TRiP111
.pdf
26. Влияние параметров цикла на его эффективность.
Рисунок 4.3. Безразмерная мощность и эффективность цикла для идеальной газовой
турбины.
На рисунке 4.3(b), показана эффективность цикла для газовой турбины через функцию отношения давлений с
кривыми, |
обозначающими |
|
различные |
|
величины |
отношения температур T4/T2. |
||
Здесь |
также |
примем |
|
|
comp |
turb |
0.90
.
Выделим
влияние отношений температур и отношений давлений на эффективность цикла. (Для идеальной газовой турбины, у
которой
|
|
comp |
turb |
1.00
,
эффективность не зависит от отношения температур T4/T2.) Эффективность цикла зависит от отношения давлений, и для отношения температур T4/T2
существует |
|
|
отношение |
|
давлений, |
|
|
при |
котором |
величина |
|
СУ |
достигает своего |
|
|
||||
максимального, пикового значения. Отношение давлений, при которых достигается пиковая величина эффективности, зависит от
изоэнтропической эффективности (т.е. КПД) компрессора и турбины. При более высокой величине отношения температур T4/T2
изменение
|
СУ |
|
с небольшой
степенью повышения давления (то есть кривые довольно плоские и пологие) приводит к значительному разбросу в любую сторону от максимального значения.
Отношение давлений для максимума по эффективности повышается по мере повышения средней температуры, но при этом должна создаваться дополнительная мощность турбины для привода компрессора, а необратимость этих процессов отнимает мощность. Как будет выяснено в главе 5, отношение величины Т4/Т2, соответствующая крейсерскому режиму, составляет 5.5.
Сравнивая рисунки 4.3(a) и 4.3(b) можно заметить, что пиковая эффективность приходится на более высокое отношение давлений, чем для максимальной энергетической производительности на единицу массы расхода воздуха: для отношения температур T4/T2 = 5.5, например, отношения давлений для максимальной мощности и максимальной эффективности составляют 12 и 32 соответственно. Таким образом, для двигателей, целью которых является создание максимальной тяги (обычное явление для военных двигателей) отношение давлений, для температур Т4/Т2 = 5.5, составляет 12, в то время, как для двигателей, целью которых является создание большей эффективности (это чаще встречается у двигателей для гражданских, пассажирских самолётов) отношение колеблется в пределах 40.
Температура T2 на входе в компрессор характеризуется высотой и скоростью полёта и при
условии, что полёт проходит на высоте 31 000 футов и числе Маха М = 0.85, эта температура примет значение T2 = 259.5 K. Как будет выяснено позже, в разделе 5.2, температура на входе в турбину определена исходя из металлургических соображений (т.е. определена свойствами металла, способными удовлетворять заданному уровню температурных напряжений и сохранять свойства работоспособности). При отношении температур T4/T2 = 5.5 пиковая эффективность цикла составляет 0.474 и возникает при отношении давлений равном 40; при увеличении отношения давления становится тяжелее проектировать работоспособный компрессор, и изоэнтропическая эффективность стремится понизиться, поэтому имеются предпосылки снижать отношение давлений значительно ниже положения пика коэффициента полезного действия. Кроме того, совершая круиз при, отношении давлений равным, скажем 40, рекомендовано на режиме подъёма ограничиться в приемлемом диапазоне отношения давлений приблизительно до 45.
Существует ещё одна проблема со степенью повышения давлений, которая будет рассмотрена более подробно в главе 6. При выполнении круиза с числом Маха M = 0.85 давление на входе в компрессор повышено в 1.60 раза по сравнению с окружающей атмосферой в соответствии со скоростным напором при полёте. На выходе из двигателя (т.е. на выходе из реактивного сопла) давление принято атмосферным. Эффект от входной скорости поэтому, повышает отношение давлений всего двигателя в 1.60 раза, повышение отношения давлений от 40 до 64 не влияет в значительной степени на эффективность цикла.
