Avtoargon.ru

АвтоАргон
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Основы работы реактивного двигателя

Основы работы реактивного двигателя.

В основе современных мощных реактивных двигателях различных типов лежит принцип прямой реакции, т.е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струи вытекающего из двигателя «рабочего вещества», обычно — раскалённых газов. Во всех двигателях существует два процесса преобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а затем тепловая энергия используется для совершения механической работы. К таким двигателям относятся поршневые двигатели автомобилей, тепловозов, паровые и газовые турбины электростанций и т.д. Рассмотрим этот процесс применительно к реактивным двигателям. Начнем с камеры сгорания двигателя, в котором тем или иным способом, зависящим от типа двигателя и рода топлива, уже создана горючая смесь. Это может быть, например, смесь воздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивного самолёта, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостных ракетных двигателях, или, наконец, какое-нибудь твёрдое топливо пороховых ракет. Горючая смесь может сгорать, т.е. вступать в химическую реакцию с бурным выделением энергии в виде тепла. Способность выделять энергию при химической реакции, и есть потенциальная химическая энергия молекул смеси. Химическая энергия молекул связана с особенностями их строения, точнее, строения их электронных оболочек, т.е. того электронного облака, которое окружает ядра атомов, составляющих молекулу. В результате химической реакции, при которой одни молекулы разрушаются, а другие возникают, происходит, естественно, перестройка электронных оболочек. В этой перестройке — источник выделяющейся химической энергии. Видно, что топливами реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании) выделяют достаточно много тепла, а также образуют при этом большое количество газов. Все эти процессы происходят в камере сгорания, но остановимся на реакции не на молекулярном уровне (это уже рассмотрели выше), а на «фазах» работы. Пока сгорание не началось, смесь обладает большим запасом потенциальной химической энергии. Но вот пламя охватило смесь, ещё мгновение — и химическая реакция закончена. Теперь уже вместо молекул горючей смеси камеру заполняют молекулы продуктов горения, более плотно «упакованные». Избыток энергии связи, представляющей собой химическую энергию прошедшей реакции сгорания, выделился. Обладающие этой избыточной энергией молекулы почти мгновенно передали её другим молекулам и атомам в результате частых столкновений с ними. Все молекулы и атомы в камере сгорания стали беспорядочно, хаотично двигаться со значительно более высокой скоростью, температура газов возросла. Так произошел переход потенциальной химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания. Подобных переход осуществлялся и во всех других тепловых двигателях, но реактивные двигатели принципиально отличаются от них в отношении дальнейшей судьбы раскалённых продуктов сгорания. После того, как в тепловом двигателе образовались горячие газы, заключающие в себя большую тепловую энергию, эта энергия должна быть преобразована в механическую. Ведь двигатели для того и служат, чтобы совершать механическую работу, что-то «двигать», приводить в действие, все равно, будь то динамо-машина на просьба дополнить рисунками электростанции, тепловоз, автомобиль или самолёт.Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую, их объём должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, на которую затрачивается их внутренняя и тепловая энергия.В случае поршневого двигателя расширяющиеся газы давят на поршень, движущийся внутри цилиндра, поршень толкает шатун, а тот уже вращает коленчатый вал двигателя. Вал связывается с ротором динамомашины, ведущими осями тепловоза или автомобиля или же воздушным винтом самолёта — двигатель совершает полезную работу. В паровой машине, или газовой турбине газы, расширяясь, заставляют вращать связанное с валом турбиной колесо — здесь отпадает нужда в передаточном кривошипно-шатунном механизме, в чем заключается одно из больших преимуществ турбины. Расширяются газы, конечно, и в реактивном двигателе, ведь без этого они не совершают работы. Но работа расширения в том случае не затрачивается на вращение вала. Связанного с приводным механизмом, как в других тепловых двигателях. Назначение реактивного двигателя иное — создавать реактивную тягу, а для этого необходимо, чтобы из двигателя вытекала наружу с большой скоростью струя газов — продуктов сгорания: сила реакции этой струи и есть тяга двигателя. Следовательно, работа расширения газообразных продуктов сгорания топлива в двигателе должна быть затрачена на разгон самих же газов. Это значит, что тепловая энергия газов в реактивном двигателе должна быть преобразована в их кинетическую энергию — беспорядочное хаотическое тепловое движение молекул должно замениться организованным их течением в одном, общем для всех направлении.Для этой цели служит одна из важнейших частей двигателя, так называемое реактивное сопло. К какому бы не все в там правда типу не принадлежал тот или иной реактивный двигатель, он обязательно снабжен соплом, через которое из двигателя наружу с огромной скоростью вытекают раскалённые газы — продукты сгорания топлива в двигателе. В одних двигателях газы попадают в сопло сразу же после камеры сгорания, например, в ракетных или прямоточных двигателях. В других, турбореактивных, — газы сначала проходят через турбину, которой отдают часть своей тепловой энергии. Она расходует в этом случае для приведения в движение компрессора, служащего для сжатия воздуха перед камерой сгорания. Но, так или иначе, сопло является последней частью двигателя — через него текут газы, перед тем как покинуть двигатель. Реактивное сопло может иметь различные формы, и, тем более, разную конструкцию в зависимости от типа двигателя. Главное заключается в той скорости, с которой газы вытекают из двигателя. Если эта скорость истечения не превосходит скорости, с которой в вытекающих газах распространяются звуковые волны, то сопло представляет собой простой цилиндрический или суживающий отрезок трубы. Если же скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придается форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а за тем расширяющейся (сопло Лавля). Только в трубе такой формы, как показывает теория и опыт, можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через «звуковой барьер».

