Вопрос № 12. Классификация гту и комбинированных гту.
Газотурбинные установки (ГТУ) находят широкое применение в энергетике, промышленности и на транс- порте в качестве основных или вспомогательных силовых агрегатов. Они применяются:
для привода электрогенераторов на ТЭЦ или в энергопоездах;
для привода газовых компрессоров на газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов;
в качестве силовых агрегатов для привода гребных винтов на судах;
в авиации (турбовинтовые самолёты);
на мощных магистральных тепловозах.
Классификацию ГТУ ведут по разным признакам:
по назначению: стационарные и транспортные;
по конструктивному оформлению: одно или многоступенчатые, одно- или двухцилиндровые, одно- или двухвальные;
по организации цикла: проточные или импульсные, с разомкнутым или замкнутым циклом;
по роду топлива: на жидком, газообразном или твёрдом топливе.
по мощности: малой, средней и высокой мощности.
Вопрос № 16.
Компрессоры ГТУ. Дозвуковые, трансзвуковые и сверхзвуковые ступени осевых компрессоров.
Компрессор предназначается для сжатия (повышения давления) воздуха, поступающего из воздухозаборника, (что необходимо для осуществления цикла Брайтона) и прокачки его далее по тракту двигателя. Та часть компрессора, которая подает сжатый воздух в наружный контур ТРДД (или одновременно в наружный и внутренний контуры), обычно называется вентилятором ТРДД.
Основными типами компрессоров современных авиационных газотурбинных двигателей являются одно- или многоступенчатые осевые компрессоры, а также центробежные или осецентробежные компрессоры. В мощных ГТД применяются исключительно осевые компрессоры, так как они позволяют обеспечить большой расход воздуха, необходимый мощным двигателям, при минимальных габаритах. В двигателях сравнительно небольших размеров может применяться сочетание нескольких осевых и обычно одной (последней) центробежной ступени. Такой компрессор и называется осецентробежным. Его основным преимуществом является возможность обойтись (при необходимой степени повышения давления) меньшим числом ступеней, поскольку в центробежной ступени можно обеспечить существенно более высокое повышение давления, чем в осевой. Но габариты компрессора при этом увеличиваются, что для мощных двигателей может оказаться неприемлемым.
Центробежные компрессоры
Центробежные компрессоры характеризуются радиальным выходным потоком. Воздух подводится в центр вращающегося рабочего колеса с радиальными лопатками (крыльчатки) и выбрасывается к периферии центробежными силами. Перед поступлением в центр следующей крыльчатки воздух проходит диффузор и спиральную камеру, где кинетическая энергия превращается в давление.
Степень повышения давления на каждой ступени зависит от увеличения скорости воздуха после крыльчатки. Промежуточное охлаждение воздуха необходимо вследствии того, что его температура на выходе из каждой ступени накладывает ограничение на эффективность сжатия.
Центробежный компрессор с числом ступеней вплоть до шести и давлением до 25 бар — не редкость. Крыльчатка может иметь либо открытую, либо закрытую конструкцию. Открытая конструкция характерна для воздушных компрессоров. Крыльчатка обычно изготовляется из специальной нержавеющей стали или из алюминия. Скорость вращения значительно выше, чем у других типов компрессоров, и обычно составляет 15 000 - 100 000 об/мин.
Это значит, что вал компрессора вращается на подшипниках скольжения, а не качения. Подшипники качения используются в одноступенчатых компрессорах с низкой степенью повышения давления.
Зачастую в многоступенчатых компрессорах для уравновешивания осевых нагрузок, вызванных разностями давлений, на каждый конец одного и того же вала устанавливается по крыльчатке. В основном минимальная объемная производительность центробежного компрессора определяется потоком, протекающим через последнюю ступень. Практический предел в 160 л/с на выходе разделенной по горизонтали машины определен эмпирическим способом.
Каждый центробежный компрессор должен иметь выполненное подходящим способом уплотнение для уменьшения утечки вдоль вала в тех местах, где он проходит через корпус компрессора. В наши дни используются многие виды уплотнений, самые совершенные из которых можно обнаружить в компрессорах с высокой скоростью вращения, предназначенных для высоких давлений. Наиболее распространены уплотнения четырех типов: лабиринтные, кольцевые (обычно графитные, которые работают без смазки, но используются также уплотняющие жидкости), механические и гидростатические.
Осевые компрессоры
В осевых компрессорах осевой поток воздуха или газа проходит вдоль вала компрессора через ряд рабочих колес и направляющих аппаратов. При этом скорость движения воздуха постепенно возрастает, в то время как направляющие аппараты преобразуют кинетическую энергию в давление.
Минимальная объемная производительность такого компрессора составляет примерно 15 м3/с. В компрессоре обычно устанавливается балансирный барабан для уравновешивания осевой нагрузки.
Осевые компрессоры вообще меньше, чем эквивалентные центробежные компрессоры, и обычно работают со скоростью большей на 25%. Они используются для получения большой объемной производительности при относительно небольшом давлении. За исключением газотурбинных установок, степень повышения давления редко превышает 6. Обычная производительность таких компрессоров составляет 65 м3/с, а эффективное давление может достигать 14 бар (изб).
Дозвуковые, трансзвуковые и сверхзвуковые ступени компрессора
Характерным
параметром ступени компрессора,
определяющим особенности обтекания
лопаток рабочего колеса, является число
Маха
потока на внешнем диаметре колеса на
расчетном режиме.
=
,
где
скорость звука в потоке воздуха перед
колесом.
По уровню чисел М набегающего на лопатки РК потока осевые ступени принято разделять на дозвуковые, в которых значения Mw1 на расчетном режиме ни на одном радиусе не превышают единицу, сверхзвуковые, в которых по всей высоте лопатки Мw1>1, и трансзвуковые (околозвуковые), в которых скорость w1 изменяется по радиусу от сверхзвуковой до дозвуковой. Чем выше Mw1, тем, как будет рассказано ниже, более жесткие требования предъявляются к форме лопаток рабочего колеса. Для уменьшения Mw1 в первой ступени компрессора на входе в неё может быть установлен входной направляющий аппарат.
В сверхзвуковой ступени возникает скачок уплотнения (головная волна) перед каждой лопаткой. Пройдя через головные волны, поток воздуха становится дозвуковым. Последующее течение воздуха в расширяющихся межлопаточных каналах колеса сопровождается дальнейшим уменьшением скорости, как и в дозвуковой ступени. Степень повышения давления воздуха в сверхзвуковых ступенях выше, чем в дозвуковых, поэтому их применение приводит к уменьшению потребного числа ступеней при заданной степени повышения полного давления в компрессоре.
Пионером
в применении сверхзвуковых ступеней
компрессора в мире было Рыбинское
конструкторское КБ во главе с В.А.
Добрыниным. ТРД ВД-5 имел первую
сверхзвуковую ступень компрессора с
=1,7.
Это позволило создать компрессор с 9
ступенями и
=13,6
вместо 12 для дозвукового компрессора.
В ОКБ-300 под руководством А.А. Микулина
был создан двухвальный ТРДФ Р11Ф-300 с
первыми тремя сверхзвуковыми ступенями
первого каскада, что обеспечило
=8,6