Файл: Бекнев В.С. Газовая динамика газотурбинных и комбинированных установок учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 104
Скачиваний: 0
В. С. Б Е К Н Е В , О. М. ПАНКОВ и Р. А. ЯНСОН
ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА ГАЗОТУРБИННЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ УСТАНОВОК
П о д р е д а к ц и е й заслуженного деятеля науки
и техники РСФСР д-ра техн. наук проф. В. В. УВАРОВА
Допущено |
Министерством высшего |
|
||
и |
среднего |
специального образования |
СССР |
|
в |
качестве |
учебного |
пособия |
|
для студентов |
|
|
||
теплоэнергетических |
специальностей |
вузов |
ГКОНТРОЛЬНЫЙ і
эк з е м п л я р ^ !
М о с к в а «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1973
Б 42 УДК 532.5 : 621.438 (0.75.8)
Бекнев В. С, Панков О. М., Янсон Р. А. Газовая динамика газотурбинных и комбинированных установок. М., «Машинострое ние», 1973, 392 с.
Учебное пособие содержит основные сведения по газовой дина мике газотурбинных и комбинированных установок. В нем изло жены основные законы, управляющие течением идеальных несжи
маемых и сжимаемых |
жидкостей, вязких несжимаемых жидкостей, |
а также проводящих |
сред в электромагнитных скрещенных полях. |
Рассмотрены основные свойства рабочих тел энергетических установок, от которых в значительной степени зависят их параметры.
Материал изложен |
последовательно |
для |
одномерных, |
плоских |
и осесимметричных |
моделей течений |
среды |
в элементах |
газотур |
бинных и комбинированных установок. В пособии даны элемен тарная теория цилиндрической ступени турбомашины, теория плоских решеток, элементы теории пограничного слоя и турбу лентных струй. Приведены основные сведения по эксперименталь ной газовой динамике.
Учебное пособие предназначается для студентов теплоэнерге тических специальностей вузов, а также может быть полезно инже
нерам, |
работающим в области прикладной газовой динамики. |
Табл. 7, |
ил. 217. |
Р е ц е н з е н т ы : кафедра паровых и газовых турбин Харьковского политехнического института и д-р техн. наук проф. П. К- Казанджан
„ |
334-154 ,_, „ |
Б |
154-/3 |
|
038 (01)-73 |
© Издательство «Машиностроение», 1973 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая книга является первым томом подготавливаемой серии учебников, охватывающих основные курсы учебного плана по специальности «Газотурбинные и комбинированные установки»: газовая динамика, теория и расчет компрессоров, турбин и теплообменных аппаратов, теория, расчет и проектирование газотур бинных двигателей и комбинированных установок, системы авто матического регулирования и др. В основу книги положены лек ции проф. В. В. Уварова по гидрогазодинамике и лекции авторов по одноименному курсу для студентов энергомашиностроитель ного факультета МВТУ им. Баумана.
Авторы включили в курс лишь основные положения газовой динамики с необходимыми доказательствами и выводами. Отдель ные выводы приведены без очевидных преобразований, которые нетрудно восполнить при самостоятельной проработке материала.
При изучении материала читатель должен быть знаком с осно вами векторного исчисления, теории поля, теории функций ком плексного переменного, термодинамики и электродинамики.
При написании материала авторы стремились рассматривать течения непроводящих и проводящих сред с единых позиций, подчеркивая при этом единство законов, ими управляющих. В учебном пособии кратко описаны особенности течения в элемен тах газотурбинных и комбинированных установок и основные свойства рабочих тел и электромагнитного поля с рассмотрением моделей движения жидкой среды, которые находят применение при анализе работы узлов газотурбинных (ГТ) и комбинирован ных установок (КУ). Далее рассмотрены основы кинематики и динамики жидкой среды для струйки тока и потока в целом, а затем — прямолинейные, плоские и осесимметричные течения в основном невязких несжимаемых и сжимаемых сред. Элементар ная теория турбомашин дается для цилиндрической формы про точной части.
1* |
3 |
При изложении основ теории пограничного слоя основное внимание уделено плоскому течению несжимаемой жидкости. В учебнике рассмотрены основные методы измерения параметров потока при экспериментальном изучении узлов ГТ и КУ и их испытаниях и доводке.
