D1 1. KS - jest ważnym wysoko obciążonym termicznie podzespołem konstrukcyjnym TSS w którym zachodzą złożone procesy aero- termo - chemiczne nie dające się ująć w sposób analityczny. Od stateczności i niezawodności jej pracy zależy pewność pracy całego silnika. Zadania KS :-Spalanie rozpylanego paliwa w strudze przepływającego powietrza przy współczynniku nadmiaru powietrza λ = 1 z małymi stratami niecałkowitego spalania . - wymieszanie wytworzonych spalin z powietrzem rozcieńczającym w celu wytworzenia gazu o temp możliwej do opanowania przez elementy konstrukcyjne turbiny. Tk = 1500 ° , 2000° , 2300°. Wymagania KS: -równomierne pole temp w przekroju wylotowym (płomień nie może opuścić komory spalania) . - pewny zapłon mieszanki, brak gaśnięcia płomienia i pulsacji przepływu w całym zakresie obciążeń silnika . - możliwie długa żywotność KS odpowiadająca żywotności całego silnika, - małe wymiary i ciężar, - wysokie sprawności spalania, brak w spalinach części nie spalonych stałych i ciekłych powodujących korozje, erozję i osady nagaru na łopatkach turbiny, - małe opory hydrauliczne, - efektywne chłodzenie najbardziej nagrzewających się elementów KS wykluczających ich możliwość przegrzania, - minimalne straty ciepła poprzez ścianki komory spalania do otoczenia. Wielkości charakterystyczne: sprawność termiczna KS ηks = Q1 / Qpal Q1 - ciepło uzyskane w wyniku spalenia paliwa, Qpal - ciepło dostarczone ηks = (m'sp·i3-m'powi2)/(m'pal·Wd), ηks=0,96-0,98, obciążenie cieplne KS: qKS=(BnKS·ξ·Wd)/VKS
D2 2. Zmiana parametrów wzdłuż komory spalania (wyk): I-proces tworzenia mieszanki palnej II-proces spalania mieszanki palnej III - proces odbierania temp spalin do wartosci wymaganej na wylocie (strefa mieszania) , opis do rys (schemat komory spalania) 1 dyfuzor, 2 osłona, 3 rura ogniowa, plomiennica, 4 wtryskiwacz, 5 zawirowywacz, 6 otwory doprowadzające powietrze rozcieńczające, 7 otwory doprowadzające powietrze dopalające, 3.K.Rurowa,Zalety;-stosunkowo łatwa technologia produkcji ze względu na stosunkowo duże wymiary co sprzyja dobremu rozpyleniu paliwa i wymieszaniu z powietrzem, -łatwość demontażu, kontroli, regulacji w warunkach okrętowych. Wady;- zwiększają gabaryty silnika(KS zamontowana na zewnątrz)-straty przepływu wywołane stosowaniem łączników. K. Pierścieniowa, Zalety; -duża jednorodność pola temperatur na wylocie, -min .opory przepływu czynnika roboczego, -konstrukcja zapewniająca dużą zwartość silnika. Wady; -konieczność stosowania dużej liczby wtryskiwaczy, wysokie wymagania dotyczące rozpylenia paliwa, -skomplikowany kształt i technologia wykonania, -trudny montaż i demontaż eliminuje dokonanie przeglądu w warunkach okrętowych. K. Pierścieniowo-rurowa - stanowi konstrukcję pośrednią między komorami pierścieniowymi i rurowymi. Łączą w sobie zalety komór pierścieniowych i rurowych, sa najczęściej stosowane. Materiały stosowane; -zapewniające żarowytrzymałość czyli odporność na korozje wysokotemperaturowa, a także małą skłonność do pękania i rozwarstwienia. Są to stale stopowe chromonikliwe: HN78T, HN75MBTJ. Budowa;-1-osłona-2rura ogniowa-3wtryskiwacze-4zawirowywacze-5łączniki-6przestrzeń z powietrzem wtórnym-7wnętrze rury ogniowej ze strumieniem powietrza pierwotnego
D3 5.Teoretyczną prędkość wypływu czynnika z przyrządów ekspansyjnych można obliczyć w dwojaki sposób: a) wykorzystując wykres I-S dla spalin, b) analitycznie. Ad a). Jako wielkości dane należy każdorazowo przyjmować parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną. Mając do dyspozycji wykres, na który nanosi się punkt początkowy ekspansji 0 (po,To), obliczyć należy wartość: Δho=Co2/2 i na izentropie oznaczyć punkt 0*. Znając końcowe ciśnienie ekspansji p1 wyznacza się punkt 1t a tym samym otrzymuje odcinek przedstawiający spadek cieplny ht*. W rezultacie należy skorzystać ze wzoru: C1t=√2ht*. Ad b). Znając parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną, wielkość C1t oblicza się ze wzoru: ht=(io-i1t)= Cp(To-T1) = Cp·To[1-(p1/po) И-1/И], po czym korzysta się ze wzoru: ht*= Co2/2 +ht, oraz C1t=√2ht*. Rzeczywista prędkość wypływu. Wskutek oporów przepływu w przyrządzie ekspansyjnym uzyskuje się na wylocie z kierownicy prędkość C1 mniejszą od teoretycznej C1t, C1=φC1t, φ=0,93-0,98 - współczynnik prędkości. Ekspansja czyli rozprężanie, gazu nie jest więc izentropowe, lecz wskutek tarcia i wywiązującego się przy tym ciepła przebiega ze wzrostem entropii s. Strata energii w przyrządzie ekspansyjnym jest równa różnicy energii kinetycznej i wynosi: Δhpe=C1t2/2 - C12/2 = C1t2/2 (1-φ2). Definicja stopnia reakcyjności ρ: ρ= hw/ht* , reakcyjność stopnia określa podział rozporządzalnego spadku entalpii między wieniec przyrządów ekspansyjnych i wirnikowy. Do 12 wykresu η - u/C1 Najbardziej korzystne okazuje się stosowanie stopni akcyjnych z pewną reakcyjnością ρ =0,2-0,4.
