Лопаточная машина (Турбомашина)

1.

ЛОПАТОЧНАЯ МАШИН
Лопаточная машина (Турбомашина) - устройство, в проточной
части которого осуществляется подвод или отбор энергии от потока
жидкости или газа за счет аэродинамического воздействия со
специально спрофилированными элементами (лопатками)
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

2.

ЛОПАТКА
Главный элемент
турбомашины –
специальным образом
спрофилированная
аэродинамическая
поверхность - лопатка.
Рабочая лопатка осевой
турбины
Она состоит из:
Рабочие лопатки осевого
компрессора
Пера;
Замка;
Бандажной полки.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

3.

ПЕРО ЛОПАТКИ
Перо осуществляет энергетический обмен в
турбомашине.
Выпуклая сторона пера – спинка;
Вогнутая сторона пера – корытце;
Кромка лопатки, расположенная первой
Лопатки осевого компрессора
по потоку – входная;
Кромка, расположенная последней по
течению – выходная.
Лопатки центробежного компрессора
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

4.

ЗАМОК ЛОПАТКИ
Замок предназначен для крепления и фиксации
пера лопатки в диске ротора или на статоре.
Применяются замки
следующих типов:
«Ласточкин хвост»;
Шарнирного типа;
Елочного типа.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

5.

ЗАМОК ЛОПАТКИ
Лопатка может не иметь замка
Центростремительная
турбина
Центробежный компрессор
Осевой компрессор «Blisk»
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

6.

БАНДАЖНАЯ ПОЛКА
Выполняет следующие функции:
1. Повышает жесткость
рабочего колеса при
соприкосновении с
бандажными полками
соседних лопаток.
2. Позволяет уменьшить
перетекания в радиальном
зазоре, что повышает КПД
ступени на 1…2%.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

7.

ЛОПАТОЧНЫЙ ВЕНЕЦ
Лопаточный венец - совокупность лопаток,
установленных на ободе диска или кольцевом
корпусе.
Подвижный венец – рабочее колесо (РК).
Неподвижный венец:
в компрессоре – направляющий
аппарат (НА).
в турбине – сопловой аппарат (СА).
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

8.

СТУПЕНЬ КОМПРЕССОРА
Служит для создания предварительной
закрутки на входе в ступень.
Устанавливается только на
одноступенчатых компрессорах и первых
ступенях многоступенчатых
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

9.

СТУПЕНЬ КОМПРЕССОРА
Достоинства
Недостатки
Простота
конструкции
Большие потери
трения
Возможность
торможения
сверхзвукового
потока с
малыми
потерями
Большие
радиальные
размеры
Радиальная или наклонная
щель, в которой поток
движется от центра к
периферии.
Применяется только в
радиальных компрессорах.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

10.

СТУПЕНЬ КОМПРЕССОРА
Достоинства
Недостатки
Малые потери
трения
Более сложная
конструкция
Малые
радиальные
размеры
Большие потери
при
сверхзвуковых
течениях
Неподвижный лопаточный
венец с диффузорными
межлопаточными каналами.
Применяются в ЦБК только
совместно с щелевым
диффузором.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

11.

СТУПЕНЬ КОМПРЕССОРА
Предназначена для сбора
рабочего тела за компрессором и
подачи его в единый коллектор
(трубопровод), который направит
его дальше, например, в
цилиндры ДВС или камеру
сгорания ЖРД.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

12.

СТУПЕНЬ КОМПРЕССОРА
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

13.

СТУПЕНЬ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА
Ступень осевого компрессора – совокупность подвижного
рабочего колеса и неподвижного направляющего аппарата.
Ступень состоит
из двух венцов,
один из которых
подвижный.
Подвижный венец
предшествует
неподвижному
Сколько
ступеней?
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

14.

СТУПЕНЬ ТУРБИНЫ
Предназначена для
равномерного подвода рабочего
тела по окружности турбины от
подводящего коллектора,
ускорения потока и создания
необходимой закрутки.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

15.