Материал книги является основой для изучения последующих
курсов по расчету и проектированию лопаточных |
машин (осевых |
||||||
и радиальных турбин |
и компрессоров), |
а также магнитогазодина- |
|||||
мических |
генераторов |
электроэнергии. |
|
|
|
||
Книга выходит под общей редакцией засл. деят. науки и тех |
|||||||
ники |
д-ра техн. наук проф. В. В. Уварова; § 1, 10, |
11, 15, 37 и |
|||||
38, гл. I I , V, V I написаны д-ром техн. наук проф. |
В. С. Бекне- |
||||||
вым, |
§ 39—45, 47 — канд. техн. наук |
доц. О. |
М. |
Панковым, |
|||
§ 2, |
3, |
9, |
12—14, 16, |
гл. I V — канд. техн. наук |
доц. Р. А. Ян- |
||
соном, |
§ 46 — пнж. М. И. Осиповым. |
|
|
|
Г Л А В А I
ВВЕДЕНИЕ
§ |
1. КРАТКОЕ |
ОПИСАНИЕ |
ХАРАКТЕРА ТЕЧЕНИЯ ГАЗА |
|
В |
|
ОСНОВНЫХ |
ЭЛЕМЕНТАХ ГАЗОТУРБИННЫХ |
|
И |
КОМБИНИРОВАННЫХ |
УСТАНОВОК |
Газотурбинная установка (ГТУ) является тепловым двигате лем непрерывного действия, состоящим из газовых турбин, ком прессоров, камер сгорания и теплообменных аппаратов, соеди ненных между собой трубопроводами.
К. п. д. газотурбинной установки в значительной степени за висит от к. п. д. турбин и компрессоров и от потерь в других эле ментах ГТУ. Поэтому рациональному проектированию высоко эффективных газовых турбин, компрессоров и других элементов ГТУ всегда уделяется большое внимание. Схема простейшей газо турбинной установки показана на рис. 1. В этой установке откры того цикла воздух засасывается из атмосферы компрессором /, сжимается в нем до заданного давления и подается в камеру сго рания 2, где происходит сжигание топлива в потоке сжатого воз духа. После камеры сгорания горячие газы попадают в газовую турбину 3, где их потенциальная энергия частично превращается в механическую работу на валу турбины. После турбины газы
выбрасываются |
в атмосферу. В установках |
усложненного цикла |
|
с регенерацией теплоты уходящих газов после турбины |
установлен |
||
теплообменный |
аппарат —• регенератор, в |
котором |
происходит |
конвективный теплообмен между газами и воздухом, идущим из компрессора в камеру сгорания. В установках с охлаждением воздуха в процессе сжатия в промежуточных холодильниках между компрессорами также имеет место конвективный тепло обмен (рис. 2).
Вгазотурбинных установках на ядерном топливе вместо ка меры сгорания используется реактор, представляющий собой теплообменный аппарат, в котором теплота ядерной реакции пере дается газу или жидкости, прокачиваемым по каналам тепловыде ляющих элементов (ТВЭЛов).
Вкомбинированной газотурбинной установке с магнитогазодинамическим (МГД) генератором электроэнергии имеет место течение проводящего электрический ток газа в канале МГД-гене- ратора, где возникает взаимодействие проводящего газа с электро магнитным полем. В установках с жидкометаллическим тепло-
5
9 10 11 12 /3
Рис. 2. Схема ГТУ с промежуточными охлаждениями и подогревами воздуха:
/ — компрессор |
н и з к о г о д а в л е н и я ; |
2 и б — встроенные х о л о д и л ь н и к и ; |
3, 5 и |
7 |
— ком |
||||||
прессоры |
с р е д н е г о д а в л е н и я ; 4 |
и 8 |
— выносные |
х о л о д и л ь н и к и ; |
9 — компрессор |
пысокого |
|||||
д а в л е н и я ; |
10 — |
т о р о и д а л ь н а я |
о с н о в н а я камера |
с г о р а н и я ; H — |
т у р б и н а |
высокого |
д а в л е |
||||
ния; 12 и 17 — |
встроенные и п р о м е ж у т о ч н ы е камеры с г о р а н и я ; |
13 |
и |
15 |
— турбины сред |
||||||
него д а в л е н и я ; |
14 — выносная |
п р о м е ж у т о ч н а я |
камера с г о р а н и я ; |
16 |
— т у р б и н а |
|
н и з к о г о |
||||
|
|
|
|
д а в л е н и я |
|
|
|
|
|
|
6
носителем применяют электромагнитные насосы, служащие для
перемещения жидкого проводящего электрический ток |
металла |
по каналу под воздействием электромагнитного поля. |
|
При расчетах допустимо пользоваться так называемым |
гидрав |
лическим подходом к решению задачи. В этом случае поток осредняют по сечению канала и рассматривают только осредненное одномерное движение без анализа поля скоростей в сечении. Такой подход нашел широкое применение при расчетах теплообменных аппаратов, ТВЭЛов и трубопроводов с учетом местных сопро тивлений.
