Оценка энергетических возможностей лабораторного стенда для испытания газовых турбин, изготовленных аддитивными методами | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 15 августа, печатный экземпляр отправим 2 сентября.

Опубликовать статью в журнале

Библиографическое описание:

Полянский, А. Р. Оценка энергетических возможностей лабораторного стенда для испытания газовых турбин, изготовленных аддитивными методами / А. Р. Полянский, А. Н. Бобров, В. В. Алексеев, К. С. Калугин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 20 (258). — С. 116-120. — URL: https://moluch.ru/archive/258/59185/ (дата обращения: 06.08.2020).



Проведена оценка величины гидравлического напора насоса, а также необходимого перепада давления на турбине при работе лабораторной установки для испытания газовых турбин, изготовленных аддитивными методами.

Ключевые слова: аддитивные технологии, газовая турбина, лабораторная установка, оценка работы турбонасосного агрегата, насос, испытания.

К настоящему моменту одними из самых быстро развивающихся и перспективных направлений в области машиностроения являются аддитивные технологии. Суть методов состоит в изготовлении деталей посредством послойного наращивания материала по электронным моделям. Создавая изделия таким образом, удается значительно снизить затраты на их изготовление, что находит применение в различных сферах промышленности: от производства товаров массового потребления до изготовления уникальных деталей авиационной и ракетно-космической техники.

Наиболее целесообразно применение аддитивных технологий для производства деталей относительно простой формы, к прочностным характеристикам которых предъявляются невысокие требования. Это связано с тем, что структура получаемых деталей представляет собой множество связанных между собой частиц, и прочность конечной детали определяется в большей степени прочностью связей, нежели прочностью материала самих частиц. Также рациональным является применение аддитивных технологий при создании экспериментальных образцов, макетов и лабораторных установок. Тем самым сокращаются затраты на проведение предварительных испытаний по исследованию влияния геометрии изделия на протекание различных рабочих процессов.

В данной работе проводится оценка энергетических возможностей лабораторной установки для испытания газовых турбин, изготовленных аддитивными методами, совместно с насосом в составе турбонасосного агрегата.

Лабораторная установка представляет собой универсальный комплекс, позволяющий исследовать работу аддитивно изготовленных турбин с различной конфигурацией рабочих лопаток на однофазном или двухфазном рабочих телах с различной температурой. Модель установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Модель лабораторной установки

Принцип работы установки заключается в следующем. На рабочие лопатки турбины через сопловой аппарат, расположенный в корпусе, подается сжатый воздух под определенным давлением. Давление потока воздуха на лопатки турбины создает крутящий момент. Турбина приводится во вращение, передавая момент по валу на насос, который в свою очередь создает напор и увеличивает энергию подаваемой к нему воды.

Исследуемая турбина выполнена из PLA-пластмассы, а её геометрия, как и геометрия рабочих лопаток, идентичны прототипу, которым является турбина, использованная в лабораторной установке, разработанной на базе МГТУ им Н. Э. Баумана [1]. Используемый насос был предназначен для работы в турбонасосном агрегате жидкостного ракетного двигателя 5Д12. Однако для снижения затрат на разработку нового агрегата, насос и его корпусные детали были использованы при создании оцениваемой установки.

Оценка энергетических возможностей стенда заключается в определении напора насоса, который может быть получен при достижении турбиной предельно допустимой частоты вращения, а также в определении необходимого для этого давления сжатого воздуха на входе в сопловой аппарат. Момент, создаваемый турбиной, определяется из гидродинамического напора, создаваемого насосом.

Как было показано, идентичная газовая турбина, выполненная из PLA-пластмассы, способна работать при частотах вращения, достигающих

и при моменте без существенных повреждений и изменений её конструкции [2]. При следующих расчетах указанная частота, выраженная в , принята за максимально допустимую при проведении испытаний.

В связи с недостатком сведений об используемом насосе зависимость создаваемого им напора от частоты вращения вала была установлена, исходя из коэффициента быстроходности , принятого с учетом отношения входного и выходного диаметров насоса:

— входной и выходной диаметры насоса. Принято: [3].

Объемный расход подаваемой к насосу воды принят равным , а массовый расход подаваемого на турбину воздуха , что соответствует устойчивой работе системы подачи.

При указанных предельной частоте вращения вала и объемном расходе воды напор насоса принимает значение [3]:

— объемный расход воды.