25. Опасные и вредные факторы полёта АКТ

Основными вредными факторами, влияющими на состояние окружающей среды при пусках РН, являются большие выбросы продуктов сгорания при старте в приземном слое атмосферы (тропосферы). К нежелательным локальным последствиям в районе старта ракет-носителей могут так же привести выбросы хлористого водорода и окислов алюминия, содержащиеся в продуктах сгорания некоторых носителей, в частности «Шаттла». Эти выбросы могут вызвать выпадение кислотных дождей, увеличение содержания в воздухе взвешенных частиц, токсическое загрязнение облачного покрова, изменение погодных условий на прилегающих к стартовой площадке территориях.

В ряде систем РКТ — до 80-90 % приходится на топливо Соответственно, совокупные «отходы производства», включающие в себя также элементы конструкции при запуске РКТ составляют 97—99 %. При старте объекта РКТ, когда масса ракетно-космической системы максимальна скорость полета мала, происходит мощный залповый выброс продуктов сгорания и тепловой энергии, возникают сильные акустические колебания (шумы и вибрации).

Многие из применяемых компонентов ракетного топлива (КРТ) являются высокотоксичными. Чем больше стартовая масса, тем больше выброс продуктов сгорания. Имеются также остатки КРТ на отделяемых ступенях РН. Чем больше масса РН, тем большие остатки топлива на отделяемых ступенях. Все это – факторы загрязняющие природную среду на территориях РТ.

К основным факторам негативного воздействия РКТ на окружающую среду в районах падения отработавших ступеней РН относятся:

загрязнение почвы, атмосферы, поверхностных и грунтовых вод высокотоксичными продуктами сгорания РКТ с возможностью отравления ими живой природы и человека;

засорение территорий металлоконструкциями;

Читать еще:  Давление масла в двигателе бмв е36

механическое и химическое повреждение почвы и растительности.

1 Общие сведения о теории и конструкции авиационных двигателей, Назначение, принцип действия и классификация гтд

Авиационный двигатель предназначен для преобразования химической энергии топлива в энергию нагретого и сжатого газа.

Кроме того, он является основным энергетическим источником для силовых систем ЛА. Авиационный двигатель входит в состав силовой установки (СУ) ЛА. СУ представляет собой комплексную систему, предназначенную для получения движущей силы для перемещения ЛА и обеспечения работы двигателя и систем самолета.

Современные ЛА оснащены, в основном, газотурбинными двигателями (ГТД) различных типов. ГТД относится к классу воздушно-реактивных двигателей (ВРД), в которых рабочим телом является воздух. В основе рабочего процесса ГТД лежит термодинамический цикл последовательного сжатия воздуха, подвода к нему тепла и расширения газа.

Основной частью любого ГТД является газогенератор (ГГ), представляющий собой тепловую машину, состоящую из турбокомпрессора (ТК) и камеры сгорания (КС). Турбокомпрессор состоит из компрессора (К) и кинематически связанной с ним турбины (Т).

Термин «газогенератор» обозначает генерирование газового потока высокой энергии за счет подвода тепла к сжатому воздуху.

1.1 Принцип работы газогенератора.