Расчет турбомашин (турбин, компрессоров и насосов) как их лопаточного аппарата, так и входных и выходных патрубков, камер сгорания и канала МГД-генератора и насоса нельзя окон чательно выполнять по одномерной теории; при расчете необхо димо учитывать также неравномерность поля скоростей, т. е. пространственный характер потока в данном сечении канала. Правильная оценка поля скоростей в данном сечении канала позволяет рационально профилировать лопаточный аппарат турбомашииы, ее патрубки и другие элементы газотурбинной и комби нированной установки.
Рассмотрим несколько подробнее характер течения в основных элементах установки.
Компрессор
Многоступенчатый осевой компрессор состоит обычно из трех основных частей: лопаточного аппарата, входного и выходного
патрубков. Лопаточный |
аппаратэто совокупность ступеней, |
|||||||||||
рабочих колес 1 и направляющих |
|
А-А |
||||||||||
аппаратов |
2, |
расположенных |
|
по |
|
|||||||
следовательно |
один |
за |
другим |
|
|
|||||||
(рис. |
3). |
Если |
рассечь |
ступень |
|
|
||||||
цилиндрической |
поверхностью |
ра |
|
|
||||||||
диусом |
г |
и |
сечение |
развернуть |
|
|
||||||
на плоскость, то получим |
так |
на |
|
|
||||||||
зываемые |
плоские |
решетки |
рабо |
|
|
|||||||
чего |
колеса |
и направляющего |
ап |
|
|
|||||||
парата. Решетки состоят из лопа |
|
|
||||||||||
ток, |
|
образующих |
|
диффузорные |
|
|
||||||
каналы, |
в |
которых |
происходит |
|
|
|||||||
преобразование кинетической энер |
|
|
||||||||||
гии |
газа |
в |
давление. Форма |
ре |
Рис. 3. |
Продольный разрез сту |
||||||
шетки |
зависит |
от |
радиуса |
секу |
пени |
осевого компрессора |
||||||
щей |
поверхности |
г. |
При |
расчете |
|
|
обтекания решетки на данном радиусе условнд^зассматривают обтекание прямой решетки плоским потоком. Все сечения обычно рассматривают независимо одно от другого, хотя при малых вы сотах лопаток и при сверхзвуковом обтекании это допущение
7
не выполняется. Поток в осевых зазорах между рабочими и на правляющими лопатками близок к осесимметричному, поэтому для его анализа удобно использовать цилиндрическую систему координат.
Входной патрубок обычно состоит из подводящего канала и осесимметричного кольцевого конфузора, обеспечивающего равно мерный подвод воздуха к первой ступени компрессора. Выходной патрубок состоит из кольцевого диффузора и отводящего канала.
А-А
и
Рис. 4. Продольный разрез ступени центробежного ком прессора
В подводящем и отводящем каналах скорости газа обычно неве лики, поэтому форма этих каналов слабо влияет на поле скоростей в осесимметричной части патрубка.
При расчете и профилировании осевого компрессора широкое применение получила теория течения в плоских прямых решетках
итеория осесимметричных течений газа.
Вцентробежном компрессоре (рис. 4) большое значение имеют осесимметричные течения газа в неподвижных элементах (входном патрубке 1 и безлопаточном диффузоре 3) конструкции, а также вопросы теории плоских круговых решеток, на основе которой рассчитывают течение в плоском колесе и в лопаточном диффу зоре 4. Течение в осерадиальном рабочем колесе 2 является весьма сложным пространственным течением, поддающимся лишь числен ному решению на ЭЦВМ или экспериментальному исследованию.
Турбина
Течение газа в газовой турбине (рис. 5) описывается теми же уравнениями, что и течение в компрессоре. Разница заключается лишь в характере течения газа в. межлопаточных каналах, где течение является конфузорным, сопровождающимся ростом ско рости потока. Центростремительная турбина (рис. 6) представ ляет собой как бы обращенный центробежный компрессор.
8
Рис. 7. Камера сгорания ГТУ
9