Книга может оказаться полезной при изучении принципа работы, конструкции и эксплуатации газотурбинных авиационных двигателей.
Оглавление
Приведённый ознакомительный фрагмент книги Теория газотурбинных двигателей предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.
Теория ступени компрессора ГТД
Компрессор газотурбинного двигателя служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания.
Применение компрессора в ГТД позволяет получить нужный расход воздуха, обеспечить желаемое значение КПД, получить высокую тягу (мощность) при небольших габаритных размерах и массе двигателя.
Компрессор ГТД должен удовлетворять следующим требованиям:
а) сжатие воздуха должно происходить при возможно большем КПД;
б) обеспечивается устойчивая работа двигателя во всем диапазоне эксплуатационных режимов;
в) подвод воздуха в камеру сгорания производится без пульсаций давления, расхода и скорости потока;
г) обеспечение наименьшего веса и габаритов двигателя;
д) обеспечивается высокую надежность авиадвигателя.
Основными типами компрессоров авиационных ГТД являются многоступенчатые осевые [1] или осецентробежные компрессоры.
Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре ГТД состоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия воздуха в отдельных его ступенях.
В современных газотурбинных двигателях наиболее часто используются осевые компрессоры, как наиболее полно отвечающие предъявляемым требованиям. В осевых компрессорах авиадвигателя по сравнению с другими типами компрессоров возможны высокие значения степени повышения давления воздуха и большие расходы воздуха при высоких КПД и сравнительно малых габаритных размерах и массе.
Осевой компрессор ГТД имеет несколько рядов лопаток, насаженных на один общий вращающийся барабан или на ряд соединенных между собой дисков, которые образуют ротор компрессора.
Один ряд лопаток ротора называется рабочим колесом.
Другой основной частью компрессора является статор, состоящий из нескольких рядов лопаток (направляющих аппаратов), закрепленных в корпусе. Назначением лопаток статора является:
а) направление проходящего через них воздушного потока под необходимым углом на рабочие лопатки расположенного за ними рабочего колеса;
б) спрямление потока, закрученного лопатками впереди находящегося рабочего колеса, с одновременным преобразованием части кинетической энергии закрученного потока в работу по повышению давления воздуха.
Видео:Степень повышения давления (Павлов)Скачать
Сочетание одного рабочего колеса и одного стоящего за ним направляющего аппарата называется ступенью компрессора.
Перед первым рабочим колесом компрессора может быть установлен входной направляющий аппарат.
При вращении рабочего колеса за счет внешней энергии повышается скорость потока, при этом на входе рабочего колеса создается разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха. Внешняя энергия, сообщенная лопатками рабочего колеса воздуху, движущемуся по расширяющимся (диффузорным) каналам, затрачивается на повышение давления воздуха, а также на увеличение его скорости.
Преобразование кинетической энергии воздушного потока, приобретенной в рабочем колесе, сопровождающееся повышением давления воздуха, происходит в направляющем аппарате, который, кроме того, обеспечивает потоку требуемое направление для входа в рабочее колесо следующей ступени компрессора.
Разрез лопаток ступени компрессора цилиндрической поверхностью образует решетку профилей рабочего колеса.
На входе в рабочее колесо скорость воздуха может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени компрессора или установки перед рабочим колесом входного направляющего аппарата. Вращению рабочего колеса соответствует перемещение решетки с окружной скоростью «u». Для определения скорости воздуха относительно рабочих лопаток «w» применим правило сложения векторов скоростей, согласно которому абсолютная скорость равна относительной и переносной. Переносной скоростью будет окружная скорость лопаток, следовательно, c = w + u.
Треугольник, составленный из векторов «c», «u» и «w», является треугольником скоростей на входе в рабочее колесо.
Лопатки рабочего колеса должны быть установлены таким образом, чтобы передние кромки их были направлены по направлению вектора «w» или под небольшим углом к нему. Кривизна профилей лопаток выбирается с таким расчетом, чтобы угол выхода потока из колеса был больше угла входа потока.