D4 6. Zakres zastosowań przyrządów ekspansyjnych(wyk). m'/A = f(p/po*, И), m'/A=0 to dla p/po* =1 brak rozprężania i dla p/po* =0 rozprężanie do próżni absolutnej. I. Jeśli stosunek ciśnień przy którym pracuje przyrząd ekspansyjny mieści się między 1 a β , β≤ p/po*<1, to wtedy stosunek m'/A↑ przy założeniu, że mamy m'=const=>A↓. W granicznym przypadku gdy p/po*=β w najwęższym przekroju przyrządu będą panowały parametry krytyczne TKR, pKR, cKR. Ten rodzaj przyrządu o stale malejącym przekroju nosi nazwę kierownicy lub konfuzora. II. Jeżeli stosunek ciśnień p/po* mieści się między β a 0 to początkowo przekuj przyrządu maleje a po osiągnięciu przekroju najwyższego musi z kolei rosnąc ponieważ m'/A↓ przy m'=const, A↑. Ekspansja i dalszy wzrost prędkości poza przekrojem krytycznym przyrządu wymaga zatem rosnącego przekroju kanału. Ten rodzaj przyrządu nazywa się dysza de Lavala. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. Kąt α1 zawarty między osią przyrządu a płaszcz.wylotową nazywa się katem dyszy(kierownicy) (12-25o). 15.Straty nieszczelności wewnętrznych(Δhn) spowodowane są tym że część masy czynnika roboczego przepływającego przez turbinę omija różnymi szczelinami kanał przepływowy utworzony przez przyrządy ekspansyjne i łopatki wirnikowe a zatem nie oddaje on w stopniu turbiny całej swojej energii. Istnieje kilka miejsc występowania nieszczelności; -Δm'nk- nieszczelność w miejscu osadzenia łopatek kierowniczych w kadłubie; -Δm'nw- nieszczelność w dławicy wewnętrznej między nieruchomym aparatem kierowniczym wałem turbiny; -Δm'nz- nieszczelność w szczelinie zamka łopatek wirnika; -Δm'nт- nieszczelność w luzie promieniowym pomiędzy wierzchołkami łopatek wirnikowych a kadłubem są największymi stratami ze strat nieszczelności.
D5 13. Porównanie stopni. większa prędkość obwodową przy tych samych spadkach cieplnych. Stopień reakcyjny różni się od akcyjnego głównie optymalnym stosunkiem prędkości (u/C1)opt przy którym osiągana jest maksymalna sprawność obwodowa. Wywiera to wpływ na wielkość spadku cieplnego, przy którym pracuje stopień, albo na dobór prędkości obwodowej. Jeżeli założymy, zę spadek entalpii w obu stopniach jest taki sam: htA*=htR* = ht* to wówczas stosunek prędkości obwodowych w obu stopniach powinien wynosić: uA/uR = (C1A·(u/C1)optA) / (C1R·(u/C1)optR) = 1/√2. Przy jednakowym spadku entalpii stopień reakcyjny wymaga w warunkach optymalnych sprawności √2 razy większej prędkości obwodowej. Ponieważ może się to okazać niedopuszczalne ze względów wytrzymałościowych (duże siły odśrodkowe), spadki entalpii przypadające na stopnie reakcyjne są z reguły mniejsze niż dla stopni akcyjnych. 14. stopnie od prędkości obwodowej. Jeśli założymy, że w obu rodzajach stopni utrzymywana jest ta sama prędkość obwodowa; uA=uR=u to C1A·(u/C1)optA = C1R·(u/C1)optR , √ (2htA*)·cosα1/2 = √ (2 htR*/2)·cosα1, wynika równość: htA*= 2htR*. Przy założeniu jednakowej prędkości obwodowej stopień akcyjny opanowuje zatem dwukrotnie większy spadek entalpii niż stopień reakcyjny. W turbinie wielostopniowej przy założeniu uA=uR: 1 stopień A jest równoważny 2 stopniom R, 2 stopnie A są równoważone 4 stopniami R itd.
D6. 18. Cel stosowani dyfuzora. W rozszerzającym się kanale następuje zmniejszenie się prędkości spalin na rzecz wzrostu ich ciśnienia. Może zatem rozprężanie w turbinie doprowadzić do ciśnienia niższego od ciśnienia atmosferycznego, a w dyfuzorze kosztem zmniejszenia prędkości uzyskać wzrost ciśnienia, co umożliwi odprowadzenie spalin na zewnątrz układu. Dla turbiny bez dyfuzora pracę przedstawiają linie 0*-0-1'-2-3, zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor linie 0*-0-1'-2'-2''-3''. Przemiana oznaczona linią 2'-2'' przedstawia politropowe sprężanie spalin w dyfuzorze. Mimo niewielkiej sprawności dyfuzora ηd=0,7-0,85 daje się uzyskać zmniejszenie energii kinetycznej uchodzącej do atmosfery spalin. Na wykresie tę energie kinetyczna (stratę wylotowa) dla turbiny bez dyfuzora przedstawia różnica entalpii między punktem 3 i 2 (i3 - i2) zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor - różnica entalpii miedzy punktami 3'' i 2'' (i3'' - i2''). Praca obwodowa turbiny rośnie przy tym od wartości lu (bez dyfuzora) do wielkości lud dla turbiny z dyfuzorem wylotowym. Ujemną cechą takiego rozwiązania jest zwiększenie długości turbiny, gdyż kąt rozwarcia kanału nie powinien być większy niż 10-12o. Zysk wynikający z zastosowania dyfuzora wylotowego jest poważny i mieści się w granicach (40-70)% Δhwyl.
