Общая информация о лопаточных машинах и терминология Доцент каф. ТДЛА Самарского университета, Батурин Олег Витальевич 443086 г. Самара, Московское шоссе 34, комн. 336-5 Tel: (846)267-45-94 oleg.v.baturin@gmail.com Самара 2019
Турбомашина (лопаточная машина) – устройство, в котором происходит преобразование энергии за счет постоянного обтекания элементов вращающегося ротора потоком жидкости или газа, движущегося с высокой скоростью. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТУРБОМАШИН 2 Работа подводится к потоку Работа отбирается от потока Работа расходуется на сообщение потоку импульса и повышение давления (компрессор, вентилятор, насос) В работу преобразуется кинетическая и потенциальная энергия потока (турбина) Отличительные признаки турбомашины: Процесс протекает непрерывно Взаимодействие осуществляется с помощью специальных элементов – лопаток
Работа подводится к потоку Объемные машины Лопаточные машины Поршневые Винтовые Лопаточный компрессор Вентилятор Роторно – пластинчатый «Рут» Насос Работа отбирается от потока Паровая машина Турбина Конкуренты турбомашин 3
Достоинства турбомашин 4 Высокие удельные параметры Возможность получения больших мощностей Высокий КПД ступени Большая скорость движения рабочих органов Низкая вибрация Высокая надежность Простота монтажа и эксплуатации Равномерные параметры потока на выходе Машинное масло не попадает в рабочее тело Хорошее согласование с генераторами и другими турбомашинами тип Степень сжатия скорость КПД 20 10 95 4 30 60 1,8 100 90 5 150 82 8 600 86 2 500 94
Недостатки турбомашин 5 Недостатки: Низкая эффективность при малых расходах рабочего тела Имеются режимы, где турбомашины неработоспособны Меньшая степень повышения давления в одной ступени Поршневой Винтовой Центробежный Сравнение характеристик разных типов компрессоров Зона, где работа невозможна n, об/мин Степень повышения давления Частота вращения Массовый расход Объемный расход Степень повышения давления Степень повышения давления
Сравнение динамических и лопаточных машин 6 Объемные машины Турбомашины Принцип действия Изменение размеров изолированного объема Обтекание потоком профилированных лопаток Частота вращения ротора < 20 000 об/мин < 500 000об/мин Степень сжатия высокая низкая Расход рабочего тела низкий высокий Тип движения рабочего тела прерывистый непрерывное Стоимость установки высокая низкая Область применения Высокая степень сжатия Малые расходы Низкая степень сжатия Большие расходы
Сравнение газотурбинного и поршневого двигателей одинаковой мощности 7 MTU 16V 595 TE70L MTU TF50 тип Дизель Газотурбинный Мощность, кВт 3925 3800 Частота вращения, об/мин 1750 16000 Длина, м 3,98 1,39 Ширина, м 1,66 1,89 Объем, м3 18,96 1,29 Масса, кг 13000 710
Области применения разных машин 8 Работа подводится к потоку Работа отбирается от потока
Области применения турбомашин 9
Области применения турбомашин 10 Каковы области применения турбомашин в разных областях? Авиационный транспорт Ракетнокосмическая техника Флот Нефтегазовая промышленность Автомобильный транспорт Быт и медицина Машиностроительные предприятия
Электроэнергия вырабатывается паровыми, газовыми, гидравлическими и ветряными турбинами Воздушные перевозки осуществляются с помощью ГТД Основным судовым движителем является винт Силовые установки кораблей - паровые или газовые турбины, дизели с турбонаддувом 90% дизельных двигателей оснащены турбонаддувом Насосы подают воду в дома, откачивают канализационные стоки Топливо в двигатели подаются лопаточными насосами Движение воздуха в системах охлаждения, вентиляции и кондиционирования организуется с помощью вентиляторов Экономическая значение ТУРБОМАШИН 11
Разнообразие применяемых турбомашин 12 Параметр Минимальное значение Максимальное значение Размеры 4 мм (стоматологический наконечник) 100 м (ветряная турбина) Частота вращения 6 об/мин (ветряная турбина) 450 000 об/мин (стоматологический наконечник) Массовый расход 0,001 кг/с (стоматологический наконечник) 700 000 кг/с (Турбина Франциска) Мощность 3 Вт (стоматологический наконечник) 1200 МВт (Паровая турбина) Степень повышения давления насоса 1000 Па (насос системы охлаждения ДВС) 30 000 МПа (насос питания котла) Степень Повышения давления (газ) 1,00 (вентилятор) 100 (многоступенчатый центробежный компрессор)