Направление потока за решеткой при безотрывном ее обтекании определяется в углом установки задней кромки лопатки.
Разворот потока воздуха в рабочем колесе компрессора приводит к возникновению на каждой лопатке аэродинамической силы «P» направленной от вогнутой к выпуклой поверхности профиля. Можно разложить силу «P» на две составляющие. Составляющую, направленную параллельно вектору окружной скорости, назовем окружной, а составляющую, направленную параллельно оси компрессора — осевой составляющей. Окружная составляющая направлена против движения лопаток колеса и противодействует их вращению. Для поддержания частоты вращения ротора к валу компрессора должен быть приложен крутящий момент. Работа, затрачиваемая на вращение колеса идет на увеличение энергии потока, прошедшего через колесо. Это проявляется в том, что обычно скорость потока за колесом оказывается больше скорости потока перед колесом, несмотря на одновременное увеличение давления.
Абсолютная скорость «с» на выходе из рабочего колеса определится построением треугольника скоростей. Вследствие поворота потока в колесе вектор абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса оказывается отклоненным от вектора абсолютной скорости на входе в сторону вращения колеса.
Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток в обратную сторону. Форма лопаток подбирается так, чтобы направление вектора абсолютной скорости за ступенью соответствовало направлению вектора абсолютной скорости на входе в рабочее колесо. При этом, увеличивается поперечное сечение струи, проходящей через канал между соседними лопатками. В результате скорость потока в направляющем аппарате падает, а давление увеличивается.
Читайте также: Коленвал для компрессора ремеза
Независимо от скорости набегающего на лопатки воздуха и формы проточной части, течение потока через ступень может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости потока в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости потока в направляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.
Основными элементами центробежной компрессорной ступени являются рабочее колесо и диффузор, а характерными сечениями воздушного тракта — сечение перед рабочим колесом, сечение за рабочим колесом и сечение на выходе из диффузора. За диффузором могут быть установлены выходной канал или выходные патрубки, обеспечивающие поворот выходящего из диффузора потока в нужную сторону.
Рабочее колесо центробежного компрессора обычно представляет собой диск, на торцевой поверхности которого расположены рабочие лопатки.
В центробежной ступени можно получить значительно большее повышение давления воздуха, чем в осевой ступени, благодаря центробежным силам направленным по движению воздушного потока в рабочем колесе. Но в то же время (в отличие от осевой ступени) ее диаметр намного превышает диаметр рабочего колеса осевого компрессора.
Недостатки центробежной ступени могут быть в значительной степени смягчены в диагональной ступени. По своим параметрам она занимает промежуточное положение между осевой и центробежной ступенью компрессора. Сжатие воздуха в ее рабочем колесе происходит как вследствие уменьшения относительной скорости воздуха в межлопаточных каналах, так и в результате работы центробежных сил, совершаемой при перемещении воздушного потока в колесе от центра к периферии. Меньшее отклонение основного направления течения воздуха от осевого позволяет уменьшить диаметральные габаритные размеры ступени.
Степенью повышения давления ступени компрессора называется отношение давления за ступенью к давлению на входе в рабочее колесо.
В осевых ступенях степень повышения давления обычно невелика и равняется 1,2…1,35. В центробежных ступенях степень повышения давления может достигать 4—6 и более.
С целью увеличения общей степени повышения давления применяют многоступенчатые компрессоры, в каждой ступени которых осуществляется повышение давления воздуха.
Адиабатический КПД ступени компрессора представляет собой отношение адиабатической работы повышения давления воздуха в ступени к затраченной работе Адиабатический КПД ступени осевого компрессора обычно равен 0,83—0,87, что свидетельствует об их высоком аэродинамическом совершенстве. Центробежные ступени имеют несколько меньшее значение адиабатического КПД — 0,75—0,80.