D1 1. KS - jest ważnym wysoko obciążonym termicznie podzespołem konstrukcyjnym TSS w którym zachodzą złożone procesy aero- termo - chemiczne nie dające się ująć w sposób analityczny. Od stateczności i niezawodności jej pracy zależy pewność pracy całego silnika. Zadania KS :-Spalanie rozpylanego paliwa w strudze przepływającego powietrza przy współczynniku nadmiaru powietrza λ = 1 z małymi stratami niecałkowitego spalania . - wymieszanie wytworzonych spalin z powietrzem rozcieńczającym w celu wytworzenia gazu o temp możliwej do opanowania przez elementy konstrukcyjne turbiny. Tk = 1500 ° , 2000° , 2300°. Wymagania KS: -równomierne pole temp w przekroju wylotowym (płomień nie może opuścić komory spalania) . - pewny zapłon mieszanki, brak gaśnięcia płomienia i pulsacji przepływu w całym zakresie obciążeń silnika . - możliwie długa żywotność KS odpowiadająca żywotności całego silnika, - małe wymiary i ciężar, - wysokie sprawności spalania, brak w spalinach części nie spalonych stałych i ciekłych powodujących korozje, erozję i osady nagaru na łopatkach turbiny, - małe opory hydrauliczne, - efektywne chłodzenie najbardziej nagrzewających się elementów KS wykluczających ich możliwość przegrzania, - minimalne straty ciepła poprzez ścianki komory spalania do otoczenia. Wielkości charakterystyczne: sprawność termiczna KS ηks = Q1 / Qpal Q1 - ciepło uzyskane w wyniku spalenia paliwa, Qpal - ciepło dostarczone ηks = (m'sp·i3-m'powi2)/(m'pal·Wd), ηks=0,96-0,98, obciążenie cieplne KS: qKS=(BnKS·ξ·Wd)/VKS
D2 2. Zmiana parametrów wzdłuż komory spalania (wyk): I-proces tworzenia mieszanki palnej II-proces spalania mieszanki palnej III - proces odbierania temp spalin do wartosci wymaganej na wylocie (strefa mieszania) , opis do rys (schemat komory spalania) 1 dyfuzor, 2 osłona, 3 rura ogniowa, plomiennica, 4 wtryskiwacz, 5 zawirowywacz, 6 otwory doprowadzające powietrze rozcieńczające, 7 otwory doprowadzające powietrze dopalające, 3.K.Rurowa,Zalety;-stosunkowo łatwa technologia produkcji ze względu na stosunkowo duże wymiary co sprzyja dobremu rozpyleniu paliwa i wymieszaniu z powietrzem, -łatwość demontażu, kontroli, regulacji w warunkach okrętowych. Wady;- zwiększają gabaryty silnika(KS zamontowana na zewnątrz)-straty przepływu wywołane stosowaniem łączników. K. Pierścieniowa, Zalety; -duża jednorodność pola temperatur na wylocie, -min .opory przepływu czynnika roboczego, -konstrukcja zapewniająca dużą zwartość silnika. Wady; -konieczność stosowania dużej liczby wtryskiwaczy, wysokie wymagania dotyczące rozpylenia paliwa, -skomplikowany kształt i technologia wykonania, -trudny montaż i demontaż eliminuje dokonanie przeglądu w warunkach okrętowych. K. Pierścieniowo-rurowa - stanowi konstrukcję pośrednią między komorami pierścieniowymi i rurowymi. Łączą w sobie zalety komór pierścieniowych i rurowych, sa najczęściej stosowane. Materiały stosowane; -zapewniające żarowytrzymałość czyli odporność na korozje wysokotemperaturowa, a także małą skłonność do pękania i rozwarstwienia. Są to stale stopowe chromonikliwe: HN78T, HN75MBTJ. Budowa;-1-osłona-2rura ogniowa-3wtryskiwacze-4zawirowywacze-5łączniki-6przestrzeń z powietrzem wtórnym-7wnętrze rury ogniowej ze strumieniem powietrza pierwotnego
D3 5.Teoretyczną prędkość wypływu czynnika z przyrządów ekspansyjnych można obliczyć w dwojaki sposób: a) wykorzystując wykres I-S dla spalin, b) analitycznie. Ad a). Jako wielkości dane należy każdorazowo przyjmować parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną. Mając do dyspozycji wykres, na który nanosi się punkt początkowy ekspansji 0 (po,To), obliczyć należy wartość: Δho=Co2/2 i na izentropie oznaczyć punkt 0*. Znając końcowe ciśnienie ekspansji p1 wyznacza się punkt 1t a tym samym otrzymuje odcinek przedstawiający spadek cieplny ht*. W rezultacie należy skorzystać ze wzoru: C1t=√2ht*. Ad b). Znając parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną, wielkość C1t oblicza się ze wzoru: ht=(io-i1t)= Cp(To-T1) = Cp·To[1-(p1/po) И-1/И], po czym korzysta się ze wzoru: ht*= Co2/2 +ht, oraz C1t=√2ht*. Rzeczywista prędkość wypływu. Wskutek oporów przepływu w przyrządzie ekspansyjnym uzyskuje się na wylocie z kierownicy prędkość C1 mniejszą od teoretycznej C1t, C1=φC1t, φ=0,93-0,98 - współczynnik prędkości. Ekspansja czyli rozprężanie, gazu nie jest więc izentropowe, lecz wskutek tarcia i wywiązującego się przy tym ciepła przebiega ze wzrostem entropii s. Strata energii w przyrządzie ekspansyjnym jest równa różnicy energii kinetycznej i wynosi: Δhpe=C1t2/2 - C12/2 = C1t2/2 (1-φ2). Definicja stopnia reakcyjności ρ: ρ= hw/ht* , reakcyjność stopnia określa podział rozporządzalnego spadku entalpii między wieniec przyrządów ekspansyjnych i wirnikowy. Do 12 wykresu η - u/C1 Najbardziej korzystne okazuje się stosowanie stopni akcyjnych z pewną reakcyjnością ρ =0,2-0,4.