Лопатки турбомашин 13 Основной элемент турбомашины – лопатка (специально спрофилированные поверхности) Основные элементы лопаток Лопатки Бандажная полка Перо Замок Корытце Спинка Выходная кромка Входная кромка
Лопатки турбомашин 14 Какие бывают лопатки? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Осевой компрессор Осевой компрессор Осевой компрессор Осевая турбина Осевая турбина Осевая турбина Радиальная турбина Радиальная турбина Центробежный компрессор Центробежный компрессор Центробежный компрессор Центробежный насос
Крепление лопаток к диску (корпусу) 15 Замок «Ласточкин хвост» Елочный замок Лопатки без замка Радиальные машины BLISK BLING Шарнирный замок Диск Лопатка Проушина Ось замка Сравнение масс рабочих колес с разными способами крепления Масса,%
Бандажная полка 16 1 Вариант – Бандаж в проточной части Такой вид бандажа Снижает КПД на 1…2% Осевой компрессор Осевые турбины Рабочее колесо осевого компрессора с бандажом Рабочая лопатка компрессора с бандажом Вид сверху на бандаж Бандажная полка Рабочее колесо осевого компрессора с двухрядным бандажом Паровая турбина Авиационная турбина Трос Ступень с бандажом Ступень без бандажа
Бандажная полка 17 2 Вариант – Бандаж на периферии Осевая турбина Рабочие колеса центробежного насоса колесо с бандажом колесо без бандажа Такой вид бандажа увеличивает КПД на 1…2% Без бандажа с бандажом Сравнение лопаток Осевых турбин Закрытые рабочие колеса Сопряжение лопаток Осевых турбин
Определения 18 Лопаточный венец – c авокупность лопаток, установленных на ободе диска или в кольцевом корпусе Виды венцов: подвижные – рабочее колесо (РК); неподвижные – направляющий аппарат (НА) [ для компрессора ] – сопловой аппарат (СА) [ для турбины ] Подвижные и неподвижные венцы чередуются Полный Порциальный Типы лопаточных венцов ВНА РК РК НА НА
Определения 19 Jet Cat P200 Ротор Рабочие лопатки с дисками и валами Статор Неподвижные лопатки с корпусами
Ступень компрессора 20 Осевой компрессор 1. Ступень: РК+НА (2 венца) 2. Ступень: ВНА+РК+НА (3 венца) Выделите отдельные ступени Сколько ступеней в компрессоре? №1 №2 №3 №4 №5 №6 18
Ступень компрессора 21 Центробежный компрессор (обобщенная ступень) Агрегат наддува ГТД Выход Вход Улитка Лопаточный диффузор Рабочее колесо ВНА
Ступень турбины 22 Осевая турбина Ступень: СА+РК (2 венца) Выделите отдельные ступени Сколько ступеней в турбине? №1 №2 №3 №4 1+1+4 3
Ступень турбины 23 обобщенная ступень турбины Центростремительная турбина Назначение диффузора турбины Определите элементы ступени
Нумерация контрольных сечений ступени турбомашины 24 Компрессор турбина Вход Выход Выход Вход 0 – Вход в ВНА 1 – Вход в РК 2 – Выход из РК 3 – выход из НА 0 – Вход в СА 1 – Вход в РК 2 – Выход из РК Закономерность: 1 – вход в рабочее колесо 2 – выход из рабочего колеса Номера стандартизованы!!! Они используется для идентификации параметров
Система координат 25 Система координат Проецирование векторов Используемые сечения Меридиональное Нормальное Цилиндрическое Радиальная проекция Окружная проекция Осевая проекция Меридиональная проекция
Густота решетки Относительный шаг Удлинение лопатки Относительная координата расположения максимальной толщины профиля Геометрические параметры турбомашины 26 Параметры меридионального сечения Параметры решетки профилей Безразмерные параметры Удлинение лопатки: Относительный диаметр втулки: Относительная высота лопатки: Измерение углов Компрессор турбина
Критерий Классификация По направлению движения энергии Машины двигатели Машины исполнители Число ступеней Одноступенчатые Многоступенчатые Число каскадов (валов) Однокаскадные Многокаскадные Позиция вала Горизонтальная Вертикальная Классификация турбомашин 27
