книги из ГПНТБ / Бекнев В.С. Газовая динамика газотурбинных и комбинированных установок учеб. пособие

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

Рассмотрены основные свойства рабочих тел энергетических установок, от которых в значительной степени зависят их параметры.

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

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

© 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.

Г Л А В А I

ВВЕДЕНИЕ

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

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:

6

носителем применяют электромагнитные насосы, служащие для

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

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