Видео:Как настроить КОМПРЕССОР правильноСкачать
Расход воздуха через компрессор пропорционален плотности воздуха, скорости потока и площади проходного сечения.
Окружная скорость воздушного потока является важнейшим конструктивным параметром ступени компрессора двигателя, она ограничивается прочностью лопаток и диска рабочего колеса и газодинамическими соображениями.
По уровню скорости набегающего на лопатки воздуха осевые ступени разделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и трансзвуковые (околозвуковые), в которых окружная или осевая скорости изменяются по радиусу изменяются по радиусу от сверхзвуковой до дозвуковой.
В реальных ступенях компрессора между лопатками рабочего колеса и внутренней поверхностью статора всегда имеется конструктивный зазор [3]. При этом зазор на работающем двигателе отличается от монтажного зазора вследствие деформаций деталей ротора и статора под действием газовых сил и теплового расширения. Обычно у прогретого двигателя рабочие зазоры оказываются меньше монтажных.
Перетекание (утечка) воздуха через радиальные зазоры приводит к понижению давления на вогнутой стороне лопатки и к повышению давления на спинке, т. е. к уменьшению разности давлений на поверхностях профиля. Уменьшение перепада давлений приводит к снижению окружного усилия и, следовательно, к снижению работы, передаваемой воздуху в ступени.
На работу ступени оказывают влияние и осевые зазоры между ее неподвижными и вращающимися венцами. Осевые зазоры между лопатками рабочего колеса и направляющего аппарата составляют примерно 15—20% хорды лопаток и также снижают эффективность работы ступени.
Основные параметры многоступенчатого компрессора
В теории газотурбинных двигателей обычно используются следующие параметры многоступенчатого компрессора:
а) степень повышения давления (отношение полного давления воздуха за компрессором к полному давлению перед компрессором);
б) секундный расход воздуха через компрессор;
в) частота вращения pотоpа компрессора;
г) адиабатический КПД компрессора.
Степень повышения давления в компрессоре ГТД равна произведению степеней повышения давления его отдельных ступеней.
В компрессорах современных авиадвигателей степень повышения давления компрессора доходит до 30 и более. Такие высокие степени повышения давления применяют для улучшения экономичности двигателя.
Дело в том, что в газотурбинных двигателях 70% тепла, введенного с топливом в двигатель, теряется с уходящими газами. Эти потери обусловлены вторым законом термодинамики (в двигатель засасывается холодный воздух, а выходит горячий).
При увеличении степени повышения давления в компрессоре соответственно увеличивается и степень понижения давления на тракте расширения газа в двигателе (во сколько раз воздух сжимается — во столько же раз газы расширяются). А чем больше степень понижения давления, тем ниже (при заданной температуре газа перед турбиной) температура уходящих газов и, следовательно, тем меньше потери тепла с уходящими газами.
Иначе говоря, с увеличением степени повышения давления воздуха степень полезного использования введенного в двигатель тепла увеличивается.
Ступени компрессора работают в разных условиях: они имеют разные окружные и осевые скорости, их лопатки обтекаются потоком с разными скоростями и т. д. Поэтому адиабатические работы сжатия воздуха в различных ступенях одного и того же компрессора могут существенно отличаться друг от друга.
Читайте также: Как насытить воду кислородом в пруду без компрессора
В первых и в меньшей степени в последних ступенях работа заметно снижена по сравнению с работой приходящейся на каждую из средних ступеней.
Методика расчёта центробежного компрессора с радиальными лопатками
УДК 621.515.5
Видео:9. ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. ТЕРМОДИНАМИКА КОМПРЕССОРОВ. Работа компрессора. Вредный объём.Скачать
Расчет центробежного компрессора
И центростремительной турбины.
Лашко В.А., Макушев Ю.П., Михайлова Л.Ю.
Тихоокеанский государственный университет (Хабаровск).
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
В статье приведена методика расчета центробежного компрессора и центростремительной турбины с целью выбора прототипа турбокомпрессора для подачи воздуха под давлением в цилиндры двигателей внутреннего сгорания.
