3. Самостоятельная подготовка учебно-методических материалов, типового оформления лабораторной работы.

Лабораторная работа «Исследование расширения газа в турбине».

Цель работы.

Исследование термодинамического процесса расширения газа в турбине. Определение работы изменения давления при расширении воздуха в турбине.

Теоретические основы.

Турбина представляет собой лопаточную машину, преобразующую потенциальную и кинетическую энергию газа или жидкости в механическую работу на валу турбины. Газовая турбина является составной частью авиационного газотурбинного двигателя. Её элементами являются неподвижный лопаточный сопловой аппарат и вращающееся на валу лопаточное рабочее колесо, вместе называемые ступенью турбины. Сопловой аппарат предназначен для преобразования части потенциальной энергии газа кинетическую. В каналах между лопатками рабочего колеса, в большинстве случаев, производится дальнейшее преобразование потенциальной энергии в кинетическую, причем большая часть кинетической энергии газа, полученной в сопловом аппарате и рабочем колесе, превращается в механическую энергию вращения вала турбины. В зависимости от направления движения потока различают осевые и радиальные турбины. При существующем конструктивном многообразии газовых турбин их теория едина и опирается на термодинамику лопаточных решеток.

Термодинамическое исследование процессов, происходящих в турбине, заключается в первую очередь в изучении процесса передачи энергии от рабочего тела, которым является газ, к рабочему колесу. В связи с тем, что отвод теплоты от газа в лопатки, диск и корпус турбины невелик по сравнению с энергией потока, обычно им пренебрегают и рассматривают процесс расширения газа в турбине адиабатный, то есть совершающийся без теплообмена рабочего тела с окружающей средой (δq = 0).

, (1)

где (P₀, V₀) и (P₂, V₂) – параметры, характеризующие начальное (перед сопловым аппаратом) и конечное (за рабочим колесом) состояния газа в адиабатном процессе расширения в турбине.

Уравнение (1) называют уравнением адиабаты для идеального газа, а показатель k – показателем адиабаты.

На рисунке 2.4 для сравнения показаны графики адиабаты (δq = 0, S=const), изохоры (V=const), изобары (P=const) и изотермы (T=const) для обратимых процессов в идеальном газе.

Связь между параметрами (T,V) и (T,P) в адиабатном процессе устанавливается из совместного рассмотрения уравнения состояния Клайперона и уравнения адиабаты, откуда следует

(2)

Из (2) можно определить зависимости между параметрами газа в состояниях «0» и «2»

(3)

Уравнение первого начала термодинамики для течения газа в проточном тракте ступени турбины без учета сил трения имеют вид

(4)

Используя понятие энтальпии для изоэнтропически заторможенного потока, получим

(5)

Здесь l_T - работа, отданная газом рабочему колесу турбины;

– энтальпия заторможенного потока;

– величина вектора скорости потока.

Формулу (5) можно представить в виде, более удобном для определения работы l_T:

(6)

где Т* - температура заторможенного потока.

Используя (3), получим

(7)

В реальном адиабатном процессе часть энергии преобразуется в теплоту трения, что несколько повышает температуру Т*₂. Поэтому в действительности величина l_T , рассчитанная по (6), несколько меньше величины l_T , рассчитанной по формуле (7), справедливой для обратимого процесса.

Из уравнения первого начала термодинамики для изоэнтропического течения газа в сопловом аппарате турбины

(8)

используя (6) и (7), можно получить теоретическую скорость истечения газа из соплового аппарата:

(9)

Мощность турбины на установившемся режиме работы определяется как

(10)

Описание экспериментальной турбины.

На рисунке 2.5 представлена схема экспериментальной турбины.

Рисунок 2.5 Схема экспериментальной турбины

Сжатый воздух подается к турбине от воздуходувки и попадает в торообразный ресивер 1 через воздухоподводящий канал. Из ресивера 1 воздух по кольцевому каналу 2 движется к турбине и попадает в межлопаточные каналы соплового аппарата 3 турбины, где разгоняется с понижением давления и ,разворачиваясь, приобретает окружную составляющую скорости на выходе из соплового аппарата. Далее воздух поступает на рабочие лопатки 4 турбины, где его кинетическая энергия преобразуется в механическую при вращении рабочего колеса. Отработавший воздух направляется в ресивер 5 и отводится в выхлопную систему. Механическая энергия передается потребителю, которым в данном случае является гидротормоз 6, преобразующий эту энергию в энергию тепловую за счет трения вращающегося диска о воду, протекающую через гидротормоз. Расход воздуха через турбину определяется с помощью расходомерной диафрагмы 7.

На рисунке 2.6 представлены схема ступени турбины и треугольники скоростей для среднего сечения лопаток. В межлопаточные каналы соплового аппарата поток входит со скоростью под углом , а выходит из них со скоростью под углом . На рабочие лопатки поток набегает с относительной скоростью

Рисунок 2.6 Треугольник скоростей в ступени турбины

Расчетный режим работы турбины характеризуется углами атаки (рисунок 2.7), близкими к нулю, что обеспечивается приведенным в соответствие окружной скорости вращения со скоростью истечения из соплового аппарата: – за счет нагрузки гидротормоза, а – изменением расхода воздуха через турбину.

Рисунок 2.7 Схема натекания газа на лопатки турбины

На рисунке 2.8 показаны характеристики работы экспериментальной турбины с нулевыми углами атаки по среднему сечению рабочих лопаток, представляющее собой зависимости частоты n оборотов ротора от расхода G воздуха для различных температур T*₀ на входе в турбину.

Рисунок 2.8 Характеристика работы экспериментальной турбины

Методика проведения эксперимента.