Срыв

Рис. 21. Влияние параметра π*т на

изменение угла атаки лопаток РК

Увеличение относительной скорости потока w1 очевидно из рис. 20, б и рис. 20, в. Оно определено правилом

уменьшением угла β1 набегания потока на лопатки РК по

относительной скорости w1.

Снижение темпов роста относительной доли потерь по относительной скорости (коэффициента потерь

57

следующим причинам:

1)увеличение кинетической энергии единицы массы газа по относительной скорости w21/2;

2)сравнительно малые темпы роста угла атаки

iРК = f(↓β1) (рис. 21);

3) рост отрицательных градиентов давления ∂р∂хи затягивание срыва потока на более высокие

положительные углы атаки лопаток РК. Следовательно, при π*т > π*т. р срыв потока со

спинок лопаток РК в районе их задних кромок развивается медленно и слабо сказывается на росте относительной доли потерь. КПД газовой турбины снижается, но не существенно (рис. 20).

Еще больше откроем дроссельную заслонку за ГТ. Это приведет к реализации на турбине более высокой

степени понижения давления π*т. При π*т = π*т max значение π*т велико на столько, что абсолютная скорость

потока на выходе из ГТ становится равной скорости звука (ст

= ат). Произошло запирание ГТ по ее выходу (по работе).

Теперь возмущения от дроссельной заслонки не могут преодолеть звуковой барьер (сверхзвуковой поток), войти

внутрь ГТ и оказать влияние на режим ее работы. Следовательно, на характеристике ГТ нет рабочих режимов, соответствующих π*т > π*т max.

Перейдем на левую ветвь характеристики ГТ η*т =

f(π*т). Для этого прикроем дроссельную заслонку за ГТ.

Полное давление р*т перед заслонкой (за ГТ) увеличится.

Степень понижения давления станет меньше расчетной (π*т < π*т.р). Снизится скорость с1 истечения газа из

соплового аппарата. При постоянстве параметра частоты вращения (n = const) и окружной скорости

58

перемещения лопаток РК (uк = const) с уменьшением π*т

произойдет качественная перестройка характера обтекания его рабочих лопаток (рис.20, а и рис. 21) и треугольника скоростей на входе в РК, а именно:

1)уменьшатся относительная скорость w1

икинетическая энергия потока по относительной

потерь в рабочем колесе ГТ и коэффициент потерь ξРК

(↑↑ ξРК = 2 ↑↑ L2r РК ). ↓ w1

Сказанное выше объясняет активное снижение КПД ГТ при уменьшении π*т < π*т. р (левая ветвь

характеристики η*т = f (π*т)).

Анализ характеристики по параметру работы газовой турбины

Согласно уравнению сохранения энергии параметр работы однозначно определен степенью понижения

давления π*т и коэффициентом полезного действия турбины η*т.

59

Общая тенденция изменения параметра работы

состоит в том, что при увеличении π*т параметр работы

монотонно возрастает:

В области расчетного режима работы ГТ (π*т ≈ π*т.р) КПД газовой турбины практически не изменяется и

не оказывает существенного влияния на параметре работы Lт Tг* .

Параметр работы в области правой ветви характеристики турбины (π*т > π*т.р) активно возрастает,

что обусловлено как повышением π*т, так и незначительным уменьшением КПД ГТ в области положительных углов атаки (iРК > 0) лопаток РК (рис. 22).

Наиболее сильное снижение параметра работы присуще левой ветви характеристики Lт Tг* = f (π*т) при

больших отрицательных углах атаки (малых π*т). Здесь

параметр работы падает как за счет уменьшения π*т, так и за счет резкого снижения КПД ГТ (рис.7.24).

Таким образом, наиболее эффективная область использования газовой турбины по параметру работы

лежит в пределах степени понижения давления π*т ≥ π*т.р.

60

61

Анализ характеристики турбины по параметру параметра расхода

Общая тенденция изменения параметра расхода

относительной плотности тока q(λСА) в критическом сечении СА первой ступени ГТ (рис. 23):

Дадим анализ характеру изменения относительной

плотности тока q(λСА) в критическом сечении а - а соплового аппарата первой ступени газовой турбины (рис. 24). Для этого относительную плотность тока

представим в виде:

относительной плотности тока

62

При π*т = 1,0 (πа = 1,0) скорость потока газа са в

горле СА (рис. 23) равна нулю. Плотность газа ρа – больше нуля. Следовательно, при положительном значении

критической плотности тока (скр ρкр) относительная плотность тока q(λСА) также равна нулю.

По мере увеличения π*т скорость са возрастает, а плотность газа ρа – уменьшается (газ расширяется).

Скорость са увеличивается быстрее снижения плотности ρа

( ∂са* > ∂ρ*а ). Следовательно, относительная плотность

∂πт ∂πт

тока q(λСА) возрастает (рис. 23).

При π*т = π*т.кр степень понижения давления π*т газа

πа в СА ГТ на участке от его входа до горла становится

критической (πа = πкр). Абсолютная скорость потока в горле са равна скорости звука – критической скорости.