двигатель, наддув, турбокомпрессор, расчет, центробежный компрессор, центростремительная турбина.
Методика расчёта центробежного компрессора с радиальными лопатками.
Главное назначение центробежного компрессора – обеспечение двигателя внутреннего сгорания, на всех режимах работы, необходимым количеством воздуха (кислородом), способствуя полному сгоранию топлива при минимальном удельном расходе и низкой токсичности выхлопных газов. Двигатель форсируется за счет увеличения плотности воздуха, нагнетаемого в цилиндр, и повышения подачи топлива.
В современных двигателях для повышения плотности воздуха применяют преимущественно центробежные компрессоры обычно с радиальными лопатками. Компрессор устанавливается на одном валу с газовой турбиной, такой агрегат получил название турбокомпрессор. Отработавшие газы поступают на колесо турбины под переменным (импульсно) или постоянным (изобарно) давлением. В приведенной работе расчеты выполнены для изобарной турбины.
На рис. 1 показан вид турбокомпрессора [1]. В левой части изображен разрез компрессора, а в правой – турбины. Колеса компрессора и турбины расположены жестко на одном валу. Смазка подшипника скольжения вала производится под давлением от системы смазки двигателя. Охлаждение турбокомпрессора может осуществляется потоком масла и циркулирующей жидкостью из системы охлаждения двигателя.
При расчете компрессора определяют требуемое количество воздуха для двигателя, подачу воздуха одним компрессором (если их несколько), степень повышения давления, прототип, наружный диаметр колеса, частоту вращения, общую работу, затраченную на впуск, сжатие и нагнетание воздуха, изменение температуры и давления в каналах компрессора и коэффициент полезного действия (КПД).
Прототип – образец изделия, явившейся основой или примером для разработки нового изделия, улучшенного с исходным образцом. Аналогизделия –изделие сходное по каким либо однородным характеристикам.
Рис.1 Разрез турбокомпрессора
1 – вход воздуха в компрессор, 2 – рабочее колесо компрессора, 3 – диффузор, 4 – спиральная камера (воздухосборник, улитка с выходом сжатого воздуха из компрессора), 5 – узел подшипника, 6 – улитка турбины, 7 – рабочее колесо турбины, 8 – выход газов из турбины, 9 – корпус турбины, 10 – вход в турбину отработавших газов двигателя.
1.1 Требуемое массовое количество воздуха для двигателя определяется из выражения:
где – коэффициент избытка воздуха (1,6 – 2,2) для дизеля, для бензиновых двигателей мы берём = 1,1; L0 – теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1кг топлива (15кг); ge – удельный расход топлива в кг/(кВт×ч) (0,18 – 0,22), в нашем случае нужно брать ge = 0,27; Ne – мощность двигателя в кВт; – коэффициент продувки (1,1–1,2), берём =1,1.
Рассчитанное выше значение понадобится для дальнейших расчётов.
1.2 С учетом выбранного числа компрессоров (ik), необходимая подача воздуха одним компрессором находится по формуле:
Для рядных двигателей обычно устанавливают один компрессор, для V– образных – два, в нашем случае получается так:
1.3 Определяется среднее эффективное давление Ре. Для четырехтактного двигателя эффективная мощность определяется выражением:
где Vh — рабочийобъем цилиндра в литрах; i – число цилиндров; n – частота вращения коленчатого вала в мин -1 , обороты двигателя ставим максимальные, я поставил (7000 мин -1 ), те, кто поставил распредвал (с измененными фазами) который обеспечивает работу двигателя на больших оборотах, ставит максимальные обороты те которые развивает двигатель с данным распредвалом. Сразу оговариваю, формулу 1.3 нужно использовать, после того как вы определились с давлением наддува, чтобы найти итоговую мощность в зависимости от давления! В место Vh* I можно просто поставить рабочий объём двигателя и не парится, я подставлю свой объём (1,570 л.) те, кому надо подставят свой, пересчитают Ре.