D4 6. Zakres zastosowań przyrządów ekspansyjnych(wyk). m'/A = f(p/po*, И), m'/A=0 to dla p/po* =1 brak rozprężania i dla p/po* =0 rozprężanie do próżni absolutnej. I. Jeśli stosunek ciśnień przy którym pracuje przyrząd ekspansyjny mieści się między 1 a β , β≤ p/po*<1, to wtedy stosunek m'/A↑ przy założeniu, że mamy m'=const=>A↓. W granicznym przypadku gdy p/po*=β w najwęższym przekroju przyrządu będą panowały parametry krytyczne TKR, pKR, cKR. Ten rodzaj przyrządu o stale malejącym przekroju nosi nazwę kierownicy lub konfuzora. II. Jeżeli stosunek ciśnień p/po* mieści się między β a 0 to początkowo przekuj przyrządu maleje a po osiągnięciu przekroju najwyższego musi z kolei rosnąc ponieważ m'/A↓ przy m'=const, A↑. Ekspansja i dalszy wzrost prędkości poza przekrojem krytycznym przyrządu wymaga zatem rosnącego przekroju kanału. Ten rodzaj przyrządu nazywa się dysza de Lavala. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. Kąt α1 zawarty między osią przyrządu a płaszcz.wylotową nazywa się katem dyszy(kierownicy) (12-25o). 15.Straty nieszczelności wewnętrznych(Δhn) spowodowane są tym że część masy czynnika roboczego przepływającego przez turbinę omija różnymi szczelinami kanał przepływowy utworzony przez przyrządy ekspansyjne i łopatki wirnikowe a zatem nie oddaje on w stopniu turbiny całej swojej energii. Istnieje kilka miejsc występowania nieszczelności; -Δm'nk- nieszczelność w miejscu osadzenia łopatek kierowniczych w kadłubie; -Δm'nw- nieszczelność w dławicy wewnętrznej między nieruchomym aparatem kierowniczym wałem turbiny; -Δm'nz- nieszczelność w szczelinie zamka łopatek wirnika; -Δm'nт- nieszczelność w luzie promieniowym pomiędzy wierzchołkami łopatek wirnikowych a kadłubem są największymi stratami ze strat nieszczelności.
D5 13. Porównanie stopni. większa prędkość obwodową przy tych samych spadkach cieplnych. Stopień reakcyjny różni się od akcyjnego głównie optymalnym stosunkiem prędkości (u/C1)opt przy którym osiągana jest maksymalna sprawność obwodowa. Wywiera to wpływ na wielkość spadku cieplnego, przy którym pracuje stopień, albo na dobór prędkości obwodowej. Jeżeli założymy, zę spadek entalpii w obu stopniach jest taki sam: htA*=htR* = ht* to wówczas stosunek prędkości obwodowych w obu stopniach powinien wynosić: uA/uR = (C1A·(u/C1)optA) / (C1R·(u/C1)optR) = 1/√2. Przy jednakowym spadku entalpii stopień reakcyjny wymaga w warunkach optymalnych sprawności √2 razy większej prędkości obwodowej. Ponieważ może się to okazać niedopuszczalne ze względów wytrzymałościowych (duże siły odśrodkowe), spadki entalpii przypadające na stopnie reakcyjne są z reguły mniejsze niż dla stopni akcyjnych. 14. stopnie od prędkości obwodowej. Jeśli założymy, że w obu rodzajach stopni utrzymywana jest ta sama prędkość obwodowa; uA=uR=u to C1A·(u/C1)optA = C1R·(u/C1)optR , √ (2htA*)·cosα1/2 = √ (2 htR*/2)·cosα1, wynika równość: htA*= 2htR*. Przy założeniu jednakowej prędkości obwodowej stopień akcyjny opanowuje zatem dwukrotnie większy spadek entalpii niż stopień reakcyjny. W turbinie wielostopniowej przy założeniu uA=uR: 1 stopień A jest równoważny 2 stopniom R, 2 stopnie A są równoważone 4 stopniami R itd.