После принятия значений критического коэффициента кавитации, давления насыщенных паров и плотности воды было найдено минимально допустимое значение давления на входе в насос, ниже которого происходит кавитация, недопустимая при работе насоса [4]:

— критический коэффициент кавитации, принятый из интервала для обычных насосов [4], — плотность воды, — давление насыщенных паров воды при [5].

По найденному напору был найден вызываемый им перепад давлений воды:

Задавшись коэффициентом полезного действия (КПД) насоса, была рассчитана потребная мощность на привод насоса:

— КПД насоса, принятый в первом приближении [4], а также установлен крутящий момент на валу:

Далее была найдена зависимость располагаемой мощности турбины на привод насоса и импеллерного уплотнения вала от степени расширения сжатого воздуха [4]:

адиабатная работа турбины, — температура подводимого воздуха, показатель адиабаты,

газовая постоянная для сжатого воздуха, — молекулярная масса воздуха [5], — КПД турбины, принятый в первом приближении с учетом гидравлических потерь в сопловом аппарате и на рабочих лопатках, — степень расширения воздуха на турбине, — давление торможения воздуха на входе в сопловой аппарат и статическое давление воздуха на выходе с турбины, — массовый расход подаваемого воздуха.

Поскольку мощность, потребляемая импеллерным уплотнением, незначительна и много меньше мощности, потребляемой насосом, при дальнейших расчетах доля располагаемой мощности турбины на привод импеллера не учитывается. Однако при последующих пересчетах она может быть рассчитана и учтена по известной методике [3].

Из равенства потребной мощности на привод насоса и располагаемой мощности турбины аналитически была найдена степень расширения рабочего тела турбины, при которой при заданных условиях реализуется указанная предельная частота вращения вала:

Графическое решение данного уравнения представлено на рис. 2.

Рис. 2. Графическое решение уравнения мощностей турбины и насоса

После принятия давления на выходе из турбины равным атмосферному давлению окружающей среды , было найдено требуемое давление воздуха на входе в сопловой аппарат:

Таким образом, в результате проведенной оценки было установлено, что при работе лабораторной стендовой установки для испытания газовых турбин, изготовленных аддитивными методами, предельно допустимая частота вращения турбины, равная , может быть реализована при подаче через сопловой аппарат сжатого воздуха с давлением торможения и массовым расходом . При этом работающий совместно с турбиной насос создаст напор, равный что соответствует перепаду давления , при подаче к насосу воды с объемным расходом . Величина крутящего момента на валу будет составлять

Полученные результаты позволяют оценить работу лабораторной установки в первом приближении, так как значения величин, используемых при расчете, были приняты без учета влияний многих факторов, для оценки которых недостаточно опытных данных. В дальнейших работах планируется экспериментальное подтверждение полученных результатов.

Литература:

  1. Изучение энергетических характеристик активной турбины на модельном однофазном и двухфазном рабочем теле: метод. указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Теория и проектирование ТНА» / Максимов С. Ф., Ягодников Д. А., Андреев Е. А. [и др.]; МГТУ им. Н. Э. Баумана. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 46 с.: ил.

2. Алексеев В. В., Калугин К. С. Исследование прочностных характеристик моделей газовых турбин, изготовленных аддитивными методами. В кн.: Сб. тезисов докл. Всероссийской. студ. конф., Москва, 2018: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. С. 39–40.

3. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей / Овсянников Б. В., Боровский Б. И. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986. — 376 с.: ил.

4. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования: учебник для высших учебных заведений / Добровольский М. В.; под ред. Д. А. Ягодникова — 3-е изд., доп. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 461 с.: ил.

5. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Варгафтик Н. Б. — 2-е изд. — М.: Наука, 1972. — 721 с.

Основные термины (генерируются автоматически): лабораторная установка, турбина, насос, сжатый воздух, сопловой аппарат, располагаемая мощность турбины, крутящий момент, привод насоса, турбонасосный агрегат, массовый расход.


Ключевые слова

лабораторная установка, испытания, насос, аддитивные технологии, газовая турбина, оценка работы турбонасосного агрегата

Похожие статьи

Анализ нагрузок, действующих на элементы конструкции ГТД

крутящие моменты – возникают в роторах от действия воздуха и газов на рабочие лопатки компрессора и турбины и в корпусных

Крутящий момент от газовых сил действующий на лопатки РК компрессора вычисляется на основе треугольников скоростей (рис. 3) на среднем...