Видео:Устройство компрессораСкачать
После преобразования выражения 1.3 получим :
Подставив все значения получаем:
1.4 Величину давления воздуха на выходе из компрессора для четырехтактных двигателей определяем из соотношения Рк= (0,15 – 0,18)Ре, для двухтактных двигателей Рк= (0,2 – 0,28)Ре.(1.4)
Здесь нужно выбрать такое значение из интервала (0,15 – 0,18) чтобы Рк было равно примерно 0,1 МПа, то есть получившееся Ре*0,164 (это число входит в диапазон 0,15 – 0,18):
Степень повышения давления в компрессоре
где Ро – давление на входе в компрессор (атмосферное давление, оно равно 0,0981 МПа).
Если подставим данное Рк в выражение где находим то получим:
1 Атм 0,1МПа 1Бар (то есть двигатель атмосферный, без наддува).
Зная, все исходные данные мы теперь можем, подбирая давление наддува видеть, как меняется мощность.
Читайте также: Не отключается компрессор кондиционера митсубиси
Делаем так, например мы хотим “слегка форсировать двигатель”, берём давление наддува 0,3 Бар, для этого нам нужно сложит Бар.
Преобразуем формул (1.4.1) так чтобы мы могли найти Рк :
Далее нужно преобразовать Рк в Ре, преобразуя формул (1.4) получаем:
Подставляя это значение Ре в формулу (1.3) мы можем найти мощность при наддуве в 0,3 Бар:
Умножив, полученные киловатты на 1,36 мы получим мощность в лошадиных силах:
Так же с повышением давления на впуске повышается и степень сжатия!
Что бы не гадать, надо ли лить более октановое топливо или нет вот вам формула:
Где — итоговая степень сжатия, — геометрическая степень сжатия, — давление наддува.
Возьму, пожалуй, самый яркий пример, чтобы сразу было понятно, а потом касательно наддувы в 0,3 Бар.
Например, у нас =9,5; = 2 Бар, тогда получается:
При =13,5 детонирует даже 98 бензин!
Мощность при таком давлении 227,6 л.с. (напоминаю, расчёт ведётся на двигателе со стандартной комплектацией, просто подняли давление на впуске, с помощью наддува) – завел такой двигатель, газанул, раз, а потом собираешь после взрыва его останки по всей округе!
Видео:Курс ""Турбомашины". Раздел 7.5 Многоступенчатые компрессоры (лектор Батурин О.В.)Скачать
Касательно нашего примера получается так, для Нивы на 92 бензине =8,5; если берём =0,3 Бар, то получается так:
Радуемся и прыгаем до потолка, потому что бензин можно не менять и ездить на 92 хвастаясь, что у вас не 76 л.с.; а 98,6 л.с.
Более того, скажу, что для 92-го бензина нужна степень сжатия 9-9,2; для 80-го 7,2-7,5.
Заводом для Нивы работающем на 92-ом бензине заложена степень сжатия 8,5 не потому что они не знали при какой степени сжатия детонирует 92-ой бензин, а просто тогда когда проектировался двигатель, не было бензина приемлемого качества, то есть залил чего та там, в бак и “ пых – пых” поехали.
В принципе давление наддува можно повышать до 0,7 Бар, с таким наддувом =8,99 – как раз под 92-ой бензин!
Но есть одно, но, мощность при этом достигает 129 л.с. выдержит ли двигатель интересный конечно вопрос, но я думаю, выдержит, вот только, на сколько трансмиссии хватит — это действительно актуальный вопрос.
Зная πкиМk , по графику полей характеристик турбокомпрессоров πк– расход воздуха (рис. 2) выбирается прототип компрессора. При выборе прототипа важным является определениенаружного диаметраколеса компрессора.
Выбор диаметра колес компрессора и турбины необходим для начала расчета турбокомпрессора. В процессе расчета уточняются размеры колес, диффузоров, спиральных камер (улиток), КПД и делается выбор требуемой марки турбокомпрессора и завода-изготовителя.