D6. 18. Cel stosowani dyfuzora. W rozszerzającym się kanale następuje zmniejszenie się prędkości spalin na rzecz wzrostu ich ciśnienia. Może zatem rozprężanie w turbinie doprowadzić do ciśnienia niższego od ciśnienia atmosferycznego, a w dyfuzorze kosztem zmniejszenia prędkości uzyskać wzrost ciśnienia, co umożliwi odprowadzenie spalin na zewnątrz układu. Dla turbiny bez dyfuzora pracę przedstawiają linie 0*-0-1'-2-3, zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor linie 0*-0-1'-2'-2''-3''. Przemiana oznaczona linią 2'-2'' przedstawia politropowe sprężanie spalin w dyfuzorze. Mimo niewielkiej sprawności dyfuzora ηd=0,7-0,85 daje się uzyskać zmniejszenie energii kinetycznej uchodzącej do atmosfery spalin. Na wykresie tę energie kinetyczna (stratę wylotowa) dla turbiny bez dyfuzora przedstawia różnica entalpii między punktem 3 i 2 (i3 - i2) zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor - różnica entalpii miedzy punktami 3'' i 2'' (i3'' - i2''). Praca obwodowa turbiny rośnie przy tym od wartości lu (bez dyfuzora) do wielkości lud dla turbiny z dyfuzorem wylotowym. Ujemną cechą takiego rozwiązania jest zwiększenie długości turbiny, gdyż kąt rozwarcia kanału nie powinien być większy niż 10-12o. Zysk wynikający z zastosowania dyfuzora wylotowego jest poważny i mieści się w granicach (40-70)% Δhwyl.
D1 1. KS - jest ważnym wysoko obciążonym termicznie podzespołem konstrukcyjnym TSS w którym zachodzą złożone procesy aero- termo - chemiczne nie dające się ująć w sposób analityczny. Od stateczności i niezawodności jej pracy zależy pewność pracy całego silnika. Zadania KS :-Spalanie rozpylanego paliwa w strudze przepływającego powietrza przy współczynniku nadmiaru powietrza λ = 1 z małymi stratami niecałkowitego spalania . - wymieszanie wytworzonych spalin z powietrzem rozcieńczającym w celu wytworzenia gazu o temp możliwej do opanowania przez elementy konstrukcyjne turbiny. Tk = 1500 ° , 2000° , 2300°. Wymagania KS: -równomierne pole temp w przekroju wylotowym (płomień nie może opuścić komory spalania) . - pewny zapłon mieszanki, brak gaśnięcia płomienia i pulsacji przepływu w całym zakresie obciążeń silnika . - możliwie długa żywotność KS odpowiadająca żywotności całego silnika, - małe wymiary i ciężar, - wysokie sprawności spalania, brak w spalinach części nie spalonych stałych i ciekłych powodujących korozje, erozję i osady nagaru na łopatkach turbiny, - małe opory hydrauliczne, - efektywne chłodzenie najbardziej nagrzewających się elementów KS wykluczających ich możliwość przegrzania, - minimalne straty ciepła poprzez ścianki komory spalania do otoczenia. Wielkości charakterystyczne: sprawność termiczna KS ηks = Q1 / Qpal Q1 - ciepło uzyskane w wyniku spalenia paliwa, Qpal - ciepło dostarczone ηks = (m'sp·i3-m'powi2)/(m'pal·Wd), ηks=0,96-0,98, obciążenie cieplne KS: qKS=(BnKS·ξ·Wd)/VKS
D2 2. Zmiana parametrów wzdłuż komory spalania (wyk): I-proces tworzenia mieszanki palnej II-proces spalania mieszanki palnej III - proces odbierania temp spalin do wartosci wymaganej na wylocie (strefa mieszania) , opis do rys (schemat komory spalania) 1 dyfuzor, 2 osłona, 3 rura ogniowa, plomiennica, 4 wtryskiwacz, 5 zawirowywacz, 6 otwory doprowadzające powietrze rozcieńczające, 7 otwory doprowadzające powietrze dopalające, 3.K.Rurowa,Zalety;-stosunkowo łatwa technologia produkcji ze względu na stosunkowo duże wymiary co sprzyja dobremu rozpyleniu paliwa i wymieszaniu z powietrzem, -łatwość demontażu, kontroli, regulacji w warunkach okrętowych. Wady;- zwiększają gabaryty silnika(KS zamontowana na zewnątrz)-straty przepływu wywołane stosowaniem łączników. K. Pierścieniowa, Zalety; -duża jednorodność pola temperatur na wylocie, -min .opory przepływu czynnika roboczego, -konstrukcja zapewniająca dużą zwartość silnika. Wady; -konieczność stosowania dużej liczby wtryskiwaczy, wysokie wymagania dotyczące rozpylenia paliwa, -skomplikowany kształt i technologia wykonania, -trudny montaż i demontaż eliminuje dokonanie przeglądu w warunkach okrętowych. K. Pierścieniowo-rurowa - stanowi konstrukcję pośrednią między komorami pierścieniowymi i rurowymi. Łączą w sobie zalety komór pierścieniowych i rurowych, sa najczęściej stosowane. Materiały stosowane; -zapewniające żarowytrzymałość czyli odporność na korozje wysokotemperaturowa, a także małą skłonność do pękania i rozwarstwienia. Są to stale stopowe chromonikliwe: HN78T, HN75MBTJ. Budowa;-1-osłona-2rura ogniowa-3wtryskiwacze-4zawirowywacze-5łączniki-6przestrzeń z powietrzem wtórnym-7wnętrze rury ogniowej ze strumieniem powietrza pierwotnego
D3 5.Teoretyczną prędkość wypływu czynnika z przyrządów ekspansyjnych można obliczyć w dwojaki sposób: a) wykorzystując wykres I-S dla spalin, b) analitycznie. Ad a). Jako wielkości dane należy każdorazowo przyjmować parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną. Mając do dyspozycji wykres, na który nanosi się punkt początkowy ekspansji 0 (po,To), obliczyć należy wartość: Δho=Co2/2 i na izentropie oznaczyć punkt 0*. Znając końcowe ciśnienie ekspansji p1 wyznacza się punkt 1t a tym samym otrzymuje odcinek przedstawiający spadek cieplny ht*. W rezultacie należy skorzystać ze wzoru: C1t=√2ht*. Ad b). Znając parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną, wielkość C1t oblicza się ze wzoru: ht=(io-i1t)= Cp(To-T1) = Cp·To[1-(p1/po) И-1/И], po czym korzysta się ze wzoru: ht*= Co2/2 +ht, oraz C1t=√2ht*. Rzeczywista prędkość wypływu. Wskutek oporów przepływu w przyrządzie ekspansyjnym uzyskuje się na wylocie z kierownicy prędkość C1 mniejszą od teoretycznej C1t, C1=φC1t, φ=0,93-0,98 - współczynnik prędkości. Ekspansja czyli rozprężanie, gazu nie jest więc izentropowe, lecz wskutek tarcia i wywiązującego się przy tym ciepła przebiega ze wzrostem entropii s. Strata energii w przyrządzie ekspansyjnym jest równa różnicy energii kinetycznej i wynosi: Δhpe=C1t2/2 - C12/2 = C1t2/2 (1-φ2). Definicja stopnia reakcyjności ρ: ρ= hw/ht* , reakcyjność stopnia określa podział rozporządzalnego spadku entalpii między wieniec przyrządów ekspansyjnych i wirnikowy. Do 12 wykresu η - u/C1 Najbardziej korzystne okazuje się stosowanie stopni akcyjnych z pewną reakcyjnością ρ =0,2-0,4.