На рисунке 4.3(c), также показана работу цикла через функцию отношения давлений, но для этого случая установлено температурное отношение Т4/Т2 = 5.5 и другие величины эффективности турбины и компрессора. Можно заметить, что эффективность цикла чувствительна к составляющим КПД: при отношении давлений равном 40, снижение КПД компрессора и турбины от 90 % до 85 % понизило бы эффективность цикла от 47 % до 37 %, что соответствует 21 % уменьшения мощности на ту же самую величину входа энергии с топливом.
Принятие равными величин эффективности компрессора и турбины - вынужденное упрощение, и для рассматриваемых отношений давления это становится существенным. По мере увеличения отношения давлений эффективность турбины стремится повыситься, тогда как эффективность компрессорапонизиться на ту же величину. Пунктирная линия на рисунке 4.3(c) отображает данное явление с изменением составляющих изоэнтропической эффективности в противоположных направлениях для турбины и компрессора. Хотя происходят существенные изменения в работе цикла, величины изоэнтропической эффективности не изменяются.
27.Характеристики турбин
Отношение давлений
P |
/ P |
04 |
05 |
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, N / 
CP T04 , 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 полёта 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.
Рисунок 11.10. Характеристики современной турбины ВД.
На рисунке 11.11 изображены кривые эффективности для турбины НД, соответствующие нормам 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 11.11. Характеристики современной турбины НД.
28.ТРДД высокой степени двухконтурности.
Для двигателей с высокой степенью двухконтурности передний компрессор именуется как вентилятор. Это - высоко специализированная ступень компрессора, для которой относительная скорость потока в роторе является сверхзвуковой в концевой части лопасти (для современных двигателей, скорость в концевой части вентилятора может составлять более 450 м / сек) и дозвуковой около центра лопасти.
Поток в ТРДД разделён на поток внешнего контура и основной поток, последний проходит компрессор ВД и камеру сгорания. Часть двигателя, в которую поступает основной поток, называется газогенератор. В двигателе с двумя валами вентилятор находится на валу НД, который приводится во вращение турбиной НД, а газогенератор находится на валу ВД.
В упрощённом виде принимается, что вся мощность от турбины ВД используется, компрессором ВД. На практике же, относительно малая доля мощности отнимается топливными насосами двигателя, на производство электричества и работу гидравлической системы летательного аппарата. Подобно этому весь сжатый воздух, проходит через турбину; но некоторая его часть отбирается на герметизацию кают и удаление льда с поверхностей крыла и мотогондолы. Большая часть мощности турбины НД используется для повышения давления потока внешнего контура, и только малая доля мощности используется для повышения давления в газогенераторе.
29. Адиабатическая и политропическая эффективность.
Адиабатический процесс — термодинамический процесс при котором система не получает и не отдаёт тепловой энергии. Адиабатический процесс является частным случаем политропного процесса.
На рисунке показан условный процесс 2 - 3is, который является адиабатическим, обратимым (т.е. изоэнтропическим) процессом повышения давления, и условный процесс 4 - 5is, который является процессом изоэнтропического расширения в турбине.
Адиабатическая эффективность или адиабатический КПД:
|
|
|
T3is T2 |
и |
|
|
T4 T5 |
. |
||
comp |
|
turb |
|
|||||||
|
|
T3 |
T2 |
|
T4 |
T5is |
||||
|
|
|
|
|
||||||
Изоэнтропическое изменение температуры можно вычислить, зная отношение давлений. Для адиабатического обратимого процесса это может выглядеть как:
|
p |
const |
|
|
|
|
|
|
T |
1 |
|
|
|
Что в нашем случае обозначает:
T |
|
p |
|
3is |
|
3 |
|
|
|
||
T |
|
p |
|
2 |
a |
1 |
|
|
p |
|
1 |
|
|
|
T |
|
|||
|
и |
4 |
|
4 |
. |
|
|
T |
p |
||||
|
|
|
|
|
||
|
|
5is |
a |
|
||
Где y-показатель адиабаты.