Рис. 2 Поля характеристик турбокомпрессоров ( к – расход воздуха Мк).
Необходимо помнить, что колесо при меньшем диаметре имеет меньшую массу и менее инерционно (быстрее реагирует на изменение нагрузки), но увеличивает потери энергии в результате уменьшения проходных сечений каналов.
Диаметр колеса компрессора указан в обозначении турбокомпрессора (ТКР-7 турбокомпрессор с радиальной центростремительной турбиной и центробежным компрессором с наружным диаметром колеса 7 см).
Согласно ГОСТ 9658-81 за нормальные приняты наружные диаметры колес, равные 5,5; 7; 8,5; 11; 14; 18; 23 см. Центробежные компрессоры по конструктивному исполнению бывают низкого давления (Н) до 0,19 МПа, среднего (С) 0,19 – 0,25 МПа и высокого (В), более 0,25 МПа.
Рис. 3 Схема проточной части центробежного компрессора.
1 – рабочее колесо, 2 – диффузор, 3 – улитка.
На рис. 3 приведена схема проточной части турбокомпрессора, а на рис. 4 показано изменение параметров воздуха при его прохождении по различным сечениям компрессора.
Воздух поступает во входной патрубок компрессора (сечение 0) со скоростью Со, давлением Ро и температурой То. Величина скорости Со зависит от площади входного патрубка, средней скорости поршня и его площади. Определяется из уравнения постоянства расходов. При входе в колесо (сечение 1) скорость С1 увеличивается по причине уменьшение площади (из-за наличия лопаток). Давление и температура незначительно снижаются. Между сечениями 1 и 2 происходит работа над газом с целью его уплотнения. Скорость С2, температура Т2, и давление Р2 резко возрастают. В результате расширения каналов диффузора (сечение 2 – 3) и улитки (сечение 3 – 4) скорость воздуха снижается, а температура и давление растут. Давление Р4 есть давление на выходе из компрессора Рк.
Рис. 4 Изменение скорости (С), давления (Р) и температуры (Т)
в различных сечениях турбокомпрессора.
Расчет ступени компрессора начинают с определения массового секундного расхода воздуха, проходящего через его каналы. Проточной частью компрессора или турбины называют систему устройств, по которым движется газ. Скорость газа в проточной части установок изменяется путем геометрического воздействия – изменением площади поперечного сечения потока по его длине. В компрессоре энергия к воздуху подводится в рабочем колесе (подвод технической или располагаемой работы путем вращения колеса), в других каналах она только преобразуется. Расчет компрессора выполняют в следующей последовательности:
Видео:CFD Расчет характеристики компрессора (Общие рассуждения)Скачать
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала
📺 Видео
Регулируем прессостат. Максимальное и минимальное давление включения и выключения компрессораСкачать
Как настроить регулятор давления воздуха на гаражном компрессоре QUATTRO ELEMENTI KM 50-380Скачать
Курс ""Турбомашины". Раздел 7.8 Зачем и как регулировать многоступенчатые компрессоры (Батурин О.В.)Скачать
Центробежный компрессорСкачать
Регулировка давления компрессора. Настройка автоматики компрессора. Регулировка прессостатаСкачать
Работа винтового компрессора, его принцип действия и устройство.Скачать
Как узнать производительность компрессора на ВЫХОДЕ. Часть 2.4.1Скачать
Видеоурок "Классификация компрессоров"Скачать
Как отрегулировать давление в компрессоре. Автоматика компрессораСкачать
Курс ""Турбомашины" Глава 3.2 Рабочий процесс центробежного компрессора. ч. 1 (лектор Батурин О.В.)Скачать
Гидростатическое давлениеСкачать
настройка давления на компрессорахСкачать
Как увеличить производительность компрессора. Часть 2.5Скачать
Тепло компрессорных установок / Тепловыделение компрессора, рекуперация теплаСкачать
