Turbiny wykład 8 i 9 - Opracowanie wykładu dr. Czajka PDF

Preview

Summary

Opracowanie wykładu dr. Czajka...

Description

Wykład 8 05.05.2020

Aerodynamika opływu profili turbinowych 1. Aerodynamika Dział mechaniki płynów zajmujących się badaniem zjawisk związanych z ruchem gazów a także ruchu ciał stałych w ośrodku gazowym i sił działających na te ciała 2. Płat nośny Płat nośny (profil aerodynamiczny), płat nośny to taki element który jeśli zostanie omyty czynnikiem o dużej prędkości np. strugą powietrza to na tym płacie ma powstać możliwie jak największa siła nośna i jak najmniejszy opór przepływu 3. Zasada działania płata nośnego Droga po górnej krawędzi płata jest dłuższa niż po dolnej krawędzi.

s2 >s1 s 2−droga g ó r ą w czasie t2 s 1−droga g ó r ą w czasie t1 UPROSZCZENIE polega na założeniu, że elementy płynu sąsiadujące ze sobą przed opływem skrzydła będą też sąsiadować po opływie skrzydła – stosowanie tego uproszczenia pomaga zrozumieć mechanizm, ale nie może być stosowane w obliczeniach Założenie:

t 2 =t1

s2 >s1

To:

c=

ds dt

c 1=

ds1 d t1

c 2=

ds2 d t2

c 1< c 2 Rozpisanie równania Bernoulliego dla strugi nad i pod skrzydłem

Założenie:

ρ1 ≈ ρ2

bo prędkości poddzwiękowe oraz

h1= h2

To:

Jeśli

c 1< c 2 to

p1> p 2

Jeśli zastosujemy płat nośny to czynnik od góry będzie omywał go szybciej niż pod płatem, ale też że ciśnienie nad płatem będzie podciśnienie a pod płatem nadciśnienie, więc będzie powstawała siła nośna unosząca ten element ku górze aby ciśnienia się zrównały ( analogia do II zasady termodynamiki ) 4. Zastosowanie płata nośnego w praktyce a. Śmigło samolotu b. Skrzydło samolotu c. Śruby okrętowe d. Łopatki wentylatora, pompy, turbiny 5. Płat nośny w turbinie

Pn si ł a no ś na powoduje obrót wirnika z prędkością kątową ω 6. Kąt pochylenia łopatki α s Pochylenie łopatki może zwiększać generowaną siłę nośną α s kąt między cięciwą a linią łączącą wierzchołki spływu łopatki

´t =

t1

profil

s1 ´t − podzia ł ka wzglę dna t1 − podzia ł ka s 1 −cię ciwa 7. Jak obliczyć kąt α s ? profil

profil

profil

α 

Odczyt z wykresu α s (¿¿ 1 , ´t)

¿



Odczyt z wykresu

α0 ´t ¿ ,

α α 1 ¿ , następnie znów α s (¿¿ 1 , ´t) ¿

8. Kąt krytyczny w lotnictwie Kąt pochylenia łopatki = kąt natarcia Wartość siły nośnej wzrasta wraz z kątem natarcia aż do momentu krytycznego, za nim następuje gwałtowny spadek siły nośnej, dochodzi do przeciągnięcia 9. Liczba łopatek w wieńcu kierowniczym i wieńcu wirnikowym Podziałka t to odległość między wierzchołkiem spływu dwóch łopatek Średnica podziałowa  π∗d – obwód Obwód/podziałka  liczba łopatek które zmieszczą się na obwodzie

10. Wyznaczanie sił działających na profil DLA PRZEPŁYWU RZECZYWISTEGO

a. Struga wpływająca styczna do profilu łopatki powoduje obracanie się z prędkością u , więc wiemy że na wirnik wpływa z prędkością w 1 a wypływa w 2 . ( kierownica styczne prędkości c , wirnik styczne prędkości w) b. Wyznaczenie prędkości średniej Wyznaczenie wektora średniego z w 1 i w 2 , w ś r powinna być równoległa do cięciwy

c. Aerodynamiczny środek ciężkości d. Prostopadle do prędkości średniej w ś r – siła nośna Pn e. Na tym samym kierunku o przeciwnym zwrocie do w ś r generuje się siła oporu tarcia PT f. Siła tarcia i nośna  wypadkowa to siła aerodynamiczna działająca na profil