D4 6. Zakres zastosowań przyrządów ekspansyjnych(wyk). m'/A = f(p/po*, И), m'/A=0 to dla p/po* =1 brak rozprężania i dla p/po* =0 rozprężanie do próżni absolutnej. I. Jeśli stosunek ciśnień przy którym pracuje przyrząd ekspansyjny mieści się między 1 a β , β≤ p/po*<1, to wtedy stosunek m'/A↑ przy założeniu, że mamy m'=const=>A↓. W granicznym przypadku gdy p/po*=β w najwęższym przekroju przyrządu będą panowały parametry krytyczne TKR, pKR, cKR. Ten rodzaj przyrządu o stale malejącym przekroju nosi nazwę kierownicy lub konfuzora. II. Jeżeli stosunek ciśnień p/po* mieści się między β a 0 to początkowo przekuj przyrządu maleje a po osiągnięciu przekroju najwyższego musi z kolei rosnąc ponieważ m'/A↓ przy m'=const, A↑. Ekspansja i dalszy wzrost prędkości poza przekrojem krytycznym przyrządu wymaga zatem rosnącego przekroju kanału. Ten rodzaj przyrządu nazywa się dysza de Lavala. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. Kąt α1 zawarty między osią przyrządu a płaszcz.wylotową nazywa się katem dyszy(kierownicy) (12-25o). 15.Straty nieszczelności wewnętrznych(Δhn) spowodowane są tym że część masy czynnika roboczego przepływającego przez turbinę omija różnymi szczelinami kanał przepływowy utworzony przez przyrządy ekspansyjne i łopatki wirnikowe a zatem nie oddaje on w stopniu turbiny całej swojej energii. Istnieje kilka miejsc występowania nieszczelności; -Δm'nk- nieszczelność w miejscu osadzenia łopatek kierowniczych w kadłubie; -Δm'nw- nieszczelność w dławicy wewnętrznej między nieruchomym aparatem kierowniczym wałem turbiny; -Δm'nz- nieszczelność w szczelinie zamka łopatek wirnika; -Δm'nт- nieszczelność w luzie promieniowym pomiędzy wierzchołkami łopatek wirnikowych a kadłubem są największymi stratami ze strat nieszczelności.
D5 13. Porównanie stopni. większa prędkość obwodową przy tych samych spadkach cieplnych. Stopień reakcyjny różni się od akcyjnego głównie optymalnym stosunkiem prędkości (u/C1)opt przy którym osiągana jest maksymalna sprawność obwodowa. Wywiera to wpływ na wielkość spadku cieplnego, przy którym pracuje stopień, albo na dobór prędkości obwodowej. Jeżeli założymy, zę spadek entalpii w obu stopniach jest taki sam: htA*=htR* = ht* to wówczas stosunek prędkości obwodowych w obu stopniach powinien wynosić: uA/uR = (C1A·(u/C1)optA) / (C1R·(u/C1)optR) = 1/√2. Przy jednakowym spadku entalpii stopień reakcyjny wymaga w warunkach optymalnych sprawności √2 razy większej prędkości obwodowej. Ponieważ może się to okazać niedopuszczalne ze względów wytrzymałościowych (duże siły odśrodkowe), spadki entalpii przypadające na stopnie reakcyjne są z reguły mniejsze niż dla stopni akcyjnych. 14. stopnie od prędkości obwodowej. Jeśli założymy, że w obu rodzajach stopni utrzymywana jest ta sama prędkość obwodowa; uA=uR=u to C1A·(u/C1)optA = C1R·(u/C1)optR , √ (2htA*)·cosα1/2 = √ (2 htR*/2)·cosα1, wynika równość: htA*= 2htR*. Przy założeniu jednakowej prędkości obwodowej stopień akcyjny opanowuje zatem dwukrotnie większy spadek entalpii niż stopień reakcyjny. W turbinie wielostopniowej przy założeniu uA=uR: 1 stopień A jest równoważny 2 stopniom R, 2 stopnie A są równoważone 4 stopniami R itd.