СТУПЕНЬ ТУРБИНЫ
В лопаточном СА
ускорение и
расширение газа
происходит в
неподвижном венце
с каналами
сужающейся
формы.
В безлопточном СА
ускорение и расширение
газа происходит в щели,
в которой рабочее тело
течет от периферии к
центру турбомашины
Выходной. диффузор
– предназначен для
снижения давления на
выходе из РК турбины.
Позволяет увеличить
работу турбины.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

16.

СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ
Ступень осевой турбины – совокупность неподвижного
соплового аппарата и подвижного рабочего колеса
Ступень состоит
из двух венцов,
один из которых
подвижный.
Неподвижный
венец
предшествует
подвижному
Сколько
ступеней?
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

17.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО
ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

18.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ЧИСЛУ
СТУПЕНЕЙ
ОДНОСТУПЕНЧАТЫЕ
МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

19.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО
НАПРАВЛЕНИЮ ПОТОКА
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

20.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО
НАПРАВЛЕНИЮ ПОТОКА
Тип турбомашины
Осевая
Центробежная
Центростремительная
Диагональная
Движение рабочего
тела параллельно оси
вращения
Движение рабочего
тела от центра к
периферии
Движение рабочего
тела от периферии к
центру
Промежуточный тип
между осевой и
радиальной
до 2 до 4
до 12
до 6
до 5
0,92
0,85
0,88
0,9
низкий
приемлемый
приемлемый
приемлемый
Изображение
Отличительная
особенность
Величина степени
сжатия / расширения
Максимальная
величина КПД
Уровень КПД при
малых расходах
рабочего тела
Создание
многоступенчатой
машины
Снижения КПД
незначительно
Конструктивных
сложностей нет
Существенное падение Существенное падение
КПД из-за разворота
КПД из-за разворота
потока.
потока.
Значительное
Значительное
увеличение
увеличение
диаметральных и
диаметральных и
осевых размеров
осевых размеров
Снижения КПД
незначительно
Конструктивных
сложностей нет
Хорошо согласуются с
осевыми ступенями.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

21.

ВЫБОР ТИПА ЛОПАТОЧНОЙ
МАШИНЫ ДЛЯ ГТД
ВЫВОД:
Требования
ДЛЯОсевые
ГТД
Радиальные
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫ ОСЕВЫЕ
Уровень КПД в
ТУРБОМАШИНЫ
рабочем диапазоне
(Расход
> 10 кг/с)
приемлемый
низкий
расходов
Степень сжатия/
расширения
Осевая
>30
турбина
<2
< 10
Легко
Возможно
Построение
многоступенчатой
турбомашины
Требуется
Снижение КПД из-за
применения
многоступенчатой
машины
Не желательно
Не значительно
Значительно
Актуальны
Усложнение
конструкции имеет
приемлемый
уровень
Построение
многоступенчатой
машины усложняет
конструкцию
Требования по
простоте
конструкции
Осецентробежный
компрессор
Осевой
компрессор
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

22.

ВЫБОР ТИПА ЛОПАТОЧНОЙ
МАШИНЫ ДЛЯ НАДДУВА ДВС
ВЫВОД: Требования
ДЛЯ АГРЕГАТОВ
НАДДУВА
Осевые
Радиальные
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫ РАДИАЛЬНЫЕ
Уровень КПД в
ТУРБОМАШИНЫ
рабочем диапазоне
(Расход<
1 кг/с)
низкий
приемлемый
расходов
Степень сжатия/
расширения
<4
<2
< 10
Построение
многоступенчатой
турбомашины
Не желательно для
упрощения
Требуется
Не требуется
Имеет место
Нет, т.к. машина
одноступенчатая
Снижение КПД из-за
применения
многоступенчатой
машины
Центростремительная
Требования
турбинапо
простоте
конструкции
Актуальны
Построение
многоступенчатой
машины усложняет
конструкцию
Центробежный
Конструкция
компрессор
простая
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

23.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

24.