Для политропного процесса с использование политропического КПД выражение будет иметь вид:
( )
Использование политропического КПД позволяет вести расчет через реальные значения температур, а не изоэнтропические как в случае с адиабатическим КПД.
30. Степень двухконтурности. Схема сечений ТРДД
РС
2контур
1контур
ВКВД ОКС ТВД ТНД
Степень двухконтурности — параметр турбореактивного двигателя, показывающий отношение расхода воздуха через внешний контур двигателя к расходу воздуха через внутренний контур. Чем больше величина этого параметра, тем больший КПД двигателя удаётся получить.
m |
G |
2 |
, |
|
|||
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
1 |
|
G1- расход воз-ха в первом контуре
G2- расход воз-ха во втором контуре
Большая степень двухконтурности обеспечивает меньшую скорость реактивной струи, истекающей из сопла. Это уменьшает удельный расход топлива но также уменьшает максимальную скорость и увеличивает вес двигателя.
Меньшая степень двухконтурности обеспечивает большую скорость реактивной струи, которая необходима для достижения высоких, обычно сверхзвуковых скоростей. Она увеличивает удельный расход топлива.
Ещё одно преимущество турбовентиляторного двигателя перед реактивными двигателями с малой степенью двухконтурности заключается в том, что холодный воздух из внешнего контура, смешиваясь с горячими газами из турбины, снижает давление на выходе из сопла. Это способствует снижению шумности двигателя.
m=0,2-7 ТРДД со смешением потоков
m=8 и более ТРДД с большой степенью двухконтурности
31. Охлаждение турбин.
Система охлаждения является в настоящее время неотъемлемой частью конструкции любой современной турбины. В ТВД охлаждаются все лопатки, роторы, корпуса. В ТНД - роторы, корпуса и достаточно часто - лопатки первых ступеней.
Наиболее популярной системой охлаждения современных турбин является схема открытого (с выпуском охладителя в проточную часть турбины) воздушного охлаждения. Для охлаждения турбины может использоваться воздух, отбираемый за КВД или за одной из его ступеней. Для наружного охлаждения корпусов турбины используется воздух из-за КНД или из-за вентилятора. С точки зрения общей эффективности турбины в двигателе обычно необходимо проектировать систему охлаждения:
-с минимальным расходом охлаждающего воздуха
-с использованием по мере возможности отбора воздуха из-за промежуточных ступеней компрессора.
Существует общепринятая характеристика эффективности системы охлаждения - относительная эффективность охлаждения. Относительная эффективность охлаждения
является отношением реального понижения температуры металла лопатки Тд относительно газа Тг к максимально возможному понижению - до температуры охлаждающего воздуха Тв.
θ=(тг-тл)/(тг-тв).
Задачи охлаждения лопаток:
-снижение температуры лопатки
-уменьшение неравномерности распределения температуры
Основные схемы охлаждения лопаток.
-Теплоотвод в диск (+простота, - ограниченные воз-ти охлождения)
-Внутр. конвективное ох-ие:
Срадиальными каналами (+простота –неравномерное охлаждение по высоте пера)
Т=1350-1400к θ=0,15-0,2, оребрение Т=1450-1500, θ=0,2-0,4.
Сдефлектором (+более равно-ое, меньше расход воздуха –ресурс, технологичность)
Т=1450-1470, θ=0,25-0,35.
Синтенсификаторами (+простота, малая масса -гидравлич сопро-ие)
Т=1450-1500, θ=0,3-0,5.
Петлевая схема (+масса, равномерное поле Т, - гид-ое сопро-ие, слож-ть констр-ии)
Т=1450-1550, θ=0,2-0,3.
- Конвективно-пленочное ох-ие (+высок эфек-ть, - расход воздуха, потери, услож конст-ии) Т=1600-1700, θ=0,4-0,65.
С двойными стенками (+Т=1900-1950, θ=0,7-0,72)
32. Схема цикла ТРДД в T-S диаграмме.
