Судовые турбомашины. Основы теории судовых турбомашин


ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

серия основана в 2017 г.

ЧЕРНОМОРСКОЕ ВЫСШЕЕ
ВОЕННО-МОРСКОЕ УЧИЛИЩЕ
ИМЕНИ П.С. НАХИМОВА



В.В. КУЗНЕЦОВ
Е.В. ПОЛЬСКИЙ





                СУДОВЫЕ ТУРБОМАШИНЫ




            ОСНОВЫ ТЕОРИИ СУДОВЫХ ТУРБОМАШИН


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

     Рекомендовано экспертным советом ЧВВМУ имени П.С. Нахимова в качестве учебного пособия по дисциплине «Судовые турбомашины». Может быть использовано в процессе выполнения курсового и дипломного проектирования студентами факультета судовождения и энергетики судов по специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок»



znanium.com

Москва
ИНФРА-М
2021

УДК 621.12(075.8)
ББК 31.363я73

     К89




     Рецензент:
        Кирюхин А.Л., доктор технических наук, профессор




      Кузнецов В.В.
К89 Судовые турбомашины. Основы теории судовых турбомашин : учебное пособие / В.В. Кузнецов, Е.В. Польский. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 176 с. — (Военное образование).

         ISBN 978-5-16-015859-4 (print)
         ISBN 978-5-16-108233-1 (online)

         В учебном пособии излагаются основы теории паровых и газовых турбин, теории осевых и центробежных компрессоров, рассматривается работа турбокомпрессоров на нерасчетных и неустойчивых режимах.
         При изложении материала особое внимание уделено раскрытию и объяснению явлений, происходящих в проточной части турбин и лопаточных компрессоров.
         Предназначено для студентов факультета судовождения и энергетики судов при изучении дисциплины «Судовые турбомашины», а также может быть использовано в процессе выполнения курсового и дипломного проектирования.

УДК 621.12(075.8)
ББК 31.363я73

ISBN 978-5-16-015859-4 (print)
ISBN 978-5-16-108233-1 (online)

© Черноморское высшее военно-морское училище имени П.С. Нахимова, 2018, 2020

Условные обозначения

БЛД - безлопаточный диффузор                   
ВНА - входной направляющий аппарат             
ВП  - входной патрубок                         
ГТД - газотурбинный двигатель                  
КВД - компрессор высокого давления             
КНД - компрессор низкого давления              
КС  - компрессорная ступень                    
ЛД  - лопаточный диффузор                      
МСТ - многоступенчатая турбина                 
НВ  - направляющий венец                       
НЛ  - направляющая лопатка                     
ННА - неподвижный направляющий аппарат         
НР  - направляющая решетка                     
ОК  - осевой компрессор                        
ПНА - промежуточный направляющий аппарат       
РВ  - рабочий венец                            
РК  - рабочее колесо                           
РЛ  - рабочая лопатка                          
РР  - рабочая решетка                          
СА  - сопловый аппарат                         
ТС  - турбинная ступень                        
ЦК  - центробежный компрессор                  
a   - скорость звука в газовой среде, м/с      
В   - ширина профиля, м                        
b   - хорда профиля, м                         
b   - густота решетки                          
с   - абсолютная скорость газа, м/с            
cp  - теплоёмкость газа при постоянном давлении

3

с - теплоёмкость газа при постоянном объёме сy - коэффициент подъемной силы
сх - коэффициент лобового сопротивления
D - диаметр, м
d - втулочное отношение
F - площадь сечения, м² G - расход газа, кг/с
Н - изоэнтропийный теплоперепад турбины, напор компрессора, Дж/кг
Н'а - располагаемый теплоперепад турбины, Дж/кг h - изоэнтропийный теплоперепад ТС, Дж/кг h' - располагаемый теплоперепад ТС, Дж/кг
hₜ  - внутренняя работа ТС, Дж/кг
hₜ  - теоретический напор (напорность) КС, Дж/кг
hᵤ - работа наокружностиРК ТС, Дж/кг
-   - энтальпия газа, Дж/кг
i * - энтальпия «заторможенного» потока газа, Дж/кг
i   - угол атаки, град
k   - показатель адиабаты
L   - удельная работа, кДж/кг
l - высота (длина) лопатки, м М - число Маха
М - крутящий момент, Нм
N - мощность, Вт
n - частота вращения, об/мин
Р - сила, действующая на стенку канала, Н/м² р   - давление, Па/м²