К компрессору подводится воздушный поток с исходной энергией (ЕВ).

В компрессоре происходит сжатие воздуха за счет подвода к нему механической энергии (ЕК).

В камере сгорания к сжатому воздуху подводится тепло (Q), получаемое при сжигании горючего с использованием кислорода воздуха.

В турбине происходит расширение газа и от газового потока производится отбор части энергии (ЕТ) для получения механической работы на валу ТК.

На выходе из турбины газ обладает избыточной энергией ЕГГ, состоящей из внутренней энергии (тепловая энергия и энергия давления) и кинетической. Эта энергия может использоваться для создания движущей силы, передаваемой летательному аппарату.

Кроме газогенератора в состав двигателя и силовой установки входят дополнительные устройства, предназначенные для создания движущей силы или тяги.

Движущая сила может создаваться двумя способами:

за счет взаимодействия с деталями двигателя газовой струи выходящих из него газов («реактивная струя»); двигатели, создающие тягу таким образом, называются «двигатели прямой реакции»;

за счет отбрасывания атмосферного воздуха воздушным винтом; двигатели, создающие тягу таким образом, называются «двигатели непрямой реакции».

Таким образом, движущая сила создается в результате реакции элементов силовой установки с окружающим воздухом или газовой струей (3-й закон Ньютона).

1.2 Двигатели прямой и непрямой реакции

Двигатели прямой реакции

Самым простым представителем семейства ГТД является турбореактивный двигатель (ТРД), который создает тягу за счет реактивной струи. В силу того, что, согласно 2-му закону Ньютона, сила равна произведению массы тела на ускорение (P=mа), а согласно 3-му закону импульс силы, с которой газовый поток действует на двигатель равен разности количеств движения газа (Pt=mv2-mv1), реактивная струя должна обладать значительной скоростью. С этой целью в конструкции двигателя предусмотрено реактивное сопло, преобразующее внутреннюю энергию газа в кинетическую. Таким образом, ТРД представляет собой совокупность газогенератора и реактивного сопла (ГГ+РС).

Рис. 2. Классификация ГТД и области их применения

Тяга ТРД определяется по формуле P=GВ(c-v), где

G – секундный массовый расход воздуха кг/с;

c – скорость газового потока м/с;

v – скорость полета самолета (Скорость воздушного потокам/с.

Тяговые возможности газовой струи ограничены предельным уровнем избыточной энергии. Чем больше скорость ЛА, тем меньше разница между ЕВ и ЕГГ, т.к. последняя ограничена техническими возможностями конструкции ГГ (прежде всего уровнем предельно допустимой температуры газов перед турбиной). Уменьшение избыточной энергии ГГ естественно влечет за собой снижение тяги двигателя. В результате ТРД «вырождается» энергетически уже при М  1,2.

Наиболее эффективным способом повышения энергии газовой струи (форсирование тяги) является подогрев газа за пределами ГГ. Реализация этого процесса происходит в форсажной камере (ФК), устанавливаемой за турбиной. Это позволяет значительно увеличить предельные скорости полета самолета (до М4). Такая схема присуща форсированному ТРД (ТРДФ). Однако полет с применением форсажной камеры ограничен по времени, т.к. при этом значительно увеличивается расход топлива (примерно в 2,5 раза).

Стремление повысить экономичность ТРД с сохранением его тяговых возможностей привело к созданию двухконтурного ТРД (ТРДД). В таком двигателе часть энергии газового потока подводится к воздуху, поступающему в так называемый второй контур (этот воздух не используется в процессе горения в КС), и далее – к реактивному соплу. Возрастание тяги такого двигателя при том же расходе топлива, что и у ТРД, объясняется увеличением массы рабочего тела. К преимуществам такого двигателя относятся также меньшая масса (т.к. он имеет меньшие размеры ГГ) и меньшая шумность (за счет меньшей скорости газовой струи). Однако, следует отметить, что ТРДД «вырождается» несколько раньше, чем ТРД, т.к. избыточная энергия, подводимая к воздушному потоку несколько ниже, чем в ТРД.

С целью увеличения тяговых характеристик ТРДД он также может оснащаться форсажной камерой (ТРДДФ).

Реактивные двигатели, устройство, принцип работы

Рассмотрим этот процесс применительно к реактивным двигателям. Начнем с камеры сгорания двигателя, в котором тем или иным способом, зависящим

Реактивные двигатели, устройство, принцип работы

Авиация, Астрономия, Космонавтика

Другие материалы по предмету

Темы: Виды реактивных двигателей, физические основы реактивного движения при разных скоростях.

