Материал: 2120
результате этого колеса турбины и компрессора приводятся во вращательное движение.
Сопловый аппарат турбины неподвижный, поэтому в нем не совершается работа. Теплообмен с внешней средой за короткий промежуток времени очень мал, и процесс считаем адиабатным.
1. Уравнение энергии для входного и выходного каналов соплового аппарата турбины имеет вид [3]
|
W |
2 |
|
|
W |
2 |
|
|
СР Т1 |
1 |
СР Т |
2 |
2 |
, |
(3.1) |
||
|
|
|||||||
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
где Т и W – температура и скорость газа в каналах соплового аппарата.
Предположим, что энергия скорости на выходе из соплового аппарата W2 полностью срабатывается (тормозится) и переходит в энергию давления. Тогда уравнение (3.1) можно записать в виде
C |
P |
T T |
W2 |
. |
|
||
|
|
|
|||||
|
1 |
2 |
2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
2. Обозначив CP T1 T2 через перепад энтальпии HT |
(энталь- |
||||||
пия – это энергия, связанная с данным состоянием газа), а скорость W |
|||||||
через адиабатную скорость истечения САД, получим |
|
||||||
|
CАД |
|
. |
(3.2) |
|||
|
2 HT |
||||||
3. Общая удельная работа (Дж/кг) при адиабатном сжатии воздуха в компрессоре находится из выражения
|
k 1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
k |
|
|
|||||
|
|
|
|
, |
(3.3) |
||
Lад cp Ta |
k |
|
|
|
1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
где ср= 1005 Дж/(кг·К) – удельная массовая изобарная теплоемкость воздуха; Та= 293 К – температура на входе в компрессор, k 1,4 – показатель адиабаты; πк – степень (величина) повышения давления в компрессоре.
При πк = 2; 2,5; 3,0 Lад 62000; 82000; 106000 Дж/кг.
Величина НТ = Lад / 0,7. Для Lад 82000 Дж/кг величина НТ = 117000 Дж/кг. Значение адиабатной скорости на входе в колесо
26
турбины CАД |
2 HT |
будет равно 484 м/с. |
|
||||
Средний диаметр на выходе из турбины делит площадь на две |
|||||||
равные части. |
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
D2T 0,7 0,8 D1T |
|
||
Dcp 0,7D2T ; |
|
|
cp |
|
, |
||
|
|
||||||
Rcp |
2 |
; |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
где D2T – наружный диаметр колеса турбины на выходе. Угол выхо- |
|||||||
да газа из соплового аппарата 1 |
лежит в пределах 15 – 25о. |
|
|||||
4. Радиальная и окружная составляющие абсолютной адиабатной |
|||||||
скорости на входе в колесо |
|
|
|
|
|||
|
|
САД.R САД sin 1; |
|
||||
|
|
САД.U САД cos 1. |
(3.4) |
||||
На выходе из рабочего колеса температуру газов принимают T2 0,8 0,9 T0 (T0 – температура газа на входе в турбину).
5. Полезная работа 1кг газа на лопатках колеса (Дж/кг)
LU U1T CАД.U Ucp Ccp ., |
(3.5) |
где U1Т – окружная скорость на входе в колесо турбины, при равенст- |
|
ве наружных диаметров колес турбины и компрессора, |
U1T U1K ; |
Uср– окружная скорость на среднем диаметре выхода газа из турбины, Ucp Rcp ; Сср – скорость выхода газа на среднем диаметре (ско-
рость газа на выходе из турбины 50 − 100 м/с). Угловую скорость определяют из выражения ω = π·nK /30 .
На рис. 3.3 приведена схема регулирования турбины с поворотом лопаток соплового аппарата (механического типа). Длина плеч рычагов поворотного устройства L1 = L2 = L3 = 14 мм. При повороте рычага L1 на 10о, лопатки также повернутся на 10о, увеличивая начальный угол установки лопаток с 20 до 30о. При этом изменятся направление потока газа на лопатки, частота вращения и мощность турбины.
Расчеты необходимо выполнить для семи точек при изменении хода штока 1 (см. рис. 3.3) от 0 до 8 мм. Например, при ходе штока 1,1 мм и длине рычага L1 =14 мм тангенс угла будет равен 1,1/14= 0,08, что соответствует углу поворота лопаток на 5о. Результаты расчета необходимо свести в табл. 3.1.
27
Рис. 3.3. Схема регулирования турбины с поворотом лопаток соплового аппарата:
1 – шток камеры управления; 2 – регулируемый ограничитель (винт); 3 – рычаг управления; 4 – диск поворотный; 5 – рычаг поворота лопаток 6;
7 – корпус; 8 – лопатки колеса турбины
На рис. 3.4 приведено объёмное изображение механизма поворота лопаток соплового аппарата турбины, который может работать с механическим и электронным приводами.
Рис. 3.4. Объёмное изображение механизма поворота лопаток соплового аппарата турбины:
1 – лопатки соплового аппарата; 2 – диск поворотный; 3 – шток; 4 – рычаг управления; 5 – колесо турбины
28
Таблица 3.1
Результаты расчета системы регулирования турбины с поворотом лопаток соплового аппарата
Угол поворота лопаток |
|
|
|
|
|
|
|
|
соплового |
аппарата, |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
град |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ход штока, мм |
0 |
1,1 |
2,4 |
3,6 |
5,0 |
6,5 |
8,0 |
|
Угол входа потока газа |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
|
на лопатки α1 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cos α1 |
|
0,93 |
0,9 |
0,86 |
0,82 |
0,76 |
0,7 |
0,64 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin α1 |
|
0,34 |
0,42 |
0,5 |
0,57 |
0,64 |
0,7 |
0,76 |
САД.U = CАД · cos α1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
САД.R = CАД · sin α1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
LU, Дж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
3.7. Определение основных параметров электромеханического привода лопаток соплового аппарата турбины
Исходные данные
Электродвигатель постоянного тока типа 12V 993 647 060, напряжение питания 12 В, ток нагрузки 3А, мощность 30 Вт, крутящий момент на валу (роторе) МВ = 0,1 Н∙м, частота вращения nэ = 3500 мин-1, число зубьев ведущей прямозубой шестерни 9, длина 46 мм, диаметр 27 мм.
Зубчатая передача с числом зубьев ведущей шестерни ротора (вала) электродвигателя z1 = 9 и числом зубьев ведомой шестерни z2 = 27 (передаточное число i1 будет равно 27/9 = 3).
Червячный механизм с числом зубьев червяка 7, расчетным числом зубьев червячного колеса 24 (в зубчатом секторе их 8). При числе витков (заходе) червяка равным 2 передаточное число i2 будет равно
24/2 = 12.
Электронный блок управления турбины служит для поворота лопаток соплового аппарата (СА), изменяет направление (угол входа) потока газа на криволинейные лопатки колеса турбины. При оптимальной величине угла установки лопаток СА, равной 15 – 25о, частота вращения колеса достигает максимальных значений. При установке угла более 25о уменьшаются работа газов, мощность турбины и частота вращения колеса.
29
В состав электронного блока управления турбиной входят:
–управляемый электронный блок;
–привод (актуатор) управления турбиной;
–модуль управления турбиной.
На рис. 3.5 показан электронный блок в собранном виде, в разобранном виде и детали механизма привода.
Рис. 3.5. Электронный блок поворота лопаток турбины и его детали
На рис. 3.6 показан электромеханический привода лопаток СА турбины с электронным управлением, в который входят электродвигатель (моторчик) постоянного тока (он может быть бесконтактного или коллекторного типа), зубчатая передача, червячный механизм и датчик положения.
Рис. 3.6. Электромеханический привод лопаток соплового аппарата турбины
30