Критерий Классификация Число входов Однозаходные Двухзаходные По наличию корпуса Открытые Зарытые По числу протоков рабочего тела Однопроточные Двухпроточные Классификация турбомашин 28
Классификация турбомашин 29 Тип Осевые Центробежные Центростремительные Диагональные Компрессоры Крайне редко используется Фото Турбины Статор Ротор Статор Ротор Статор Ротор Статор Ротор Ротор Ротор Ротор Статор Статор Статор
Тип турбомашины Осевая Центробежная Центростремительная Диагональная Степень повышения (понижения) давления < 2 < 12 < 6 < 5 MAX КПД 0,92 0,85 0,88 0,9 Классификация турбомашин 30 Примеры различных турбомашин Центробежный компрессор Осевая турбина Осевой компрессор
Ротор Статор Тип турбомашины Осевая Центробежная Центростремительная Диагональная Уровень КПД при малых расходах рабочего тела низкий приемлемый приемлемый приемлемый Свойства в многоступенчатой конфигурации Простая конструкция Дополнительных потерь нет Увеличение размеров Потери из-за дополнительных поворотов потока Увеличение размеров Потери из-за дополнительных поворотов потока Простая конструкция Дополнительных потерь нет Согласуются с осевыми ступенями Классификация турбомашин 31 Влияние расхода рабочего тела на КПД Многоступенчатые турбомашины Осевая Центробежная
32 Классифицируйте турбомашины? 1 2 3 4 Центробежный компрессор и центростремительная турбина Классификация турбомашин Шнек центробежный насос и осевая турбина Осевой компрессор и осевая турбина Осевой и центробежный компрессор и осевая турбина
Турбомашины для Газотурбинного двигателя 33 Осецентробежный компрессор PW 5 45 RR Trent 900 Тип турбомашины Требования Расход рабочего тела Обычно - более 10 кг/с Потребная с тепень повышения давления Обычно - более 30 КПД в указанных условиях max Число ступеней min Снижение КПД из-за числа ступеней Минимальное Сложность конструкции Минимальна Осевые Радиальные Высокий КПД Низкий КПД в одной ступени менее 2 в одной ступени менее 10 max min >1 >1 Не велико Значительно Приемлемая Сложная
Турбомашины для Агрегата наддува 34 Осевые Радиальные Низкий КПД Высокий КПД в одной ступени менее 2 в одной ступени менее 10 min max Несколько ступеней Одна Не велико - Сложная (много ступеней) Простая (одна ступень) Тип турбомашины Требования Расход рабочего тела Обычно - менее 1 кг/с Потребная с тепень повышения давления Обычно - менее 3 КПД в указанных условиях max Число ступеней min Снижение КПД из-за числа ступеней Высокий Сложность конструкции Минимальна
Ключевой узел Сопло Турбина Что необходимо сделать для работы ключевого узла? Создать повышенное давление между входом и выходом ключевого узла Авиационный ГТД Наземная ГТУ Что производит Тягу Крутящий момент (мощность) на вых. валу Лопаточные машины в газотурбинном двигателе 35 Давление создается компрессором Турбина вращает компрессор Камера сгорания повышает энергию потока Необходим газ высокого давления на входе в ключевой узел Идеальный цикл Брайтона p-v диаграмма T-S диаграмма Компрессор Входное устройство Камера сгорания Турбина Сопло Сопло Турбина Камера сгорания Входное устройство Компрессор
Лопаточные машины в газотурбинном двигателе 36 Авиационный ГТД Наземная ГТУ
Лопаточные машины в газотурбинном двигателе 37 Примеры газотурбинных двигателей Турбореактивный двухконтурный двигатель (ТРДД) Ядерный турбореактивный двигатель Турбореактивный трехконтурный двигатель (ТРДД) Турбовальный двигатель ( ТВаД )
Паротурбинные установки (ПТУ) 38 Цикл Ренкина Схема установки Внешний вид Паровых турбин Самарская ГРЭС
Паротурбинные установки (ПТУ) 39 Атомные станции Судовые турбины Принципиальная схема атомной электростанции Принципиальная схема судовой паротурбинной установки
Лопаточные машины в Ракетных двигателях 40 Устройство Ракеты – носителя Размеры ракет - носителей 1 ступень 2 ступень 3 ступень Протон M топл,т 428 157 43 , c ек 121 215 239 Союз M топл,т 40 94 25 , c ек 118 278 240 Shuttle M топл,т Г – 103 О -616 , c ек 480 Как подать большую массу горючего и окислителя в камеру двигателя за короткое время? Параметры ступеней ракет - носителей «полезный» объем ракет носителей