Разработка математической модели газотурбинной энергоустановки

Турбина газогенератора отличается от базовой турбины двигателя

сопловым аппаратом ΙΙ ступени с усиленным корпусом и лопатками с сотоблоками

После КНД и КВД сжатый воздух направляется в камеру сгорания.

В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива.

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

2. Силовой турбины, которая служит для преобразования потенциальной энергии газов в кинетическую энергию, используемую для приведения в

В зависимости от условий применения минимальный массовый расход можно поддерживать, направляя часть потока со стороны...

Разработка систем автоматизированного управления режимами...

Основной смысл использования регулируемого электропривода и систем автоматизированного управления (САУ) в насосных установках заключается в том, чтобы привести в соответствие режим работы насосов с режимом работы водопроводной или канализационной сети.

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

Понижение температуры воздуха увеличивает его плотность, расход воздуха через

Увеличение расхода газов через турбину в результате впрыска воды на входе компрессора и

Основным топливом для газотурбинного привода рассматриваемых энергетических установок...

Экспериментальные исследования функционирования системы...

В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований системы автоматического управления (САУ) малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД) с электроприводным топливным насосом-дозатором...

Безопасность при эксплуатации газотурбинных установок...

Жаровая труба и сопловой аппарат турбины, конструктивно входящие в камеру сгорания, наиболее подвержены разрушающему воздействию высокотемпературного скоростного газового потока, поэтому прогары, нагарообразование и коробление жаровой трубы и соплового...

Анализ и прогноз развития отечественных вспомогательных...

В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива.

Увеличение расхода газов через турбину в результате впрыска воды на входе компрессора и...

наружный воздух, электрическая мощность, электрический КПД, камера сгорания...

Повышение эксплуатационной надежности турбокомпрессора...

В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива.

Теплоемкость газов, а следовательно, и располагаемый теплоперепад в турбине при...

Жаровая труба и сопловой аппарат турбины, конструктивно входящие в камеру сгорания...

Похожие статьи

Анализ нагрузок, действующих на элементы конструкции ГТД

крутящие моменты – возникают в роторах от действия воздуха и газов на рабочие лопатки компрессора и турбины и в корпусных

Крутящий момент от газовых сил действующий на лопатки РК компрессора вычисляется на основе треугольников скоростей (рис. 3) на среднем...

Разработка математической модели газотурбинной энергоустановки

Турбина газогенератора отличается от базовой турбины двигателя

сопловым аппаратом ΙΙ ступени с усиленным корпусом и лопатками с сотоблоками

После КНД и КВД сжатый воздух направляется в камеру сгорания.

В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива.

Расчёт предпомпажных состояний газотурбинной установки

2. Силовой турбины, которая служит для преобразования потенциальной энергии газов в кинетическую энергию, используемую для приведения в

В зависимости от условий применения минимальный массовый расход можно поддерживать, направляя часть потока со стороны...

Разработка систем автоматизированного управления режимами...

Основной смысл использования регулируемого электропривода и систем автоматизированного управления (САУ) в насосных установках заключается в том, чтобы привести в соответствие режим работы насосов с режимом работы водопроводной или канализационной сети.

Оптимальные параметры регулирования режимов работы...

Понижение температуры воздуха увеличивает его плотность, расход воздуха через

Увеличение расхода газов через турбину в результате впрыска воды на входе компрессора и

Основным топливом для газотурбинного привода рассматриваемых энергетических установок...

Экспериментальные исследования функционирования системы...

В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований системы автоматического управления (САУ) малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД) с электроприводным топливным насосом-дозатором...

Безопасность при эксплуатации газотурбинных установок...

Жаровая труба и сопловой аппарат турбины, конструктивно входящие в камеру сгорания, наиболее подвержены разрушающему воздействию высокотемпературного скоростного газового потока, поэтому прогары, нагарообразование и коробление жаровой трубы и соплового...

Анализ и прогноз развития отечественных вспомогательных...

В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива.

Увеличение расхода газов через турбину в результате впрыска воды на входе компрессора и...

наружный воздух, электрическая мощность, электрический КПД, камера сгорания...

Повышение эксплуатационной надежности турбокомпрессора...

В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива.

Теплоемкость газов, а следовательно, и располагаемый теплоперепад в турбине при...

Жаровая труба и сопловой аппарат турбины, конструктивно входящие в камеру сгорания...

Задать вопрос