ПРИМЕНЕНИЕ ТУРБОМАШИН В
НАДДУВЕ ДВС
Определение мощности ДВС:
Достоинства
Недостатки
Повышение литровой мощности
двигателя
Отбор мощности от коленчатого
вала
Снижение габаритов при
неизменной мощности
Низкая приемистость
Повышение эффективности
двигателя
Турбонаддув на низких режимах не
эффективен
Увеличение ресурса
Улучшение экологических
характеристик
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

25.

ПРИМЕНЕНИЕ ТУРБОМАШИН В
НАДДУВЕ ДВС
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

26.

ПРИМЕНЕНИЕ ТУРБОМАШИН В
НАДДУВЕ ДВС
Регулирование
наддува
Центробежный
компрессор
Радиальная
турбина
Центробежный
компрессор
Осевая
турбина
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

27.

ТРЕБОВАНИЯ К ЛОПАТОЧНЫМ
МАШИНАМ
1. Минимальные габаритные размеры и масса;
2. Высокий КПД;
3. Благоприятное протекание характеристик;
4. Надежность и живучесть;
5. Технологичность, мобильность создания и
возможность модернизации.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

28.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЛОПАТОЧНЫЙ
ВЕНЕЦ
Кольцевое
сечение
Сечение
разворачивается в
плоскость
Элементарный
лопаточный венец
Лопаточный
венец
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

29.

БАЗОВЫЕ ТЕРМИНЫ
Радиальное
направление
Окружная
плоскость
Окружное
направление
Меридиональная
плоскость
Осевое
направление
Осевая
плоскость
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

30.

БАЗОВЫЕ ТЕРМИНЫ
КАКОЙ ПЛОСКОСТЬЮ ПРОВЕДЕНО СЕЧЕНИЕ?
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

31.

БАЗОВЫЕ ТЕРМИНЫ
Радиальная
проекция
Окружная
проекция
Вектор скорости
Меридиональная
проекция
Осевая
проекция
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

32.

ТРЕУГОЛЬНИКИ СКОРОСТЕЙ
Обратите внимание: компрессор вращается в сторону
корытца, турбина в сторону спинки
Относительная
скорость
Абсолютная
скорость
Относительная
скорость
C
W
Абсолютная
скорость
C
W
U
U
Переносная
(окружная)
скорость
Переносная
(окружная)
скорость
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

33.

ТРЕУГОЛЬНИКИ СКОРОСТЕЙ
Угол потока в
относительном
движении ( )
Угол потока в
относительном
движении ( )
Угол потока в
абсолютном
движении ( )
C
C
W
U
Угол потока в
абсолютном
движении ( )
W
U
Обратите внимание: Величина угла потока измеряется от фронта
решетки
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

34.

ОБОЗНАЧЕНИЕ СЕЧЕНИЙ
Принятое обозначение контрольных сечений:
0 – вход в неподвижный лопаточный венец,
находящийся перед РК (СА турбины или ВНА
компрессора);
1 – вход в рабочий (подвижный) венец;
2 – выход из рабочего венца, вход в следующий
неподвижный венец (НА);
3 – выход из направляющего аппарата.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

35.

ОДНОМЕРНАЯ РАСЧЕТНАЯ
МОДЕЛЬ
1.
Представляет собой тело вращения, ограниченное двумя
поверхностями вращения.
2.
Параметры потока меняются только в одном направлении – вдоль оси
вращения.
3.
Параметры потока считаются неизменными по сечению. Радиальная и
окружная неравномерность параметров не учитывается.
4.
Использование одномерной модели позволяет решать основные
уравнения движения и сохранения.
5.
Одномерная модель не позволяет рассмотреть схему взаимодействия
собственно лопатки и потока рабочего тела.
6.
Визуально одномерная модель представляет собой меридиональные
сечения турбомашины.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

36.

