическом совершенстве. Центробежные ступени имеют несколько меньшее значение адиабатического КПД — 0,75—0,80.

Расход воздуха через компрессор пропорционален плотности воздуха, скорости потока и площади проходного сечения.

Окружная скорость воздушного потока является важнейшим конструктивным параметром ступени компрессора двигателя, она ограничивается прочностью лопаток и диска рабочего колеса и газодинамическими соображениями.

По уровню скорости набегающего на лопатки воздуха осевые ступени разделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и трансзвуковые (околозвуковые), в которых окружная или осевая скорости изменяются по радиусу изменяются по радиусу от сверхзвуковой до дозвуковой.

В реальных ступенях компрессора между лопатками рабочего колеса и внутренней поверхностью статора всегда имеется конструктивный зазор [3]. При этом зазор на работающем двигателе отличается от монтажного зазора вследствие деформаций деталей ротора и статора под действием газовых сил и теплового расширения. Обычно у прогретого двигателя рабочие зазоры оказываются меньше монтажных.

Перетекание (утечка) воздуха через радиальные зазоры приводит к понижению давления на вогнутой стороне лопатки и к повышению давления на спинке, т. е. к уменьшению разности давлений на поверхностях профиля. Уменьшение перепада давлений приводит к снижению окружного усилия и, следовательно, к снижению работы, передаваемой воздуху в ступени.

На работу ступени оказывают влияние и осевые зазоры между ее неподвижными и вращающимися венцами. Осевые зазоры между лопатками рабочего колеса и направляющего аппарата составляют примерно 15—20% хорды лопаток и также снижают эффективность работы ступени.

Основные параметры многоступенчатого компрессора

В теории газотурбинных двигателей обычно используются следующие параметры многоступенчатого компрессора:

а) степень повышения давления (отношение полного давления воздуха за компрессором к полному давлению перед компрессором);

б) секундный расход воздуха через компрессор;

в) частота вращения pотоpа компрессора;

г) адиабатический КПД компрессора.

Степень повышения давления в компрессоре ГТД равна произведению степеней повышения давления его отдельных ступеней.

В компрессорах современных авиадвигателей степень повышения давления компрессора доходит до 30 и более. Такие высокие степени повышения давления применяют для улучшения экономичности двигателя.

Дело в том, что в газотурбинных двигателях 70% тепла, введенного с топливом в двигатель, теряется с уходящими газами. Эти потери обусловлены вторым законом термодинамики (в двигатель засасывается холодный воздух, а выходит горячий).

При увеличении степени повышения давления в компрессоре соответственно увеличивается и степень понижения давления на тракте расширения газа в двигателе (во сколько раз воздух сжимается — во столько же раз газы расширяются). А чем больше степень понижения давления, тем ниже (при заданной температуре газа перед турбиной) температура уходящих газов и, следовательно, тем меньше потери тепла с уходящими газами.

Иначе говоря, с увеличением степени повышения давления воздуха степень полезного использования введенного в двигатель тепла увеличивается.

Ступени компрессора работают в разных условиях: они имеют разные окружные и осевые скорости, их лопатки обтекаются потоком с разными скоростями и т. д. Поэтому адиабатические работы сжатия воздуха в различных ступенях одного и того же компрессора могут существенно отличаться друг от друга.

В первых и в меньшей степени в последних ступенях работа заметно снижена по сравнению с работой приходящейся на каждую из средних ступеней.