Файл: Бекнев В.С. Газовая динамика газотурбинных и комбинированных установок учеб. пособие.pdf

При расчете и профилировании турбин также используются уравнения осеснмметричного течения газа и теория плоских ре­ шеток.

Предпринимаются попытки учесть при расчете и профилиро­ вании лопаточного аппарата турбомашин влияние пограничных слоев, образующихся не только на профилях лопаток, но и на поверхностях корпуса и втулки турбомашин. Эти пограничные слон носят пространственный характер, а методы их расчета явл я ются п ол уэмп и р ическими.

Камера сгорания

Камера сгорания ГТУ с газодинамической точки зрения пред­ ставляет собой весьма сложный объект изучения и проектирова­ ния. Течение в ней существенно трехмерное и не поддается про­ стой схематизации. В камере (рис. 7) за стабилизаторами имеют место циркуляционные зоны обратных токов взаимодействия струйных течений с движущимся потоком. При таком сложном характере потоков в камере происходит выделение теплоты при сгорании топлива, т. е. течение в ней не может быть изоэнтропическнм. В настоящее время теория рабочего процесса камер сгорания разработана недостаточно, основными методами создания эффективных камер служат эксперимент и моделирование. При расчете камер сгорания используется теория турбулентных струй, теория отрывных течений для плохо обтекаемых тел, а также основы теории подобия.

Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты с газодинамической точки зрения представляют собой каналы с определенной формой поперечного сечения. При течении газа или жидкости по этому каналу часто

\

Рис. 8. Элемент тсплообменного аппарата трубча­ того типа

можно не интересоваться полем скоростей в его поперечном сече­ нии, но обязательно надо учитывать теплообмен через стенку, который будет определять изменение параметров газа по оси канала. При определенных значениях длин каналов, их диаметров

10

и тепловых потоков может произойти «запирание» каналов, при котором рост перепада давлений не позволяет увеличивать расход через канал.

К теплообменным аппаратам относятся регенераторы и холо­ дильники трубчатого (рис. 8) и пластинчатого типов, радиаторы систем охлаждения лопаток высокотемпературных турбин, ка­ налы тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, а также каналы охлаждаемых лопаток и других деталей газотурбинных и комбинированных установок.

Все эти аппараты обычно рассчитывают на основе теории одно­ мерных течений. Следует подчеркнуть, что в ряде случаев основ­ ную часть длины канала занимает так называемый начальный или разгонный участок, на котором формируется устойчивая форма профиля скоростей в данном канале.

Канал МГД-генератора

В комбинированной установке канал МГД-генератора (рис. 9) является основным источником электрической мощности. В ли­ нейном канале МГД-генератора кондукционного типа стенки / служат шинами, с которых снимается наведенная разность потен­ циалов, а стенки 2 являются изоляторами (их пронизывает магнит­

пло, в котором проводящий газ получает требуемую скорость.

Расчет рассмотренного и других типов МГД-генераторов бази­ руется на решении системы уравнений магнитной газодинамики, сочетающей в себе уравнения газодинамики с уравнениями элек­ тромагнитного поля.

Работа МГД-насоса описывается теми же уравнениями, что и МГД-генератора. Заданный закон изменения электромагнитного поля вызывает перемещение проводящей среды (жидкого металла).

Газотурбинные и комбинированные установки работают на раз­ личных рабочих телах с различными физическими свойствами. Мно­ гообразие свойств рабочих тел позволяет считать рабочее тело конструктивным параметром проектируемой установки, от кото­ рого в значительной степени зависят ее экономические, массовые и габаритные характеристики,

11

§ 2. РА БОЧИЕ ТЕЛА ГАЗОТУРБИННЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ УСТАНОВОК

Возможность и целесообразность использования в газотурбин­ ных (ГТ) и комбинированных установках (КУ) того или иного рабочего тела в известной мере зависит от производственных воз­ можностей техники. Действительно, к моменту появления в энер­ гетике паровых турбин (конец X I X в.) наиболее целесообразным рабочим телом оказался водяной пар (главным образом в силу повсеместного наличия воды). Эти же соображения и наличие в воздухе окислителя позволили применить воздух в смеси с про­ дуктами сгорания топлива в качестве рабочего тела газотурбин­ ных установок открытого цикла. Однако использование какоголибо вещества как рабочего тела только исходя из того, что оно имеет широкое распространение, часто не дает возможности полу­ чить максимальную эффективность от тепловой установки.

применять разнообразные рабочие тела: воду и водяной пар, воз­ дух с продуктами сгорания различных топлнв, инертные газы, азот и его газообразные соединения, водород, углекислый газ, органические соединения (фреон, дифенил, даутерм), продукты сгорания порохов, жидкие металлы (калий, натрий, ртуть ) и их пары и т. д.

Окончательное суждение о выборе того или иного вещества в качестве рабочего тела ГТ или КУ производится на основе ком­ плексного рассмотрения всех требований, предъявленных к ра­ бочему телу, или же на основе безоговорочного удовлетворения какого-либо одного из них, являющегося в данном конкретном случае преобладающим (например, выбор для турбореактивного двигателя в качестве рабочего тела смеси воздуха с продуктами сгорания топлива).