Плотность газа ρа – критическая. Следовательно,

относительная плотность тока q(λСА) достигла значения,

равного единице (рис. 23).

При дальнейшем увеличении степени понижения

давления π*т (↑πСА > πа = π кр) абсолютная скорость потока в горле СА сохраняется постоянной, равной критической скорости. Следовательно, относительная плотность тока

будет постоянной (q(λСА) = const = 1,0) и не зависит от

степени понижения давления π*т. Произошло запирание ГТ по ее входу (по сопловому аппарату первой ступени турбины).

Характер изменения относительной плотности тока q(λСА) = f(π*т), описанный выше, лежит в основе

изменения параметра расхода.

До режима запирания ГТ по ее входу параметр расхода при увеличении π*т возрастает. При π*т > π*т.кр до

63

режима запирания ГТ по ее выходу параметр расхода (40)

сохраняется постоянным (рис. 23).

Влияние параметра частоты вращения на протекание характеристик ГТ

К сожалению, за параметром частоты вращения

n Tг* явно не просматривается характер обтекания лопаток РК. Решение указанной проблемы лежит в замене

параметра частоты вращения n Tг* безразмерным

кинематическим параметром uc1. Здесь окружная скорость u эквивалентна частоте вращения n, а абсолютная скорость с1

отображает параметр температуры Тг* = Т0* (38).

Рис. 25. Влияние параметра u/с1 на КПД ГТ и угол атаки лопаток РК

Влияние параметра uc1 на угол атаки лопаток

рабочего колеса iРК и на КПД ГТ η*т представлено на рис.

25.

64

На расчетном режиме углы атаки лопаток рабочего колеса ГТ близки к нулю. Обтекание этих лопаток плавное, безотрывное. Режим работы ГТ оптимальный. Ее КПД максимален.

Рост безразмерного параметра u/с1 > (u/с1)opt (↓

параметра n Tг* ) сопровождается увеличением

отрицательных углов атаки, отрывом потока с носка лопаток со стороны корыта и снижением КПД газовой

турбины η*т .

Снижение параметра u/с1 < (u/с1)opt ведет к

увеличению параметра частоты вращения n Tг* ,

сопровождается увеличением положительных углов атаки, срывом потока со спинок лопаток и снижением КПД ГТ.

Это видно по треугольникам скоростей, представленным на поле характеристик газовой турбины (рис. 20).

Перед анализом влияния параметра частоты вращения

n Tг* допустим, что постоянной остается

температура газа перед турбиной Т*г. Тогда режим обтекания рабочих лопаток будет определен только

частотой вращения ротора ГТ n (окружной скоростью u).

Анализ построим на поведении расчетной точки (точки оптимального режима) на поле характеристик газовой турбины.

При постоянном значении π*т увеличим окружную скорость u. Произойдет прирост параметра u/с1 (параметра

n Tг* ). Вектор относительной скорости w1 повернется

против часовой стрелки на уменьшение угла атаки iРК

(рис. 25). У носка лопаток РК со стороны корыта

формируется отрыв потока. Возрастут потери Lr на вихреобразование потока. КПД ГТ снизится. Оптимальный

65

режим работы ГТ может быть получен путем увеличения

π*т и абсолютной скорости с1. Следовательно, точка

оптимального режима и характеристики ГТ переместятся вправо.

По мере увеличения параметра u/с1 (параметра n Tг* ) и поддержания оптимального режима работы

ГТ (π*т = π*т opt) рост окружной скорости u сопровождается увеличением работы LРК рабочего колеса (работы турбины – срабатываемого теплоперепада Hт), так как возрастает

РК и КПД газовой турбины. Рабочая точка на поле

Рис. 26. Влияние параметра частоты вращения (ПЧВ) на характеристику ГТ: 1 – расчетный режим; 2 – увеличение ПЧВ; 3 – уменьшение ПЧВ

66

Таким образом, увеличение параметра частоты вращения n Tг* (параметра u/с1) сопровождается смещением характеристики ГТ η*т = f (π*т) вправо вверх. Уменьшению n Tг* характерно смещением

характеристики ГТ η*т = f (π*т) влево вниз.

Зависимость η*т = f(π*т) с ростом параметра

частоты вращения протекает более полого и наоборот.

67

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Курс лекций по ТАД, с. 125…133.

2.Гордиевских Л.А. Методические указания, с. 4…13.

СОДЕРЖАНИЕ

1.Цель работы……………………………………………1

2.Задание…………………………………………………1

3.Необходимые сведения из теории вопроса……..…...2 Библиографический список……………………………68

68

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы №4 «Экспериментальное получение и анализ характеристик газовой турбины» по дисциплине «Общая теория авиационных и ракетных двигателей» для студентов специальности 160700.65, 24.05.02 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» очной формы обучения

Составители: Ефимочкин Александр Фролович Москвичев Александр Викторович Федотов Максим Михайлович

В авторской редакции

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

394026 Воронеж, Московский пр., 14