11.5 Характеристики турбин

Отношение давлений для ступени турбины высоко давления в функции безразмерного массового расхода представлено на рисунке 11.10.

В этом случае безразмерный массовый поток оценивается через давление и температуру торможения на входе, P₀₄ и T₀₄. Представленные результаты при этом отображаются для различных безразмерных скоростей , но выполняемая при этом работа практически не зависит от скоростей, указанных в данном диапазоне. Фактически турбина, при рассмотрении движения вверх по течению потока, ведёт себя подобно запертому реактивному соплу для всех режимов и скоростей полёта, кроме самых низких. Большинство турбин фактически не запираются, хотя максимальное среднее число Маха у большинства из них равняется единице. Комбинация нескольких рядов лопаток моделируют практически полностью запертый ряд. Фактически изменения эффективности настолько малы, что ими можно пренебречь при исследованиях характеристик турбины не сильно расходящихся с проектными значениями.

На рисунке 11.11 изображены кривые эффективности для турбины НД, соответствующие параметрам потока для двигателя с высокой степенью двухконтурности. Ротор турбины НД вращается сравнительно медленно, потому что вентилятор, приводимый во вращение от данного ротора, не может вращаться с большой скоростью; в результате и число Маха в такой турбине заметно ниже, чем в турбине ВД. Чтобы получить больший показатель работы и энергии на выходе, необходимо переориентировать лопатки турбины НД и использовать более четырёх ступеней (или рядов статоров и роторов). Эффект от этого процесса способен лишь на небольшую величину изменить безразмерную норму потока и эффективность со степенью повышения давления, не отличающейся существенно от первоначального диапазона угловых скоростей. И обратный процесс, в зависимости от нормы массового расхода потока, турбина НД ведет себя подобно запертому реактивному соплу, и зависимости эффективности от скорости, так же как и от степени повышения давления, настолько малы, что ими можно пренебречь в данном анализе.

Рисунок 11.10. Характеристики современной турбины ВД.

Рисунок 11.11. Характеристики современной турбины НД.

Упражнение 11.7

Повторно произведите расчёт величины степени повышения давления от массовой характеристики потока турбины, показанной на рисунке 11.10 в 100 % в терминах безразмерного массового потока, основанного на условиях выхода. Примите постоянной величину политропической эффективности, составляющей 90 %.

Резюме темы 11

Для идеального сужающегося реактивного сопла существуют свои особенности и характеристики отношения безразмерного массового расхода потока к давлению торможения на входе и статическому давлению на выходе. При отношении давления торможения на входе к статическому давлению на выходе, превышающем величину 1.89, реактивное сопло считается запертым, а величина безразмерного массового потока при этом далее не увеличивается. Для сужающегося-расширяющегося реактивного сопла отношение запирания также имеет большое значение, но для данного случая оно основано на площади и статическом давлении в горле сопла, а не на условиях на выходе из сопла.

Для вентилятора или компрессора увеличение степени повышения давления при данной скорости вращения (то есть при заданной угловой скорости), приводит к уменьшению безразмерного массового расхода потока. Этот процесс соответствует повышению давления, увеличивающемуся с уменьшением осевой скорости и увеличением эффекта отставания. В безразмерной форме отношение давлений и безразмерный массовый поток имеют важное значение для функции безразмерной вращательной скорости; повышение давления, при этом, обратно пропорционально квадрату (или площади) вращательной скорости. При низких скоростях, увеличение безразмерного массового расхода потока приблизительно пропорционально вращательной скорости, но с увеличением эффекта запирания норма увеличения понижается в несколько раз.

Хотя повышение давления и отношение давлений для вентилятора или компрессора, как и безразмерный массовый расход потока, уменьшаются, но этому есть предел. Этот предел на графике работы двигателя показан как линия помпажа; попытки работы двигателя выше или левее этой линии кончаются или вращающийся срывом потока (с большим снижением величины степени повышения давления) или помпажом (сильной пульсацией полного потока). Рабочая линия вентилятора или компрессора, определенная сетью ( реактивным соплом), запирает другие компоненты двигателя, определяя их рабочие линии.

Серьезная проблема несоответствия возникает в компрессорах с большей степенью повышения давления, чем это задавалось при проектировании. Чаще всего это возникает при уменьшении скорости задних ступеней, что приводит к запиранию потока, а далее и падению скорости на передних ступенях. Этот процесс несколько нейтрализован при наличии статоров передних ступеней с переменным положением относительно потока. Лопатки этих статоров устроены так, что принимают практически тангенциальное направление по отношению к падающей угловой (или вращательной) скорости, конструктивная особенность которых не исключает появление щелей, по которым воздух, покидает компрессор, при заметно пониженных скоростях. Даже при конструировании компрессора со степенью повышения давления около 20, этот процесс становится более трудным.

Камеры сгорания, пожалуй, самый сложный компонент, при проектировании которого возможно столкнуться с довольно противоречивыми фактами и требованиями. Мало того, что требования по сокращению уровня загрязнения и эмиссии находятся в противоречии с некоторыми аспектами удобства использования и эксплуатирования, так ещё и методы сокращения моно оксида углерода и недожженных углеводородов могут привести к увеличению количества и концентрации оксидов азота. В ответ на ужесточённые требования международных организаций по защите окружающей среды были спроектированы новые типы превосходных одноступенчатых камер сгорания с раздельными зонами для реализации низких и высоких значений тяги. Для полного удовлетворения требованиям организаций защиты ОС необходимо создать двигатель, при эффективности сгорания которого равной 100 %, потеря давления торможения во входном отверстии составит 5 %.

Турбины имеют отношение степени повышения давления к безразмерному массовому расходу, подобных характеристикам реактивного сопла, но для большинства подобных условий и состояний турбина испытывает процесс запирания. На массовую норму потока оказывает большое влияние угловая (или вращательная) скорость турбины. Эффективность турбины зависит от безразмерной вращательной скорости и степени повышения давления, но по сравнению с компрессором эта зависимость гораздо меньше (в плане эффективности и достаточно малой степени повышения давления) поэтому при исследовании и анализе цикла этими величинами можно пренебречь, что, и сделано в данном пособии.

В качестве альтернативы здесь, вместо изоэнтропической эффективности определяется эффективность политропическая. Это позволяет сравнивать компрессоры и турбины с различной степенью повышения давления без обращения должного внимания на определение изоэнтропической эффективности. Так же в некоторых случаях это упрощает алгебраические преобразования и вычисления.

Тема 12

Характеристики двигателя