D6. 18. Cel stosowani dyfuzora. W rozszerzającym się kanale następuje zmniejszenie się prędkości spalin na rzecz wzrostu ich ciśnienia. Może zatem rozprężanie w turbinie doprowadzić do ciśnienia niższego od ciśnienia atmosferycznego, a w dyfuzorze kosztem zmniejszenia prędkości uzyskać wzrost ciśnienia, co umożliwi odprowadzenie spalin na zewnątrz układu. Dla turbiny bez dyfuzora pracę przedstawiają linie 0*-0-1'-2-3, zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor linie 0*-0-1'-2'-2''-3''. Przemiana oznaczona linią 2'-2'' przedstawia politropowe sprężanie spalin w dyfuzorze. Mimo niewielkiej sprawności dyfuzora ηd=0,7-0,85 daje się uzyskać zmniejszenie energii kinetycznej uchodzącej do atmosfery spalin. Na wykresie tę energie kinetyczna (stratę wylotowa) dla turbiny bez dyfuzora przedstawia różnica entalpii między punktem 3 i 2 (i3 - i2) zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor - różnica entalpii miedzy punktami 3'' i 2'' (i3'' - i2''). Praca obwodowa turbiny rośnie przy tym od wartości lu (bez dyfuzora) do wielkości lud dla turbiny z dyfuzorem wylotowym. Ujemną cechą takiego rozwiązania jest zwiększenie długości turbiny, gdyż kąt rozwarcia kanału nie powinien być większy niż 10-12o. Zysk wynikający z zastosowania dyfuzora wylotowego jest poważny i mieści się w granicach (40-70)% Δhwyl.
|
D1 1. KS - jest ważnym wysoko obciążonym termicznie podzespołem konstrukcyjnym TSS w którym zachodzą złożone procesy aero- termo - chemiczne nie dające się ująć w sposób analityczny. Od stateczności i niezawodności jej pracy zależy pewność pracy całego silnika. Zadania KS :-Spalanie rozpylanego paliwa w strudze przepływającego powietrza przy współczynniku nadmiaru powietrza λ = 1 z małymi stratami niecałkowitego spalania . - wymieszanie wytworzonych spalin z powietrzem rozcieńczającym w celu wytworzenia gazu o temp możliwej do opanowania przez elementy konstrukcyjne turbiny. Tk = 1500 ° , 2000° , 2300°. Wymagania KS: -równomierne pole temp w przekroju wylotowym (płomień nie może opuścić komory spalania) . - pewny zapłon mieszanki, brak gaśnięcia płomienia i pulsacji przepływu w całym zakresie obciążeń silnika . - możliwie długa żywotność KS odpowiadająca żywotności całego silnika, - małe wymiary i ciężar, - wysokie sprawności spalania, brak w spalinach części nie spalonych stałych i ciekłych powodujących korozje, erozję i osady nagaru na łopatkach turbiny, - małe opory hydrauliczne, - efektywne chłodzenie najbardziej nagrzewających się elementów KS wykluczających ich możliwość przegrzania, - minimalne straty ciepła poprzez ścianki komory spalania do otoczenia. Wielkości charakterystyczne: sprawność termiczna KS ηks = Q1 / Qpal Q1 - ciepło uzyskane w wyniku spalenia paliwa, Qpal - ciepło dostarczone ηks = (m'sp·i3-m'powi2)/(m'pal·Wd), ηks=0,96-0,98, obciążenie cieplne KS: qKS=(BnKS·ξ·Wd)/VKS
D2 2. Zmiana parametrów wzdłuż komory spalania (wyk): I-proces tworzenia mieszanki palnej II-proces spalania mieszanki palnej III - proces odbierania temp spalin do wartosci wymaganej na wylocie (strefa mieszania) , opis do rys (schemat komory spalania) 1 dyfuzor, 2 osłona, 3 rura ogniowa, plomiennica, 4 wtryskiwacz, 5 zawirowywacz, 6 otwory doprowadzające powietrze rozcieńczające, 7 otwory doprowadzające powietrze dopalające, 3.K.Rurowa,Zalety;-stosunkowo łatwa technologia produkcji ze względu na stosunkowo duże wymiary co sprzyja dobremu rozpyleniu paliwa i wymieszaniu z powietrzem, -łatwość demontażu, kontroli, regulacji w warunkach okrętowych. Wady;- zwiększają gabaryty silnika(KS zamontowana na zewnątrz)-straty przepływu wywołane stosowaniem łączników. K. Pierścieniowa, Zalety; -duża jednorodność pola temperatur na wylocie, -min .opory przepływu czynnika roboczego, -konstrukcja zapewniająca dużą zwartość silnika. Wady; -konieczność stosowania dużej liczby wtryskiwaczy, wysokie wymagania dotyczące rozpylenia paliwa, -skomplikowany kształt i technologia wykonania, -trudny montaż i demontaż eliminuje dokonanie przeglądu w warunkach okrętowych. K. Pierścieniowo-rurowa - stanowi konstrukcję pośrednią między komorami pierścieniowymi i rurowymi. Łączą w sobie zalety komór pierścieniowych i rurowych, sa najczęściej stosowane. Materiały stosowane; -zapewniające żarowytrzymałość czyli odporność na korozje wysokotemperaturowa, a także małą skłonność do pękania i rozwarstwienia. Są to stale stopowe chromonikliwe: HN78T, HN75MBTJ. Budowa;-1-osłona-2rura ogniowa-3wtryskiwacze-4zawirowywacze-5łączniki-6przestrzeń z powietrzem wtórnym-7wnętrze rury ogniowej ze strumieniem powietrza pierwotnego