В этом двигателе воздух, выходящий из воздухозаборника 1, сжимается в первой (передней) части компрессора 2, называемой также вентилятором, а затем разделяется на два потока. Внутрений поток подвергается сжатию в задней части компрессора 3, а затем поступает в камеру сгорания 4, где подогревается, как и в ТРД. В турбине 6 продукты сгорания расширяются до установления давления более низкого, чем в ТРД, так как работа, получаемая в турбине, должна быть несколько больше, чем в ТРД, в связи с затратой дополнительной части ее на сжатие вентилятором 2 воздуха, поступающего во внешний контур. Располагаемая энергия перед реактивным соплом внутреннего контура ТРДД поэтому получается меньшей, так же как и скорость
истечения. Вместе с тем, |
дополнительная масса |
воздуха, |
поступающая из |
вентилятора 2 во внешний |
контур 5, расширяясь |
в кольцевом сопле 8, создает |
|
дополнительную тягу и общая тяга двигателя поэтому возрастает. |
|
||
33. Процесс сжатия в компрессоре
. Рис. 4.2. Термодинамические диаграммы процессов сжатия с различными значениями показателя политропы. В Практический интерес для компрессора имеет лишь случай с отводом тепла во вне у охлаждаемого компрессора. Сначала рассмотрим процессы сжатия с Qотв=0.Рассмотрим процесс сжатия без учета скоростей, т. Е. ск=св. В этом случае (он отмечен индексом х) уравнения энергии
соответственно в механической и тепловой форме примут вид
Lкx
Lкx
к dp
Lтр(в к)
в
c p Tк Tв
к
dpv Lтр(в к)
в |
|
||
k |
R Tк Tв . |
||
|
|
||
k 1 |
|||
|
|||
;
(4.1)
Непосредственное построение политропы сжатия в диаграмме р-v (см. рис. 4.2, кривая в–к) позволит указать на этой диаграмме лишь величину политропической работы сжатия.Для вычисления интеграла используем соотношение p/ n=const или p1/nv=const и получим
|
|
к |
dp |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
L |
|
|
|
p v |
|||||
|
|
|
|||||||
|
n 1 |
|
|||||||
л.пол |
|
|
в в |
||||||
|
|
в |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
к |
||
p |
|
|
в |
||
|
||
n 1 n
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
n |
R T |
T |
|
|
|||
n 1 |
в |
к |
|
|
|
|
n |
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
|
|
RT |
|
|
n |
n 1 |
в |
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
, |
|
|
(4.2)
где к=pк/pв – степень повышения давления в компрессоре, в отличие от степени сжатия, к=vв/vк. Политропическая работа сжатия изображается в р-v-
диаграмме (см. рис. 4.2) площадью Lк.пол~1–в–к–2. Запишем второе уравнение (4.1) в следующем виде:
L |
|
c |
p |
T |
0 c |
p |
T |
0 i |
0 i |
в |
0 . |
к |
x |
|
к |
|
в |
к |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.4) |
|
|
|
|
|
|
|
||
работа компрессора изобразится в Т-S-диаграмме
площадью
Lкx
~пл. 1–к–4–3, Таким образом на
диаграмме Т-S может быть непосредственно указана величина работы, затрачиваемой на сжатие в
компрессоре.
Но в рассматриваемом случае, когда Qотв=0, к газу подводится только тепло, выделяющееся в результате внутреннего трения. Это тепло Qтp эквивалентно работе потерь, которая, следовательно, определяется в Т-S-диаграмме площадью под политропой в–к, т. е. Lтp(в–к)~пл. 1–к–в–2, величина
политропической работы сжатия Lк.пол=( Lкx –Lтр)~пл. 2–в–к–4–3. Lкx =Lк.пол+Lтр; Lк.пол= LкS + L; (4.5)
Lкx = LкS +Lтp+ L. Величина работы, затрачиваемой на сжатие воздуха в компрессоре ( Lкx ),
складывается из величины изоэнтропической работы плюс работа, непосредственно расходуемая на преодоление сил трения (Lтp), плюс дополнительная работа, расходуемая на покрытие вредного воздействия трения на процесс сжатия (L).