Вытеснительная схема Открытая насосная схема закрытая насосная схема Простая надёжная схема, тяжелые баки Потери импульса, легкие баки Сложная схема, экономичная, легкие баки Лопаточные машины в Ракетных двигателях 41 Турбонасосный агрегат Открытая насосная схема Закрытая насосная схема
Турбонасосный агрегат – обязательный элемент ракетного двигателя Лопаточные машины в Ракетных двигателях 42 Примеры Турбонасосных агрегатов ЖРД ТУРБИНА Шнеко Центробежный насос ТУРБИНА Центробежный насос Турбонасосный агрегат Турбонасосный агрегат Турбонасосный агрегат Турбонасосный агрегат
Лопаточные машины в Ракетных двигателях 43 Ракетный двигатель НК-33 Пневмогидравлическая схема двигателя НК-33 Турбонасосный агрегат двигателя НК-33 Насос окислителя двигателя НК-33
Гидротурбины 44 Гидроэлектростанции на волге (Россия) Гидроэлектростанции на р. Янцзы (Китай)
Гидротурбины 45 Турбина пельтона Турбина Френсиса Турбина каплана Напор: 100 – 2000м; Мощность: 0,08 – 400МВт Напор: 10 – 900м; Мощность: 0,03 – 500МВт Регулируются лопатки статора Напор: 5 – 80м; Мощность: 0,1 – 150МВт Регулируются лопатки ротора Турбина Жигулевской ГРЭС
Лопаточные машины в агрегатах наддува 46 Мощность Поршневого двигателя Наддув – Увеличение мощности поршневого двигателя за счет повышения плотности воздуха на входе Механический наддув (Привод компрессора от коленчатого вала) Турбонаддув (привод компрессора энергией выхлопных газов) Турбокомпрессоры С радиальной турбиной С осевой турбиной Плотность рабочего тела ПОЧЕМУ РАСТЕТ МОЩНОСТЬ?
Лопаточные машины в агрегатах наддува 47 Достоинства Недостатки Увеличивается мощность двигателя Увеличивается физический расход топлива Уменьшаются размеры двигателя Механический наддув увеличивает удельный расход топлива Уменьшается удельный расход топлива (для турбонаддува ) Низкая эффективность на малых режимах Уменьшаются механические и насосные потери Большая инерционность Улучшаются экологические характеристики Турбина создает сопротивление выхлопу Растет ресурс блока цилиндров Изменение удельных параметров Изменение размеров Сравнение экономичности Способы совершенствования турбокомпрессоров Двухступенчатый наддув Регулирование турбины
Лопаточные машины в Промышленности 48 Лопаточные машины применяются в следующих областях: Химическая промышленность (циркуляция рабочих тел в техпроцессах и системах охлаждения). Нефтяная промышленность (циркуляция рабочих тел в техпроцессах, добыча нефти) Металлургия (подача воздуха и системы охлаждения) Пневматические системы (источники сжатого воздуха, пневмоинструмент ) Холодильная техника (турбодетандеры) Турбодетандер Пневмоинструменты Переработка нефти Пневмостартер
Лопаточные машины в Промышленности 49 Лопаточные машины применяются в следующих областях: Газовая промышленность (добыча и транспортировка газа) Схема газопроводов России ГТУ Нагнетатель
История турбомашин 50 50 - Герон Александрийский сделал паровую реактивную турбину 1629 - Джовани Бранка (Италия) предложил паровую турбину 1705 - Папен (Франция) описал центробежный водяной насос 1756 - Леонард Эйлер (Швейцария) опубликовал приложение второго закона Ньютона к турбомашинам 1791 - Джон Барбер (Англия) получил патент на первую настоящую газовую турбину 1822 - Клод Бурден (Франция) назвал свою машину турбиной 1875 - Осборн Рейнольдс (Англия) запатентовал многоступенчатый центробежный насос 1884 – Чарльз Парсонс (Англия) сделал реактивную паровую турбину 1889 - Густав Лаваль (Швеция) изобрёл активную турбину 1894 - Ч. Кертис (США) запатентовал многоступенчатую турбину 1905 - Альфред Бюши (Швейцария) запатентовал турбонаддув 1930 - Фрэнк Уиттл (Англия) запатентовал газотурбинный двигатель 1939 - Первый полет самолета с реактивным двигателем (Германия) 1944 - Серийное производство самолетов (Германия) с реактивными двигателями
10 БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ Батурин Олег Витальевич 443086 г. Самара, Московское шоссе 34, комн. 336-5 Tel: (846)267-45-94 oleg.v.baturin@gmail.com
