Материал: Мамиконов А.Г. Теория авиационных компрессоров и газовых турбин [учебник]

пульшрующимл. Указанные названия по существу характеризуют газотурбинную установку в делом и отражают особенности процесса сгорания, который может происходить или непрерывно в установив­ шемся потоке газа в открытых камерах .сгорания (при постоянном давлении), или периодически в закрытых или полузакрытых каме­ рах сгорания (при постоянном или приблизительно постоянном объеме). В современных авиационных ГТД используются исключи­ тельно1турбины с постоянным давлением сгорания.

По способу подвода газа к колесу турбины разделяются на пар­ циальные и турбины со сплошным подводом газа, т. е. по всей ок­

как это способствует снижению диаметральных размеров как тур­ бины, так и самого двигателя.

По направлению движения газа турбины, как указывалось во введении, делятся на осевые и радиальные. Осевыми называются та­ кие турбины, в которых поток движется в основном в осевом направ­ лении, точнее — совершает винтовое движение. В радиальных турби­ нах поток в основном движется в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. При движении газа от периферии к центру турбина назы­ вается центростремительной (рис. 153а), при движении в обратном направлении — центробежной (рис. 1536). Центростремительная радиальная турбина представляет собой по существу обращенный центробежный компрессор, у которого лопаточный диффузор заме­ нен сопловым аппаратом, а крыльчатка — рабочим колесом турби­ ны. Радиальные турбины не получили распространения в авиации ввиду малой пропускной способности и трудности обеспечения необ­ ходимых больших окружных скоростей при высоких температурах газа.

По числу ступеней турбины разделяются на одноступенчатые и многоступенчатые. Турбины ТРД имеют число ступеней от одной до трех, а турбины авиационных ГТД других типов всегда выполняются многоступенчатыми — с числом ступеней до пяти и более.

2 9 0

§ 86. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О РАЗВИТИИ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

К концу XIX века гидравлические и паровые турбины, получили очень широкое распространение. К этому моменту создаются и ус­ ловия для разработки первых образцов пазовых турбин.

Первую газовую турбину осуществил русский инженер П. Д. Кузьминский, который в период с 1892 по 1897 г. спроектиро­ вал и построил оригинальную газотурбинную установку с постоян­ ным давлением сгорания. Испытания установки не были закончены, так как в мае 1900 г. П. Д. Кузьминский умер.

В1872 г. немецкий инженер Штольце получил патент на пазовую турбину с постоянным давлением сгорания, впоследствии (в 1900— 1904 гг.) им построенную и испытанную. Результаты испытаний опубликованы не были.

Турбина со сгоранием при постоянном давлении была создана также в 1906 г. французскими инженерами Армавго и Лемалем.

В1905— 1906 гг. последователь Кузьминского русский инженермеханик А. Ф. Бушуев построил и испытал первую газовую турбину со сгоранием при постоянном объеме.

Русский инженер В. В. Караводин изобрел в 1906 г. и построил в 1908 г. во Франции оригинальную газовую турбину, работающую на пульсирующем потоке газа.

В 1908 г. немецкий инженер Хольцварт предложил газотурбин­ ную установку со сгоранием при постоянном объеме и в дальней-

•шем проделал значительную работу по ее усовершенствованию, до­ стигнув определенных практических результатов.

Многолетний опыт конструирования стационарных паровых и га­ зовых турбин имеет швейцарская фирма Броун-Бовери. В 1928 г. эта фирма возобновила постройку газотурбинных установок Хольц’-

Недостаток знаний в области аэродинамики и газовой динамики длительное время не позволял создавать достаточно эконом'кчныё газотурбинные установки со сгоранием при постоянном давлении, что задерживало их развитие. Существенную роль в преодолении этой трудности сыграли работы выдающихся русских ученых проф. Н. Е. Жуковского и академика С. А. Чаплыгина, создавших теоре­ тическую и экспериментальную аэродинамику, а также положивших начало изучению теории решеток профилей, как основного элемента любой лопаточной машины. ■•

Большой вклад в теорию и практику газовых турбин сделали со­ ветские ученые проф. В. М. Маковский, проф. В. В. Уваров, Г. И. Зотиков и др.