ПРИМЕРЫ ОДНОМЕРНЫХ
РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ
Осевой
компрессор
Осевая
турбина
Центробежный
компрессор
Центростремите
льная турбина
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

37.

ДВУХМЕРНАЯ РАСЧЕТНАЯ
МОДЕЛЬ
1.
Параметры меняются в двух направлениях: осевом и окружном (для
осевых участков) или тангенциальном и окружном (для радиальных
участков).
2.
Двухмерная модель представляет собой элементарный лопаточный
венец.
3.
Двухмерная модель потока позволяет рассмотреть взаимодействие
лопаток и потока, а также построить треугольники скоростей.
4.
Недостаток двухмерной модели - невозможность установления
взаимодействия параметров отдельных элементарных ступеней, из
которых состоит действительная ступень.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

38.

ПРИМЕРЫ ДВУХМЕРНЫХ
РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ
Двухмерная модель венца осевой
турбины
Двухмерная модель ступени
осевого компрессора
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

39.

ДВУХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ
РАДИАЛЬНОЙ ТУРБИНЫ
Входная часть
Выходная часть
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

40.

ДВУХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ
ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
Входная часть
Выходная часть
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

41.

ТРЕХМЕРНАЯ РАСЧЕТНАЯ
МОДЕЛЬ
1. Трехмерная модель воспроизводит полную пространственную форму
межлопаточного канала
2. Изменение параметров в ее рамках учитывается в направлении всех
трех осей.
3. Ее использование позволяет оценить влияние пространственных
эффектов на рабочий процесс.
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

42.

ТРЕХМЕРНАЯ РАСЧЕТНАЯ
МОДЕЛЬ
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

43.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА
Параметры меридионального сечения
Диаметры (Di)
Радиальный
зазор ( р)
Высота лопатки
(hл)
Осевой зазор
( о)
Ширина рабочего
венца (SРК)
Ширина
направляющего
венца (SНА)
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

44.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА
Параметры решетки профилей
Входной
конструктивный
угол ( 1л)
Угол установки
профиля ( )
Угол изгиба
профиля ( )
Горло решетки
(аг)
Хорда (b)
Шаг решетки (t)
Выходной
конструктивный
угол ( 2л)
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

45.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА
Максимальная
толщина
профиля (Cm)
Радиус
выходной
кромки (r1)
Параметры профиля
Угол изгиба
профиля ( )
Радиус
выходной
кромки (r2)
Хорда (b)
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

46.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
Параметры меридионального сечения
Радиус кривизны
внешней (R)
Высота лопатки
(b2)
Радиус кривизны
внутренней стенки
(Rт0)
Высота лопатки
(b1)
Угол наклона
стенки ( )
Диаметры (Di)
Ширина рабочего
венца (S)
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

47.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
Параметры решетки профилей
Шаг решетки (t)
Ширина
профиля (S)
Входной
конструктивный
угол ( 1л)
Хорда (b)
Радиус средней
линии профиля
(R)
Угол изгиба
профиля ( )
Угол установки
профиля ( )
Выходной
конструктивный
угол ( 2л)
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

48.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ
Параметры меридионального сечения
Диаметры (Di)
Высота лопатки
(hл)
Ширина соплового
венца (SСА)
Радиальный
зазор ( р)
Осевой зазор
( о)
Ширина рабочего
венца (SРК)
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

49.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ
Параметры решетки профилей
Входной
конструктивный
угол ( 1л)
Ширина
профиля (S)
Хорда (b)
Горло решетки
(аг)
Угол установки
профиля ( )
Косой срез
Шаг решетки (t)
Выходной
конструктивный
угол ( 2л)
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева

50.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ
Максимальная
толщина
профиля (См)
Радиус
выходной
кромки (r1)
Параметры профиля
Угол изгиба
профиля ( )
Радиус
выходной
кромки (r2)
Хорда (b)
Самарский Государственный
Аэрокосмический Университет
им. акад. С.П. Королева