4

R - газоваяпостоянная,кг/(град.*К) Re - число Рейнольдса r   - радиус, м
q   - потери энергии вТС. Н/м²
S - толщина профиля, м Т   - температура, K
t   - шаг решётки, м
t   - относительный шаг
и   - окружная скорость, м/с
V   - объём, м³
v   - удельный объем, м³/кг
w - относительная скорость газа x - степень сухости водяного пара у - степень влажности водяного пара Z - количество ступеней в турбине (компрессоре) z   - количество лопаток в венце
Г   - циркуляция скорости
а - угол выхода газового потока (в абсолютном измерении) а - коэффициент возвращенного тепла
Р - угол входа газового потока (в относительном измерении) Рь - угол установки профиля, град
Р1 л - конструктивный входной угол, град
Р₂п - конструктивный выходной угол, град
Р - критический перепад давлений у - угол раскрытия проточной части, град S - зазор, м s - степень парциальности впуска турбинной ступени q - коэффициент потерь энергии

5

Ге - эффективный КПД
ri - внутренний КПД
Ги - КПД на окружности в - кривизна профиля, град лк - степень повышения давления в компрессоре р   - плотность, кг/м³
р - степень реактивности (р  - коэффициент скорости в НВ
у - коэффициент скорости в НВ а - окружная скорость, рад/с

Индексы
а   - осевое направление
r   - радиальное направление
и   - окружное направление
5   -  параметр изоэнтропийного процесса
t   - теоретический параметр
в   - параметры на внутреннем диаметре ступени
к - параметры компрессора
н  - параметры НВ
н     - параметры на наружном диаметре ступени
р  - параметры РВ
ср - параметры на среднем диаметре ступени ст - параметры ступени
0   - параметры перед ТС
1   - параметры за НВ (перед РВ, РК)
2   - параметры за РВ, за РК (перед ПНА)
3   - параметры за ПНА

6

Введение


     В настоящее время турбомашины нашли широкое применение во многих отраслях современной техники. Основным элементом турбинного двигателя является турбина, в которой потенциальная энергия подведенного рабочего тела преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины.
     Идея создания турбинных двигателей давно привлекала внимание многочисленных изобретателей. Родоначальником турбин можно считать Герона Александрийского (II в. до н.э.), изобретателя «эоли-пила». При его описании впервые был использован термин «турбина», возникший из латинского «turbo» - вихрь, вращение с большой скоростью. Позже широко применялся «дымовой вертел», который представлял собой турбинное колесо, подобное мельнице. Это колесо устанавливалось в дымоходе печи и вращалось потоком дымовых газов. С конца XVIII века был предложен ряд проектов газотурбинных установок, которые, однако, при низком общем развитии техники не могли быть успешно осуществлены.
     Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века: шведом Г. Лавалем и англичанином Ч. Парсонсом.
     Главная заслуга Густава Лаваля (1845-1913) состоит в том, что он сумел создать основные элементы турбины, довести их до совершенства и соединить в работоспособную конструкцию, которая во многих отношениях на десятилетия опережала свое время. За более чем 100-летний период совершенствования в одной из самых динамичных областей техники формы сопел, лопаток, диска турбины претерпели в общем незначительные изменения. Это, наверное, беспрецедентный случай в истории техники. Причем показатель, связанный с прочностью конструкции.
     В многоступенчатой турбине английского инженера Чарльза Алджернона Парсонса (1854-1931) расширение пара происходило в нескольких ступенях сопловых (неподвижных) и рабочих (вращающихся) решеток. Благодаря этому стала возможна работа машины со значительно меньшими, чем в турбине Лаваля, скоростями пара на выходе из сопловых решеток и с меньшими окружными скоростями рабочих лопаток.

