6.Т2. Характеристики и регулирование турбин.

Газовая турбина представляет собою лопаточную машину, в которой потенциальная энергия сжатого и подогретого газа преобразуется в механическую работу на валу турбины с помощью вращающегося ротора, снабженного лопатками. Это преобразование обратно тому, которое имеет место в компрессоре, и с этой точки зрения турбина как гидравлическая машина представляет собой обращенный компрессор и наоборот.

Рис.6.19. Изображение рабочего процесса в турбине на i-S диаграмме.

Адиабатная работа турбины L_т, как это следует из рис.6.19, определяется разностью температур T_г  Т_тs

(6.20)

– степень понижения давления на турбине по параметрам торможения, среднее значение которой равно 1,7...2,2, но в отдельных случаях достигает 2,5-2,8.

Работа турбины, совершаемая 1 кг рабочего тела (с учетом потерь)

(6.21)

– КПД турбины. На расчетном режиме работы КПД ступени турбины обычно равен 0,9...0,92.

Мощность турбины

N_T=G_ГL_Т (6.22)

Характеристики турбин.

Характеристики турбин определяют зависимость кпд турбины и пропускной способности от режимных параметров – частоты вращения и степени понижения давления.

Для построения характеристик используют приведенную частоту вращения

(6.23)

Или относительную приведенную частоту вращения

(6.24)

Пропускная способность турбины характеризуется параметром расхода

(6.25)

Или относительным параметром расхода

(6.26)

Пример характеристики турбины, представленной в виде

, приведен на рис.6.20.

а б

Рис.6.20. Характеристики турбины; а – пропускная способность, б – кпд турбины.

Пропускная способность турбины остается постоянной на всех рабочих режимах по _т, снижение пропускной способности происходит только при малых нерабочих значениях _т. При этом расход газа равен критическому расходу через сопловой аппарат.

При работе турбины в составе двигателя приведенная частота меняется в пределах 10%. При таком изменении n_пр можно считать кпд турбины практически постоянной величиной. С учетом вышесказанного характеристики турбины могут быть представлены приближенно в виде

Регулирование турбины поворотом лопаток сопловых аппаратов.

Создание турбин с регулируемыми (поворотными) сопловыми лопатками является технически значительно более сложной задачей, чем применение поворотных направляющих аппаратов в компрессоре, так как требует разработки поворотных узлов и торцевых уплотнений.

Поворот лопаток сопловых аппаратов турбин может производиться с целью:

- регулирования расхода газа через турбину;

- изменения в желаемом направлении формы треугольников скоростей;

- перераспределения работы между ступенями турбины.

Т.7. КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ВРД

7.1. Общая характеристика камер сгорания и процессов горения.

Рис.7.1. Схема основной камеры сгорания.

1 – диффузор, 2 – форсунка, 3 – воспламенитель, 4 – наружный кожух КС, 5 – жаровая труба, 6 – кольцевые каналы охлаждения и подвода вторичного воздуха, 7 – внутренний кожух.

Назначение КС - подогрев рабочего тела до необходимой температуры.

Требования, предъявляемые к КС:

- обеспечение высокой полноты сгорания _Г=0,99 при =2,5 – 5;

- устойчивость процесса горения на всех режимах работы двигателя =1,5 – 20;

- обеспечение высотного запуска (Н=8 – 10 км);

- небольшие потери давления _Г0,95;

- обеспечение заданного поля температур на входе в СА турбины;

- низкий уровень эмиссии токсичных продуктов горения.

Особенность рабочего процесса в КС – протекание химических реакций горения. Реакции горения характеризуются параметром, называемым коэффициентом избытка окислителя (воздуха)

(7.1)

L₀ – стехиометрическое соотношение (для керосина L₀14,2 для метана L₀16,8).

При 1 воздуха в избытке, возможно полное окисление до СО₂ и Н₂О. Кроме того в продуктах сгорания будет содержаться азот и избыточный кислород. При 1 воздуха не хватает для полного окисления, поэтому в большом количестве будут присутствовать СО, а также С_хН_у (С₂Н₄, С₂Н₂ и др.).

Л.13

==========================================

Часть тепла реакции горения затрачивается на поджигание свежей смеси реагентов, поэтому, при очень малых и очень больших значениях  горение прекращается, т.к. выделяющегося тепла недостаточно для воспламенения смеси реагентов.