В современной авиации гражданской и военной, в космической технике широкое применение получили реактивные двигатели, в основу создания которых положен принцип получения тяги за счёт силы реакции, возникающей при отбросе от двигателя некоторой массы (рабочего тела), а направление тяги и движения отбрасываемого рабочего тела противоположны. При этом величина тяги пропорциональна произведению массы рабочего тела на скорость её отброса. Так упрощённо можно описать работу реактивного двигателя, а настоящая научная теория наглости современных реактивных двигателей разрабатывалась несколько десятков лет. И в её основе и конструкции реактивных двигателей лежат труды русских учёных и изобретателей, которые в развитии реактивных двигателей и вообще в ракетной техники всегда занимали ведущее место. Конечно, к началу работ по ракетной технике в России относится к 1690г., когда было построено специальное заведение при активном участии Петра 1 для производства пороховых ракет, которые гораздо ранее были использованы в древнем Китае. Тем не менее пороховые ракеты образца 1717г. благодаря своим высоким по тому времени качествам использовались почти без изменения в течение около ста лет. А первые попытки создания авиационного реактивного двигателя следует наверно отнести к 1849 году, когда военный инженер И.М. Третесский предложил для передвижения аэростата использовать силу реактивной струи сжатого газа. В 1881 Кибальчич разработал проект летательного аппарата тяжелее воздуха с реактивным двигателем. Конечно, это были первые попытки использовать силу реактивной струи для летательных аппаратов, а конечно Н.Е.Жуковский, «отец русской авиации», впервые разработавший основные вопросы теории реактивного движения, является по праву основоположником этой теории.

Труды Российских и советских учёных и конструкторов вместе с трудами наших выдающихся соотечественников Н.Е.Жуковского, К.Э.Циолковского, В.В.Уварова, В.П.Мишина и многих других являются основой современной реактивной техники, что позволило создать высокоскоростные истребители типа……, тяжёлые транспортные самолёты типа Руслан, сверхзвуковой лайнер Ту- 144, ракетоноситель Энергия и орбитальную станцию Мир и многое другое, что является нашей славной историей и гордостью России.

I. Физические основы работы реактивного двигателя.

В основе современных мощных реактивных двигателях различных типов лежит принцип прямой реакции, т.е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струи вытекающего из двигателя «рабочего вещества», обычно — раскалённых газов.

Во всех двигателях существует два процесса преобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а затем тепловая энергия используется для совершения механической работы. К таким двигателям относятся поршневые двигатели автомобилей, тепловозов, паровые и газовые турбины электростанций и т.д.

Читать еще:  Шевроле круз предохранитель на запуск двигателя

Рассмотрим этот процесс применительно к реактивным двигателям. Начнем с камеры сгорания двигателя, в котором тем или иным способом, зависящим от типа двигателя и рода топлива, уже создана горючая смесь. Это может быть, например, смесь воздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивного самолёта, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостных ракетных двигателях, или, наконец, какое-нибудь твёрдое топливо пороховых ракет. Горючая смесь может сгорать, т.е. вступать в химическую реакцию с бурным выделением энергии в виде тепла. Способность выделять энергию при химической реакции, и есть потенциальная химическая энергия молекул смеси. Химическая энергия молекул связана с особенностями их строения, точнее, строения их электронных оболочек, т.е. того электронного облака, которое окружает ядра атомов, составляющих молекулу. В результате химической реакции, при которой одни молекулы разрушаются, а другие возникают, происходит, естественно, перестройка электронных оболочек. В этой перестройке — источник выделяющейся химической энергии. Видно, что топливами реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании) выделяют достаточно много тепла, а также образуют при этом большое количество газов. Все эти процессы происходят в камере сгорания, но остановимся на реакции не на молекулярном уровне (это уже рассмотрели выше), а на «фазах» работы. Пока сгорание не началось, смесь обладает большим запасом потенциальной химической энергии. Но вот пламя охватило смесь, ещё мгновение — и химическая реакция закончена. Теперь уже вместо молекул горючей смеси камеру заполняют молекулы продуктов горения, более плотно «упакованные». Избыток энергии связи, представляющей собой химическую энергию прошедшей реакции сгорания, выделился. Обладающие этой избыточной энергией молекулы почти мгновенно передали её другим молекулам и атомам в результате частых столкновений с ними. Все молекулы и атомы в камере сгорания стали беспорядочно, хаотично двигаться со значительно более высокой скоростью, температура газов возросла. Так произошел переход потенциальной химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания.