Одна из важных заслуг советских ученых заключается в том, что они обосновали целесообразность и перспективность развития тур­ бин с постоянным давлением сгорания, в то время как зарубежные исследователи работали главным образом в. области турбин с по­

стоянным объемом сгорания. Дальнейшее развитие газовых турбин, в том числе и авиационных, подтвердило прогнозы советских ученых.

Одним из первых крупнейших деятелей советского пазотурбостроеиия был дроф. В. М. Маковокий. В 1925 г. он опубликовал мо­ нографию «Опыт исследования турбин внутреннего сгорания с по­ стоянным давлением», в которой рассмотрел ряд проблем развития газовых турбин и, в частности, обосновал целесообразность приме­ нения газовых турбин со сгоранием при постоянном давлении. В. М. Маковским был спроектирован и в 1939 г. построен на Харь­ ковском турбогенераторном заводе газотурбинный двигатель с по­ стоянным давлением сгорания, предназначенный для работы на про­ дуктах подземной газификации каменного угля.

Профессору В. В. Уварову принадлежат большие заслуги в соз­ дании теории газовых турбин. В 1935 г. была издана его книга «Га­ зовые турбины», содержащая результаты новых оригинальных ис­ следований. Разработанные в ней вопросы имеют и сейчас актуаль­ ное значение. В 1946 г. В. В. Уваров опубликовал работу, в которой, опираясь на труды Н. Е. Жуковского по вихревой теории гребных винтов, разработал методику пространственного профилирования лопаток паровых и газовых турбин.

Крупным специалистом в области газовых турбин является Г. И. Зотнков, опубликовавший ряд исследований, в частности мо­ нографию «Проблемы турбины внутреннего сгорания» (1935 г.), где убедительно показал преимущества турбин с постоянным давле­ нием сгорания.

В последние годы большой вклад в теорию газовых турбин сде­ лан советскими учеными И. И. Кирилловым, Г. С. Жирицким, П. К- Казанджаном, Я. И. Шнеэ, В. X. Абианцем, М. Е. Дейчем и др.

Систематические исследования авиационных газовых турбин, имеющие огромное значение для дальнейшего их развития и соверщецствования, в течение мнопих лет производятся в ЦИАМ им. Ба­ ранова. Большие работы выполнены также в ЦКТИ им. Ползунова, ЦАГИ им. Жуковского и других организациях и учебных заведениях нашей страны.

ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ 1

§ 87. ТЕРМОДИНАМИКА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ИДЕАЛЬНОЙ ТУРБИНЫ

Идеальной турбиной ' будем называть такую турбину, в которой отсутствуют гидравлические потери и теплообмен с окружающей средой. При этих условиях процесс расширения в турбине протекает по адиабате.

1 Содержание главы, относящееся в основном к одноступенчатой турбине, остается в силе и для многоступенчатых турбин.

2 9 2

Изменение состояния газа в .идеальной турбине в диаграм­ мах pv, Ts и is изображено на рис. 154. Здесь точками z и определяются статические параметры состояния газа перед и за турбиной, а точками z* и 2*d — полные параметры в тех же се­

чениях. Линия z-2ad представляет собой адиабату, по которой происходит расширение газа, а линия z*-2*ad— условную адиа­

бату, соединяющую точки г* и 2*d . В соответствии с рис. 154

ниже обозначаются различные параметры потока перед и за тур­ биной.

Термодинамический анализ рабочего процесса идеальной турбины имеет целью главным образом определение максималь-

Рис. 154. Процесс расширения газа в идеальной турбине.

или Бернулли, причем в целях упрощения расчетных выражений

где Ср — удельная теплоемкость газа при постоянном давлении.

293