книги из ГПНТБ / Термодинамические основы теории тепловых машин учеб. пособие

Секундный расход воздуха определим по формуле (182)

&- я

*

Г

сужающегося сопла сверхзвуковым. При расчете принять давление газов перед соплом рі =,200 кН/м2, температуру ^і=800°С, давле­

Таким образом, истечение критическое и на срезе сопла устано­ вится давление

р кр = ~крр} = 0,528-200 = 105 кН м*.

По уравнению (188)

где I

Для критического истечения по графику (рис. 73) — Аикр—

187

Рис. 73

кр 610

Г л а в а VIII

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЛОПАТОЧНЫХ МАШИНАХ. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ И РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛОПАТОЧНЫХ

МАШИН

Применяемые лопаточные машины можно разделить на потре­ бители и источники механической энергии.

К первой группе относятся компрессоры, вентиляторы, ко вто­ рой — турбины.

Компрессоры

В тепловых двигателях применяются центробежные и осевые компрессоры, которые различаются между собой по направлению движения газа.

Вцентробежном компрессоре на выходе из рабочего колеса воз­ дух движется в плоскости, перпендикулярной оси ротора.

Восевом компрессоре движение воздуха примерно параллель­ но оси ротора.

Принципиальная схема центробежного компрессора показана на рис. 74. Компрессор состоит из входного патрубка 5, рабочего колеса 1 с лопатками 2, диффузора 3 и выходных патрубков 4.

Рабочее колесо 1 закреплено на валу и приводится во вращение. Диффузор 3 представляет собой каналы, площадь проходного сече­ ния которых увеличивается по направлению движения газа. При вращении рабочего колеса находящийся в межлопаточных каналах воздух увлекается во вращательное движение и под давлением ло­ паток перемещается к диффузору. Посредством лопаток колеса воздуху передается внешняя механическая работа, которая исполь­ зуется для сжатия и ускорения газового потока.

189

В диффузоре скорость воздуха уменьшается, а давление увели­ чивается. Значительная часть кинетической энергии, приобретенной воздухом в колесе, в диффузоре преобразуется в потенциальную энергию сжатого газа.

Осевые компрессоры выполняются, как правило, многоступен­ чатыми. Сжатие воздуха осуществляется в нескольких последова­ тельно расположенных ступенях. Каждая ступень (рис. 75) состоит из вращающегося колеса 1 и неподвижного спрямляющего аппа­ рата 2.

Основными элементами рабочего колеса и спрямляющего аппа­ рата являются профилированные лопатки А и В, образующие кри­ волинейные каналы, расширяющиеся по направлению течения газа. При вращении рабочего колеса лопатки воздействуют на газ, за­ кручивают его и заставляют перемещаться ускоренно в осевом на­ правлении. При этом на входе в компрессор создается пониженное давление, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха. Спрямляющий аппарат, расположенный за колесом, обеспечивает поворот потока и, кроме того, выполняет роль диффузора: в нем кинетическая энергия, полученная газом в колесе, используется для повышения давления.

190

Сжатие газа в компрессоре

Анализ процесса сжатия проведем по диаграммам р—ѵ и Т—S (рис. 76,а, б). Идеальным процессом неохлаждаемого компрессо­

ра считается адиабатическое сжатие 1—2 ад от начального давле­ ния р I до конечного р%

Удельную работу компрессора (затрачиваемую на сжатие 1 кг воздуха от давления р\ до давления рг) определим по уравнению сохранения энергии. Полагая процесс сжатия адиабатическим, получим

191

или

/ад

*к

Рйс. 76

ние кинетической энергии воздуха. При этом под W \ понимается скорость воздуха на входе в компрессор, а под w2,— скорость его на выходе из диффузора. Если торможение потока в диффузоре происходит до скорости, равной скорости воздуха на входе в ком­ прессор, то работа, затраченная на привод компрессора, будет рав­ на работе адиабатического сжатия

Действительный процесс сжатия сопровождается потерями, основными из которых являются потери на преодоление гидравли­ ческих сопротивлений. Работа, затрачиваемая на преодоление этих сопротивлений, необратимо переходит в тепло, и энтропия газа увеличивается (S2> S i). Поэтому температура газа в дейстзитель-

192

Турбины

Втурбине осуществляется преобразование потенциальной энер­ гии рабочего тела, подведенной извне, в механическую работу вра­ щения ротора турбины.

Взависимости от направления газового потока различают два типа турбин: осевые и радиальные.

Восевых турбинах направление потока параллельно оси турби­ ны; в радиальных — перпендикулярно к оси турбины или близко к этому направлению.

Наибольшее распространение в настоящее время получили осе­ вые турбины. Принципиальная схема такой турбины показана на рис. 77.

194

Основными элементами турбины являются: неподвижный на­ правляющий (или сопловой) аппарат 1, установленный в корпусе 2 турбины, рабочее колесо 3, закрепленное на валу и имеющее рабо­ чие лопатки 4. Вращающиеся части турбины образуют ротор.

Преобразование потенциальной энергии в механическую проис­ ходит в два этапа. Первый этап — преобразование потенциальной энергии давления газа в кинетическую происходит полностью или частично в сопловом аппарате. Второй этап — преобразование полу­ ченной кинетической энергии в работу на валу турбины происхо­ дит с помощью рабочих лопаток.

Расширение газа в турбине

Рабочий процесс в турбине, схема которой представлена на рис. 76, рассмотрим по диаграмме Т—S (рис. 78).

полную энергию газового потока по заторможенным параметрам. В неподвижном сопловом аппарате происходит расширение газа и соответствующее увеличение его скорости. Для адиабатического течения этот процесс изображается отрезком 0—Г, параллельным оси ординат и ограниченным изобарами ро и р\. Давления р0 и р\ соответствуют статическим давлениям перед сопловым аппаратом и за ним.

Действительный процесс расширения сопровождается потерями энергии на преодоление гидравлических сопротивлений, связанных в основном с вязкостью газа. Эти потери преобразуются в тепло и вызывают повышение действительной температуры газа 7\ в кон­ це расширения по сравнению с адиабатической Т ѵ.

В рабочем колесе в общем случае происходит дальнейшее рас­ ширение газа и совершается механическая работа. Если течение газа в каналах рабочего колеса адиабатическое, то процесс расши­ рения изображается отрезком Г—2' (или отрезком 1—2" для слу­ чая действительного течения газа в каналах соплового аппарата). При наличии необратимых потерь энергии при течении газа в кана­ лах рабочего колеса процесс расширения изобразится линией 1—2. При этом температура Т2 газа в конце действительного расшире­ ния будет выше, чем в конце адиабатического 7V (или 7>). Состоя­ ние газа на выходе из турбины характеризуется точкой 2 или точ­ ками 2' и 2" при адиабатическом расширении. Точкой 2 * отмечено состояние газа на выходе из турбины по заторможенным пара­ метрам.

Оценка качества проточной части турбины с точки зрения гид­ равлических потерь энергии осуществляется путем сравнения дей­ ствительного процесса расширения с некоторым идеальным. Для неохлаждаемой турбины за идеальный процесс расширения прини­ мается адиабатический процесс расширения 0—2' от начального со­ стояния газй до конечного давления ра.

Работа при адиабатическом расширении определяется на осно­ вании уравнения сохранения энергии (168). Пренебрегая измене­ нием кинетической энергии при расширении, получим

Так как с’р

196