Подобных переход осуществлялся и во всех других тепловых двигателях, но реактивные двигатели принципиально отличаются от них в отношении дальнейшей судьбы раскалённых продуктов сгорания.

После того, как в тепловом двигателе образовались горячие газы, заключающие в себя большую тепловую энергию, эта энергия должна быть преобразована в механическую. Ведь двигатели для того и служат, чтобы совершать механическую работу, что-то «двигать», приводить в действие, все равно, будь то динамо-машина на просьба дополнить рисунками электростанции, тепловоз, автомобиль или самолёт.

Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую, их объём должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, на которую затрачивается их внутренняя и тепловая энергия.

В случае поршневого двигателя расширяющиеся газы давят на поршень, движущийся внутри цилиндра, поршень толкает шатун, а тот уже вращает коленчатый вал двигателя. Вал связывается с ротором динамомашины, ведущими осями тепловоза или автомобиля или же воздушным винтом самолёта — двигатель совершает полезную работу. В паровой машине, или газовой турбине газы, расширяясь, заставляют вращать связанное с валом турбиной колесо — здесь отпадает нужда в передаточном кривошипно-шатунном механизме, в чем заключается одно из больших преимуществ турбины

Расширяются газы, конечно, и в реактивном двигателе, ведь без этого они не совершают работы. Но работа расширения в том случае не затрачивается на вращение вала. Связанного с приводным механизмом, как в других тепловых двигателях. Назначение реактивного двигателя иное — создавать реактивную тягу, а для этого необходимо, чтобы из двигателя вытекала наружу с большой скоростью струя газов — продуктов сгорания: сила реакции этой струи и есть тяга двигателя. Следовательно, работа расширения газообразных продуктов сгорания топлива в двигателе должна быть затрачена на разгон самих же газов. Это значит, что тепловая энергия газов в реактивном двигателе должна быть преобразована в их кинетическую энергию — беспорядочное хаотическое тепловое движение молекул должно замениться организованным их течением в одном, общем для всех направлении.

Для этой цели служит одна из важнейших частей двигателя, так называемое реактивное сопло. К какому бы не все в там правда типу не принадлежал тот или иной реактивный двигатель, он обязательно снабжен соплом, через которое из двигателя наружу с огромной скоростью вытекают раскалённые газы — продукты сгорания топлива в двигателе. В одних двигателях газы попадают в сопло сразу же после камеры сгорания, например, в ракетных или прямоточных двигателях. В других, турбореактивных, — газы сначала проходят через турбину, которой отдают часть своей тепловой энергии. Она расходует в этом случае для приведения в движение компрессора, служащего для сжатия воздуха перед камерой сгорания. Но, так или иначе, сопло является последней частью двигателя — через него текут газы, перед тем как покинуть двигатель.

Реактивное сопло может иметь различные формы, и, тем более, разную конструкцию в зависимости от типа двигателя. Главное заключается в той скорости, с которой газы вытекают из двигателя. Если эта скорость истечения не превосходит скорости, с которой в вытекающих газах распространяются звуковые волны, то сопло представляет собой простой цилиндрический или суживающий отрезок трубы. Если же скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придается форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а за тем расширяющейся (сопло Лавля). Только в трубе такой формы, как показывает теория и опыт, можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через «звуковой барьер».

II. Классификация реактивных двигателей и особенности их использования

Однако этот могучий ствол, принцип прямой реакции, дал жизнь огромной кроне «генеалогического дерева» семьи реактивных двигателей. Чтобы познакомиться с основными ветвями его кроны, венчающей «ствол» прямой реакции. Вскоре, как можно видеть по рисунку (см. ниже), этот ствол делится на две части, как бы расщепленный ударом молнии. Оба новых ствола одинаково украшены могучими кронами. Это деление произошло по тому, что все «химические» реактивные двигатели делятся на два класса в зависимости от того, используют они для своей работы окружающий воздух или нет.

Принцип действия активной и реактивной ступеней турбины. Преобразование энергии пара

Турбинной ступенью называется совокупность неподвижного ряда сопловых (направляющих) лопаток, в каналах которых происходит расширение и ускорение потока пара (преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию движущейся струи пара), и следующего за ним подвижного вращающегося ряда рабочих лопаток, в которых кинетическая энергия движущегося потока пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора.