P Ta siła to podstawa aby dobrać odpowiedni profil zależą od wielkości siły

11. Wzór na siłę P Zasada zachowania pędu

{

p 1=m 1∗w 1  jeśli p 2=m 2∗w 2

 w1) =dm∗( dp= p2− dp= ( m 2−m 1 )∗(  w2 − w 2− w1 ) p2 to 

Zmiana pędu dp zwana popędem

 dp=  F∗dt

a

 F ¿ suma si ł dzia ł aj ą cyc h na profil

−P−¿ siły związane z działaniem ograniczających scianek kanału (profilu na strugę)

∆ F−¿ siły związane z różnicą ciśnień wpychające strugę do kanału

12. Jak policzyć siłę pochodzącą od różnicy ciśnień

∆F ?

U - kierunek poziomy ( brak różnicy ciśnień ) a – kierunek pionowy

P2 dla wirnika – bierzemy w , P1 dla kierownicy, bierzemy predkosc c 13. Obliczenie siłu oporu tarcia i siły nośnej a. Z rozkładu wektorów

14. Kąt odgięcia a kąt odchylenia Kąt odgięcia – różnica między kątem napływu a kątem spływu

Kąt odchylenia – różnica między kątem wyznaczonym dla prędkości teoretycznej a rzeczywistej Przepływ rzeczywisty – wektor prędkości jest styczny do powierzchni profilu Przepływ idealny - wektor prędkości jest styczny do szkieletowej

Wykład 9 12.05.2020

Stopień Curtisa, Baumana, Stopnie promieniowe turbin parowych 1. Dlaczego nie należy realizować większego spadku entalpii w typowych stopniach turbinowych? De Laval – cały spadek w kierownicy Parsons – reakcyjność 50 % - 50% w kiero, 50% w wirniku

Odpowiedź : powstaje bardzo wysoka prędkość jeśli w jedynm (kierownica lub wirnik) chcemy duży spadek entalpii. W czym problem? - bardzo duża wartość siły c1s powoduje powstawanie znacznej siły zginającej profil łopatki – użycie drogich materiałów - duża wartość siły c1s powoduje znaczną stratę wylotową, ( dużym c2) 2. Curtis ! Rozaiązanie problemów przy dużej entalpii 1. Powstająca siła gnąca - Aby pozwolić na duży spadek entalpii osadził łopatki wirnikowe na wzmocnionej stopie ( 1 lub 2 wieńce, czasami 3 ) 2. Duża strata wylotowa – metoda stopniowania prędkości w turbinie – za wieńcem wirnikowym zastosowanie łopatek odwracający w kształcie rury, bez rozpędzania struugę wpuszcza się na kolejne 3. Budowa– keirownica, 1/2/3 wieńce wirnikowe z czego jeden jest rurami

4.

Wykres i-s stopnia curtisa

5. Sprawność

6. Zastosowanie  Turbiny redukcyjne – uzyskiwanie energii el w miejscach gdzie nie jest dostępna, niższa cena niż dla wielostopniowych   Stopień regulacyjny – pierwsze stopnie aby zwiększyć objętość właściwą o wysokich parametrach i wyeliminować prace na niepełnym obwodzie  Zasilanie na niepełnym obwodzie  nagrzewanie się turbiny  straty wentylacji – łopatki obracają się w srodowisku bez pary i działają jak wentylator

Stopień Baumana 7. Przepływ pary wilgotnej  Ostatnie stopnie turbin kondensacyjnych pracują w obszarze pary mokrej co powoduje erozje łopatek i kadłuba oraz straty przepływu  Ostatnie stopnie SP i WP - Ich konstrukcja projektowana nie na jak najwyższą sprawność a tak żeby zapewnić dużej masy przepływu, ciśnienia za turbiną oraz korzystnego rachunku technicznoekonomicznego  W turbinie rozprężanie zachodzi bardzo szybko – przekraczamy linie nasycenia za szybko żeby zdążyła się wykroplić – rzeczywiście dzieje się to w niższej temperaturze niż temperatura nasycenia – linia Willsona