7

     В изобретении газовых турбин, в которых в качестве рабочего тела использовались продукты сгорания, принимали активное участие немецкий инженер Штольце, инженер-механик российского флота П.Д. Кузьминский, российский инженер В. В. Караводин, который в 1906 построил первую ГТУ «взрывного» действия с открытой камерой сгорания.
     На начальной стадии развития турбомашин основные положения для их расчета базировались на трудах М.В. Ломоносова, Л. Эйлера, Д. Бернулли, на основе которых была создана так называемая струйная теория турбомашин.
     С появлением работ Н.Е. Жуковского по вихревой теории гребных винтов и осевых вентиляторов (1912 - 1918 гг.) теория турбомашин находит дальнейшее развитие, а расчет и проектирование их получают строгое научное теоретическое обоснование.
     Последующему развитию теории турбомашин и совершенствованию методов их расчета способствовали теоретические работы С.А. Чаплыгина в области теории крыла, И.Н. Вознесенского, В.Ф.Пек-кина, А.Ф. Лесохина, посвященные профилированию решеток профилей, а также экспериментальные работы других авторов по продувке профилей и решеток в аэродинамических трубах. На базе этих работ были созданы два метода расчета турбомашин: один из них строился на теоретических и экспериментальных исследованиях крылового профиля (метод по теории подъемных сил), другой - на теории решеток профилей. Эти методы позволили существенно повысить эффективность турбомашин.
     Независимо от назначения, типа и сложности схемы газотурбинного двигателя (ГТД) компрессор является одним из определяющих элементов. Турбокомпрессор служит наддувочным агрегатом судового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), значительно форсируя его работу.
     В судовых ГТД и ДВС находят преимущественное применение осевые и центробежные компрессоры, которые по принципу работы также являются турбомашинами. Создание достаточно экономичных компрессоров стало возможным благодаря практическому применению в турбостроении последних достижений в области аэродинамики, металлургии

8

Глава 1. КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ ТУРБИНЫ
     1.1. Конструктивная схема простейшей турбины
     Турбина представляет собой ротативный тепловой двигатель, преобразующий тепловую энергию рабочего тела (газа или пара) в механическую работу вращения ротора. Широкое распространение турбинного двигателя в судовой энергетике обусловливается наличием у него ряда преимуществ. К числу главных из этих преимуществ можно отнести следующие:
     1)      благоприятные массогабаритные характеристики, не исключающие сосредоточение в одном турбоагрегате больших мощностей при высоком КПД;
     2)      сравнительно простая схема управления и автоматического регулирования;
     3)      сравнительно небольшой расход смазочного масла.
     4)      непрерывность рабочего процесса и равномерность вращательного движения ротора, способствующие более надежной работе двигателя.
     Преимуществом газотурбинного двигателя (ГТД) также является быстрый запуск и возможность работы без потребления охлаждающей воды.
     Поэтому паровые и газовые турбины широко применяются в корабельных энергетических установках в качестве главных двигателей для вращения гребных винтов, а также для привода вспомогательных механизмов, компрессоров в турбонагнетателях, генераторов.
     На рисунке 1.1 изображена конструктивная схема одноступенчатой турбины.
     Направляющие лопатки 1 (НЛ), установленные неподвижно в корпусе турбины 2, образуют сопловый аппарат (СА). Рабочие лопатки 3 (РЛ) располагаются по ходу газа за НЛ и закрепляются на внешнем ободе диска 4. Совокупность направляющих и рабочих лопаток составляют турбинную ступень (ТС), а межлопаточные каналы образуют проточную часть одноступенчатой турбины (турбинной ступени). Лопатки, расположенные в одном ряду, имеют одинаковую форму и равно удалены друг от друга.

9

2

3    4

5

                                P T0 С0_








6

P2

c 2

T

Рисунок 1.1


      Совокупность диска и РЛ называют рабочим колесом (РК), которое жестко крепится к валу турбины 5. Совокупность всех вращающихся частей называют ротором, который вращается в опорных подшипниках 6. От РЛ через диск и вал механическая энергия передается потребителю энергии.
      На входе в турбину газ обладает определенным запасом тепловой (потенциальной) энергии, которая определяется давлением ро и температурой То газа.
      В турбине тепловая энергия газа проходит два этапа преобразования. На первом этапе происходит преобразование в кинетическую энергию движения газа. Скорость газа с 1 значительно увеличивается, а давление р 1 и температура Т1 снижаются. На втором этапе кинетическая энергия газа преобразовывается в механическую работу вращения ротора турбины. При этом все параметры газа за турбиной снижаются. Двойное преобразование энергии происходит и непрерывно во времени в рабочем органе ТС. Таким рабочим органом турбины являются НЛ и РЛ. Преобразование тепловой энергии газа в кинетическую происходит в каналах НЛ и частично может происходить в каналах РЛ. Преобразование кинетической энергии в механическую работу вращения ротора происходит на РЛ.
      Если в состав турбины входит одна ступень, то такая турбина называется одноступенчатой. Турбина, в состав которой входит несколько ступеней, называется многоступенчатой (МСТ). Процесс преобразования энергии в каждой ступени МСТ повторяется и аналогичен процессу в одноступенчатой турбине. Рабочий орган турбин, а

10