Простейшая одноступенчатая активная турбина (рис. 42.а) состоит из ряда неподвижных сопловых лопаток, образующих сужающиеся каналы – сопла в дозвуковых турбинах, и сужающе-расширяющиеся сопла – в сверхзвуковых турбинах. В каналах соплового аппарата потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию движущейся струи, при этом происходит расширение пара и он с большой скоростью поступает в каналы, образованные рабочими лопатками. Так как каналы рабочих лопаток активной турбины имеют постоянное (по ходу движения пара) проходное сечение, то расширения пара в них не происходит. В каналах рабочих лопаток пар только изменяет направление движения, оказывая силовое воздействие на рабочие лопатки, закрепленные на диске. Усилие, развиваемое паром на рабочих лопатках, через диск передается на вал турбины, приводя его во вращение. Вал турбины вращается в подшипниках, установленных в корпусе. Корпус турбины образует замкнутое пространство, организуя движение пара и препятствуя его рассеянию в окружающую среду. Пройдя ряд сопловых и рабочих лопаток, отработавший пар покидает корпус турбины, и через выхлопной патрубок поступает в главный конденсатор (у конденсационных турбин) или в магистраль отработавшего пара (у противодавленческих турбин). Каналы рабочих и сопловых лопаток составляют проточную часть турбины.

Читать еще:  Высокие обороты двигателя на низкой передаче

Принцип действия реактивной турбины (рис. 42.б) несколько иной. На пустотелый вал насажены пустотелые спицы, заканчивающиеся в радиальных направлениях соплами. Пар поступает по валу и спицам к соплам, разгоняется в них до больших скоростей, и при истечении через сопла оказывает реактивное воздействие на спицы, приводя во вращение вал.

Описанная конструкция реактивной турбины из-за огромной частоты вращения на практике не применяется. Наибольшее распространение в судовых паротурбинных установках нашли реактивные турбины, использующие рассмотренный выше принцип работы, но схожие по своему устройству с активными турбинами. В таких реактивных турбинах расширение пара осуществляется как в направляющем аппарате, так и на рабочих лопатках.

Активная турбинная ступень

В активной турбине (рис. 43) свежий пар с начальными параметрами: давлением p , температурой t и абсолютной скоростью c , подводится к сопловому аппарату (сечение 0). В каналах соплового аппарата происходит расширение пара, в результате чего скорость потока пара на выходе из сопл (сечение 1) увеличивается до значения c 1 , а давление снижается до значения p1. С этой скоростью пар поступает в каналы, образованные рабочими лопатками. В каналах рабочих лопаток происходит изменение направления движения потока пара без его расширения. Абсолютная скорость пара на выходе из каналов рабочих лопаток (сечение 2) уменьшается до величины выходной скорости c2 , а давление пара остается равным значению p1 . В результате обтекания рабочих лопаток и поворота потока пара возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки в сторону выпуклой, передающаяся через диск на вал и создающая крутящий момент на валу турбины. Диск турбины приходит во вращение, при этом рабочие лопатки на среднем диаметре движутся с окружной скоростью u .

На диаграмме i — s начальным параметрам пара на входе в сопловый аппарат соответствует точка A . Теоретически (без учета потерь) процесс расширения пара в сопловом аппарате от давления p до давления p1 протекает изоэнтропно. Параметрам пара после соплового аппарата при изоэнтропном расширении соответствует точка АНt , а сам процесс расширения выглядит как вертикальная линия A — AНt .

Разность значений энтальпии в начальной и конечной точках при изоэнтропном расширении пара представляет собой располагаемый (изоэнтропийный) теплоперепад в сопловом аппарате –hai . В реальных условиях при движении пара через проточную часть турбины неизбежны потери энергии. Процесс расширения пара в этом случае не является изоэнтропным, а точка, характеризующая действительные параметры пара за соплами – АН , смещается вправо по изобаре p1 на величину потерь энергии в сопловом аппарате – qН.

В каналах рабочих лопаток активной турбины расширения пара не происходит, поэтому значения давлений пара на входе в каналы рабочих лопаток и на выходе из них одинаковы. На диаграмме i — s действительные параметры пара на выходе из рабочих лопаток обозначены точкой АР , а процесс, протекающий изобарно в каналах рабочих лопаток – линией AH — AP. Точка АР отстоит от точки АН на величину потерь энергии – qР .