 Obszar miedzy linią Willsona a linią nasycenia – para przechłodzona  Para w której już powinna się pojawiać woda – omywając łopatkę woda nie zdąży zakręcić i uderzy w łopatkę wirnikową – przemieszcza się w mgiełce co nie jest szkodliwe ale zbierają się w większe krople – obszar z dużymi kroplami ze znaczącą masą i pędem uderzają w łopatkę kierowniczą powodując erozję

 Strata hamowania – krople wody nie zdążają zmienić kierunku w łopatce kierowniczej więc prędkość w1 wody wylatuje z kierownicy pod złym kierunkiem i zamiast napływać na wirnik to uderza od dołu i hamuje wieniec wirnikowy 8. Koncepcja Baumana  Łopatki przedzielone– przedzielają strugę na m_z wodę spływającą przez krawędź wierzchołkową ( płynie górą, więcej wody, keirowana z góry do skraplacza ) i m_s - woda spływająca przez krawędź spływową ( płynie dołem, para suchsza, kierowana do ostatniego stopnia )

Turbiny promieniowe 1. Turbiny promieniowe – rozprężanie czynnika następuje wzdłuż promienia, czynnik kierowany od środka maszyny na zewnątrz

Odśrodkowe – para kierowana przewodem do środka turbiny, para przepływa przez kierownice, rozpędzony czynnik trafia na wieńce wirnikowe  Z wieńcem kierowniczym  Ze stopniem Ljungstroma o Dośrodkowe – czynnik dostarczany z zewnątrz – przepływ od zewnątrz do środka Turbiny diagonalne – rozprężanie po części wzdłuż osi i po części wzdłuż promienia o

2. Turbiny odśrodkowe – zastosowanie, zalety, wady o Zastosowanie  Oświetlanie lokomotyw parowych, silnik zapasowy, do napędu generatorów elektrycznych, pomp, wentylatorów o Zalety  W miarę rozprężania pary i powiększania się objętościowego natężenia przepływu rosną również promienie przekrojów kanałów łopatkowych  Jednakowa kinematyka przepływu wzdłuż wysokości łopatek, przepływ praktycznie płaski  Kadłub turbiny opłukiwany jest tylko parą wylotową – niska temperatura – nie wymaga izolowania  Brak izolacji  uproszczone otwieranie maszyny do rewizji/remontu  Możliwość szybkiego rozruchu o Wady  Trudność w budowie stopni niskoprężnych – rozmiar tarczy na wale przy większych mocach  Złożoność budowy  cena 3. Stopień Ljungstróma  Reakcyjność 100% - brak kierownic – same wieńce wirnikowe kręcące się w różną stronę, każda z dwóch tarcz jest połączona z generatorem , brak kierownic  brak strat przepływu, para za każdym razem wykonuje prace  Podłączone dwa generatory + kondensator  Posiada wszystkie zalety turbin promieniowych

Jednakowa kinematyka przepływu wzdłuż wysokości łopatek – przepływ praktycznie płaski w całym kanale międzyłopatkowym  Wady : o Wytrzymałość łopatek – są one silnie zginane, duże naprężenia o Problem z uzyskaniem stopnia niskoprężnego  Problem z budową części NP. o - Powiększenie przekroju osiąga się przez wprowadzenie wielostrumieniowości (pierścień rozdzielający ) o Wielorzędowy układ łopatkowy (Móller) – powiększenie mocy związane ze wzrostem realizowanego spadku entalpii o Konstrukcja Wiberga – kombinacja dwóch powyższych o Konstrukcja Durax – połączenie turbiny Ljungstróma z turbiną osiową – 160 MW ( 60 MW promieniowa, 100 MW osiowa ) 4. Turbiny dośrodkowe o Problem z zapewnieniem odpowiedniego przekroju dla rozprężającej się pary 

S- kierownica (stator)



Zastosowanie

o

Turbosprężarki w samochodach – zmniejszanie straty wylotowej dzięki dyfuzorowi...