Степень завершенности процессов горения характеризуется коэффициентом полноты сгорания

(7.2)

Н_u – низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

Приближенно температуру на выходе КС можно рассчитать по уравнению теплового баланса (это уравнение можно применять только при 1)

(7.3)

Приближенно потому, что теплоемкости являются очень сложными функциями состава продуктов сгорания и температуры.

Подготовка горючей смеси.

Цель – создание топливо-воздушной смеси с благоприятным для горения соотношением топлива и воздуха.

Задачи, решаемые при подготовке горючей смеси:

- распыливание и испарение жидкого топлива

- смешение топлива с воздухом для образования хорошо горящей топливо-воздушной смеси.

капли.

Рис.7.2. Фотография струи, истекающей из центробежной форсунки. (А.А. Свириденков, В.В. Третьяков).

В современных камерах сгорания хорошего смесеобразования добиваются, также, организацией закрутки и соответствующей турбулизации воздушного потока.

Расход топлива в зависимости от режима работы двигателя может изменяться в 10 – 20 раз. Соответственно перепад на форсунке в 100 – 400 раз, т.к. . Поэтому в ВРД применяют двухканальные форсунки, в которые топливо подается из нескольких коллекторов. При малых расходах один канал отключается.

Подготовка смеси заканчивается испарением распыленного топлива. Процесс горения протекает в газообразной фазе. При использовании газообразного топлива испарение исключается и процесс подготовки заключается в организации хорошего перемешивания топлива с воздухом.

Классификация процессов горения.

Горение бывает гетерогенное и гомогенное (когда все компоненты в газовой фазе). В ВРД горение гомогенное.

Различают горение диффузионное и кинетическое. При кинети-

Скорость горения при этом определяется скоростью протекания самых медленных химических реакций.

При диффузионном горении горючее и окислитель подаются в зону горения раздельно. Для образования реакционно-способной смеси они должны сначала перемешаться. Поэтому скорость процесса горения определяется скоростью перемешивания компонент.

Рис.7.2. Положение фронта пламени в потоке.

Для процесса горения характерно наличие концентрационных пределов _min, _max. При <_min и >_max горние прекращается, даже при наличии источника поджигание, вследствие отвода тепла излучением и в стенки. Для углеводородных топлив _min=0,3 – 0,4, _max=1,7 – 1,9. Значения ламинарной скорости распространения пламени невелики u_н=0,5 – 1,5 м/с.

Рис.7.3. Турбулентное горение за V-образным стабилизатором.

Рис.7.4. Срывная характеристика гомогенного реактора

при горении смеси воздуха и углеводородного горючего.

смеси, т.е. стабилизация горения. На практике это реализуется организацией отрывных зон за плохообтекаемыми телами или в сильно закрученных струях.

Рис.7.5. Течение за V-образным стабилизатором.

ЗОТ – зона обратных токов, ЦЗ – циркуляционная зона,  – толщина стабилизатора; С_а, С_Т, Т – профили скорости, концентрации топлива и температуры.

В отрывной зоне за счет быстрого перемешивания почти однородное распределение температуры (Т1600 – 1800 К). На границе отрывной зоны располагается слой смешения, в котором перемешиваются свежая смесь и горячие продукты сгорания из ЦЗ, поджигающие свежую смесь. Стабилизация пламени при данных Т₀ и  возможна при скоростях потока не превышающих некоторой предельной величины.

Образование загрязняющих веществ. При горении образуются различные токсичные вещества. К ним относятся: окись углерода СО, несгоревшие углеводороды С_хН_у, окислы азота NO_x, несгоревшие частицы сажи.

Причина образования СО и С_хН_у – недостаточно хорошее перемешивание, в результате которого в богатых областях происходит неполное окисление, а в бедных – реакции «замораживаются» из-за низких температур.

В сильно обогащенных областях происходит образование частиц сажи. Сначала образуются зародыши, представляющие собой несгоревшие углеводороды, затем происходит их рост и слипание.

При высоких температурах происходит образование NO_x. Чем выше температура, тем больше скорость образования NO_x. Поэтому в диффузионных пламенах, где всегда имеются зоны 1 NO_x образуется интенсивно.