Пар, выходящий из каналов рабочих лопаток, обладает конечной скоростью c2 и уносит с собой некоторую часть кинетической энергии. Эта энергия пара не используется в турбине и называется потерей с выходной скоростью – qA . Действительные параметры пара на выходе из турбины характеризуются точкой Aa .

Весь располагаемый теплоперепад ha , срабатываемый в активной турбине, полностью срабатывается в сопловом аппарате: ha = haH.

Реактивная турбинная ступень

В реактивной турбине (рис. 44) свежий пар с начальными параметрами: p , t , и абсолютной скоростью c, подводится к направляющему аппарату (сечение 0). В сужающихся каналах направляющего аппарата происходит расширение пара, в результате чего на выходе из него (сечение 1) скорость потока пара увеличивается до значения c1, а его давление снижается до значения p1. С этой скоростью пар поступает к рабочим лопаткам турбины. В реактивной турбине рабочие лопатки образуют сужающиеся каналы, в результате чего в них происходит дальнейшее расширение пара. При этом на выходе из лопаток (сечение 2) давление пара снижается до величины p2 , а скорость потока пара – до значения c2. При обтекании потоком пара рабочих лопаток и повороте потока на рабочих лопатках возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки к выпуклой. Вместе с тем, при расширении и ускорении потока пара, в каналах рабочих лопаток возникает дополнительная реактивная сила, воздействующая на них в том же направлении. Суммарное усилие, действующее на рабочие лопатки, передается валу турбины и создает на нем крутящий момент. Ротор турбины приходит во вращение, при этом рабочие лопатки на среднем диаметре движутся с окружной скоростью u .

Теоретический процесс расширения пара в реактивной турбине протекает изоэнтропно и изображается на диаграмме i — s в виде вертикальной линии Ао – А2t(рис. 44). Линия Ao – A1t на диаграмме изображает теоретический процесс расширения пара в каналах направляющего аппарата. При расширении пара в направляющем аппарате срабатывается теплоперепад – hai. Фактически процесс расширения пара в направляющем аппарате протекает по линии A — AH, а точка AI характеризует действительные параметры пара на выходе из направляющего аппарата. Точка AÍ отстоит от теоретической A1t на величину потерь – qÍ . Дальнейший процесс расширения пара в каналах рабочих лопаток начинается из точки AÍ , и при изоэнтропийном расширении выглядит как вертикальная линия AH — Apt . При расширении пара в каналах рабочих лопаток срабатывается теплоперепад had . Фактически процесс расширения пара в каналах рабочих лопаток протекает по линии Ah — Ap , а точка AР характеризует действительные параметры пара за выходной кромкой рабочих лопаток. Точка AР отстоит от теоретической AРt на величину потерь – qÐ . По аналогии с активной турбиной, в реактивной также имеют место потери с выходной скоростью – q , при этом действительные параметры пара за реактивной турбиной описываются состоянием рабочего тела в точке A .

В отличие от активной, в реактивной турбине весь располагаемый теплоперепад – hà срабатывается частично в направляющем аппарате – hàÍ , частично на рабочих лопатках – hàÐ .

Степенью реактивности турбинной ступени – p называется отношение величины изоэнтропийного теплоперепада на рабочих лопатках к сумме располагаемых изоэнтропийных теплоперепадов на направляющих и рабочих лопатках, которая примерно равна располагаемому теплоперепаду всей турбинной ступени:

Таким образом, чем больше степень расширения пара в каналах рабочих лопаток, тем больше степень реактивности турбинной ступени:

P = 0 – для чисто активных турбин (расширение пара происходит только в сопловом (направляющем) аппарате: haD = 0; ha = haI

P = 0,5 – для чисто реактивных степеней (расширение пара происходит в равной степени в направляющем аппарате и рабочих лопатках: haI = haD).

В настоящее время в турбостроении чисто активные ступени не применяются ввиду сложности подвода пара к рабочим лопаткам (пар должен поступать перпендикулярно плоскости лопаток). В действительности активные турбины всегда имеют некоторую степень реактивности – p = 0,03 ÷ 0,2 , что позволяет снизить величину потерь энергии в турбинной ступени. Поэтому когда речь идет об активных и реактивных турбинах, в большей степени имеют ввиду конструктивные отличия в исполнении проточных частей этих типов паровых турбин.

Литература

Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector