Лекция №7 «Ускорение газового потока»

Ускорение газового потока

Ускорение газового потока имеет место в таких элементах ГТД, как в турбине и реактивном сопле. При работе двигателя на установившемся режиме в этих элементах скорость потока, оставаясь в каждом сечении неизменной по времени, высоте с тем возрастает от сечения к сечению в направлении движения газа.

Такое движение называют ускоренным движением газового потока.

Каналы, предназначенные для ускорения газового потока, называют соплами.

Основными вопросами при изучении сопел являются:

- определение скорости потока и параметров состояния в различных сечениях сопла;

- определение площади проходного сечения сопла и его профиля;

- определение расхода газа через сопло;

- влияние различных факторов на величину скорости и расхода газа.

Скорость движения газа по соплу

Под скоростью движения газа понимают скорость его перемещения в данном сечении сопла.

Так как скорость движения зависит не от абсолютной величины давлений и , а от их отношения , то вводят понятие о степени понижения давления.

Степенью понижения давления называют, отношение полного давления на входе в сопло к статическому давлению в данном сечении сопла и обозначается

.

Тогда:

Зависимость параметров состояния газа от скорости потока.

 

При увеличении скорости потока от нуля до давление, температура и плотность уменьшается от до бесконечности. Таким образом, увеличение скорости потока газа в сопле сопровождается не только понижением давления, но и увеличением объема, т.е. происходит расширение газа. Работа расширения газа при этом затрачивается на увеличение кинетической энергии потока.

Критическая скорость и критические параметры состояния газа.

Скорость потока, равняя по величине местной скорости звука, называется критической скоростью - .

Параметры состояния газа соответствующие критической скорости потока, также называется критическими, и обозначаются - .

Так как , то через начальные параметры состояния критическая скорость определяется по формуле:

,

т.е. критическая скорость газа зависит только от температуры заторможенного потока на входе в сопло и от природы газа.

Для воздуха при ; .

Конфигурация сопла.

Соплом называют канал определенной конфигурации, предназначенный для ускорения газового потока, или сопло – это профилированный канал, в котором происходит преобразование части теплосодержания в кинетическую энергию направленного движения газа.

Таким образом:

а) при увеличении скорости потока от нуля до критической ее величины площадь поперечного сечения сопла должна уменьшаться, т.е. сопло должно иметь форму сужающегося канала;

б) при дальнейшем увеличения скорости от до площадь должна увеличиваться, т.е. к сужающейся части сопла надо добавить расширяющуюся части;

в) критическая скорость потока и критические параметры газа могут быть получены только в том сечении сопла, которое имеет минимальную величину площади .

Условия получения дозвуковых, звуковых и сверхзвуковых скоростей.

Тяга двигателя находится в прямой зависимости от скорости газового потока в выходном сечении сопла. При каких условиях в выходном сечении сопла можно достигнуть дозвуковой, звуковой и сверхзвуковой скорости газового потока.

1. Для получения дозвуковых скоростей истечения в выходном сечении сопла необходимо, чтобы степень понижения давления была меньше критической, а сопло имело форму сужающегося канала

 

‹ или ‹ (при )

2. Для получения сверхзвуковой скорости потока в выходном сечении сопла необходимо, чтобы:

а) располагаемая степень понижения давления была больше критической, т.е.

› , или › 1,89 (при );

б) сопло имело форму сужающее – расширяющегося канала.

Сужающееся сопло.

Сужающееся сопло устанавливаются в выходных устройствах газотурбинных двигателей.

Длина и профиль сопла выбираются с учетом наименьших потерь энергии. С целью уменьшения веса и габаритов сужающиеся выходные сопла ТРД и ТВД выполняются в виде коротких конических насадков с углом конусности .

Рассмотрим три характерных режима работы сужающегося сопло.

I режим – это когда давление внешней среды, куда происходит истечение больше критического давления или, когда степень понижения давления меньше .

‹ или ‹ , при .

Следовательно,

‹ =1,89.

II режим – расчетный или режим полного расширения. В этом случае давление в выходном сечения сопла равно давлению окружающей среды .

Для получения расчетного режима = или =

III режим – нерасчетный режим. Нерасчетные режимы получаются, когда

, или (при к=1,4)

Сопло Лаваля. Определение геометрических размеров сопла

Сопло Лаваля является наиболее распространенным видам сверхзвуковых сопел.

Сверхзвуковые сопла устанавливаются на АД, предназначенных для полета с большими сверхзвуковыми скоростями.

Форма и величина площади входного сечения всегда заданны, т.к. они определены размерами и формой поперечного сечения проточной части того элемента, к которому крепится сопло. Определению подлежат и .

Для определения площади критического и выходного сечений задают: расход газа , полные параметры потока и на входе в сопло и давление окружающей среды при чем › .

Площадь критического сечения можно определить из уравнения расхода газа или же по формуле

Однако если угол раствора расширяющейся части сопла не превышает , то при степенях понижения давления ‹10 эти потери оказываются небольшими.

Сопло с косым срезом.

Соплом с косым срезом называется сопло, у которого выходное сечение не перпендикулярно к оси канала.

Такие сопла применяются в турбинах. Лопатки соплового аппарата турбины, состоят из криволинейной сужающейся части и косого среза, представляющего собой полуоткрытую часть. Применение таких сопел объясняется необходимостью закрутки потока в сторону вращения рабочего колеса турбины.

Первым достоинством сопла с косым срезом является: простым по конструкции; позволяет при наличии сверхкритических степеней понижения давления получить сверхзвуковую скорость.

Второе достоинство таких сопел, как и сопел с центральным телом, заключается в том, что в них не происходит перерасширения газа, как это наблюдается в соплах Лаваля, когда .