Требования, предъявляемые к рабочим телам ГТ и КУ, можно разбить на несколько групп: 1) термодинамические, 2) техникотехнологические, 3) экономические, 4) эксплуатационные. Для полной характеристики этих требований необходим всесторонний анализ разнообразных параметров установки. Очевидно, что использование того или иного рабочего тела только в какой-то мере соответствует предъявленным требованиям.

Процессы, происходящие в рабочем теле при его движении через ГТ и КУ во время рабочего цикла, следует обязательно учи­ тывать при газодинамических расчетах. При установившихся режимах работы эти процессы обычно равновесны, а при переход­ ных режимах их равновесие может нарушаться. К упомянутым процессам относятся: фазовые превращения, процессы переноса, химические реакции, теплообмен. Ориентировочные области тем­ ператур и давлений работы различных установок даны на рис. 10.

12

Фазовые превращения вызваны тем, что рабочее тело, совер­ шая рабочий цикл, может оказаться в разных агрегатных состоя­ ниях. При осуществлении термодинамических циклов разрабаты­ ваемых ГТ и КУ возможны такие циклы, в которых процессы, протекающие с переходом жидкости в насыщенный и перегретый пар и обратно, сопровождаются явлениями кипения, испарения, конденсации и нагревом или охлаждением рабочего тела. Однако возможно осуществление термодинамического цикла при одном агрегатном состоянии рабочего тела, как это происходит, напри­ мер, в газотурбинной уста­ новке.

давлений неудовлетворительно описывается уравнением состояния газа, поэтому для этих условий вводится коэффициент сжимае­ мости z = pIpRT, который можно считать примерно одинаковым для многих газов, если изображать его изменение в приведенных координатах я = р / р к р и т = Т/Ткр (рис. 11).

Зависимость плотности сухого воздуха от давления и темпера­ туры приведена на рис. 12. Наличие влаги в воздухе сильно влияет на его плотность, что учитывается введением соответствующих поправок.

Из физических процессов, происходящих в рабочем теле, наи­ большее значение имеют процессы переноса в нем (в пространстве и во времени) количества движения, теплоты и электрического заряда (если рабочее тело состоит, кроме того, и из заряженных частиц), а также процесс диффузии. Следует подчеркнуть, что все эти процессы происходят в движущемся (и часто с очень боль­ шими скоростями) рабочем теле.

13

Процесс переноса количества движения в данном случае надо понимать следующим образом. В силу хаотического теплового дви-. жения отдельные частицы газообразного рабочего тела (молекулы, группы молекул, атомы, ионы и т. п.) сталкиваются друг с другом. При столкновении они или обмениваются имеющимся количеством

—-а е .

2,0'

в какой-либо другой вид энергии, например рассеивается в виде теплоты в самом рабочем теле. Рассмотренное явление представ­

объединяются в группы и расстояния между молекулами препят­ ствуют их удалению на длины, существенно большие их размеров. Основой механизма вязкости при этом является взаимодействие межмолекулярных силовых полей и в существенно меньшей сте-

14

пени — передача энергии путем столкновения молекул. В жидко­ стях вязкость уменьшается с ростом температуры.

Почти для всех рабочих тел, используемых в ГТ и КУ, упомя­ нутую силу сопротивления х между слоями, отнесенную к единице поверхности трущихся слоев (касательное напряжение), можно представить в виде формулы Ньютона:

dv

где п — направление, перпендикулярное осредненной скорости и движения потока; \і — коэффициент динамической вязкости.

Основой процесса переноса теплоты конвективным теплообме­ ном также является перемещение или смещение частиц, состав­

нов и положительно заряженных ионов), перенос электрических зарядов вызывает электрический ток. Для его количественной оценки вводится вектор / плотности электрического тока. Он равен сумме всех зарядов, переносимых через единицу поверхности за единицу времени в направлении, перпендикулярном этой поверх­ ности.

Химические процессы, происходящие в рабочем теле, также весьма разнообразны. Прежде всего следует упомянуть о сгора­ нии топлива в камерах горения ГТ и ряда КУ, в результате чего возрастает температура рабочего тела и меняется его химический состав. Изменение химического состава рабочего тела может про­ исходить также и при его нагреве вследствие разложения на новые вещества.

С ростом температуры молекулы газообразных рабочих тел могут диссоциировать на более простые молекулы или распадаться до атомов. Одновременно, конечно, идет и обратный процесс ассоциации, так что устанавливается некоторое равновесие со­ стояния тела.

При максимально достижимых в КУ температурах рабочего тела (3000 К) в небольшой степени начинает проявляться также эффект термической ионизации (с обратным процессом рекомби­ нации).

Подвод (отвод) теплоты к рабочему телу осуществляется в ГТ и КУ различными способами. Выше уже упоминался конвектив­ ный теплообмен, характерный для теплообменников. Основным источником подвода теплоты является процесс горения топлива. Другие химические реакции, протекающие в рабочем теле, также служат источником выделения или поглощения теплоты (в их чи­ сло входят, например, диссоциация и ионизация). Если рабочее

15