D3 5.Teoretyczną prędkość wypływu czynnika z przyrządów ekspansyjnych można obliczyć w dwojaki sposób: a) wykorzystując wykres I-S dla spalin, b) analitycznie. Ad a). Jako wielkości dane należy każdorazowo przyjmować parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną. Mając do dyspozycji wykres, na który nanosi się punkt początkowy ekspansji 0 (po,To), obliczyć należy wartość: Δho=Co2/2 i na izentropie oznaczyć punkt 0*. Znając końcowe ciśnienie ekspansji p1 wyznacza się punkt 1t a tym samym otrzymuje odcinek przedstawiający spadek cieplny ht*. W rezultacie należy skorzystać ze wzoru: C1t=√2ht*. Ad b). Znając parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną, wielkość C1t oblicza się ze wzoru: ht=(io-i1t)= Cp(To-T1) = Cp·To[1-(p1/po) И-1/И], po czym korzysta się ze wzoru: ht*= Co2/2 +ht, oraz C1t=√2ht*. Rzeczywista prędkość wypływu. Wskutek oporów przepływu w przyrządzie ekspansyjnym uzyskuje się na wylocie z kierownicy prędkość C1 mniejszą od teoretycznej C1t, C1=φC1t, φ=0,93-0,98 - współczynnik prędkości. Ekspansja czyli rozprężanie, gazu nie jest więc izentropowe, lecz wskutek tarcia i wywiązującego się przy tym ciepła przebiega ze wzrostem entropii s. Strata energii w przyrządzie ekspansyjnym jest równa różnicy energii kinetycznej i wynosi: Δhpe=C1t2/2 - C12/2 = C1t2/2 (1-φ2). Definicja stopnia reakcyjności ρ: ρ= hw/ht* , reakcyjność stopnia określa podział rozporządzalnego spadku entalpii między wieniec przyrządów ekspansyjnych i wirnikowy. Do 12 wykresu η - u/C1 Najbardziej korzystne okazuje się stosowanie stopni akcyjnych z pewną reakcyjnością ρ =0,2-0,4.
D4 6. Zakres zastosowań przyrządów ekspansyjnych(wyk). m'/A = f(p/po*, И), m'/A=0 to dla p/po* =1 brak rozprężania i dla p/po* =0 rozprężanie do próżni absolutnej. I. Jeśli stosunek ciśnień przy którym pracuje przyrząd ekspansyjny mieści się między 1 a β , β≤ p/po*<1, to wtedy stosunek m'/A↑ przy założeniu, że mamy m'=const=>A↓. W granicznym przypadku gdy p/po*=β w najwęższym przekroju przyrządu będą panowały parametry krytyczne TKR, pKR, cKR. Ten rodzaj przyrządu o stale malejącym przekroju nosi nazwę kierownicy lub konfuzora. II. Jeżeli stosunek ciśnień p/po* mieści się między β a 0 to początkowo przekuj przyrządu maleje a po osiągnięciu przekroju najwyższego musi z kolei rosnąc ponieważ m'/A↓ przy m'=const, A↑. Ekspansja i dalszy wzrost prędkości poza przekrojem krytycznym przyrządu wymaga zatem rosnącego przekroju kanału. Ten rodzaj przyrządu nazywa się dysza de Lavala. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. Kąt α1 zawarty między osią przyrządu a płaszcz.wylotową nazywa się katem dyszy(kierownicy) (12-25o). 15.Straty nieszczelności wewnętrznych(Δhn) spowodowane są tym że część masy czynnika roboczego przepływającego przez turbinę omija różnymi szczelinami kanał przepływowy utworzony przez przyrządy ekspansyjne i łopatki wirnikowe a zatem nie oddaje on w stopniu turbiny całej swojej energii. Istnieje kilka miejsc występowania nieszczelności; -Δm'nk- nieszczelność w miejscu osadzenia łopatek kierowniczych w kadłubie; -Δm'nw- nieszczelność w dławicy wewnętrznej między nieruchomym aparatem kierowniczym wałem turbiny; -Δm'nz- nieszczelność w szczelinie zamka łopatek wirnika; -Δm'nт- nieszczelność w luzie promieniowym pomiędzy wierzchołkami łopatek wirnikowych a kadłubem są największymi stratami ze strat nieszczelności.
D5 13. Porównanie stopni. większa prędkość obwodową przy tych samych spadkach cieplnych. Stopień reakcyjny różni się od akcyjnego głównie optymalnym stosunkiem prędkości (u/C1)opt przy którym osiągana jest maksymalna sprawność obwodowa. Wywiera to wpływ na wielkość spadku cieplnego, przy którym pracuje stopień, albo na dobór prędkości obwodowej. Jeżeli założymy, zę spadek entalpii w obu stopniach jest taki sam: htA*=htR* = ht* to wówczas stosunek prędkości obwodowych w obu stopniach powinien wynosić: uA/uR = (C1A·(u/C1)optA) / (C1R·(u/C1)optR) = 1/√2. Przy jednakowym spadku entalpii stopień reakcyjny wymaga w warunkach optymalnych sprawności √2 razy większej prędkości obwodowej. Ponieważ może się to okazać niedopuszczalne ze względów wytrzymałościowych (duże siły odśrodkowe), spadki entalpii przypadające na stopnie reakcyjne są z reguły mniejsze niż dla stopni akcyjnych. 14. stopnie od prędkości obwodowej. Jeśli założymy, że w obu rodzajach stopni utrzymywana jest ta sama prędkość obwodowa; uA=uR=u to C1A·(u/C1)optA = C1R·(u/C1)optR , √ (2htA*)·cosα1/2 = √ (2 htR*/2)·cosα1, wynika równość: htA*= 2htR*. Przy założeniu jednakowej prędkości obwodowej stopień akcyjny opanowuje zatem dwukrotnie większy spadek entalpii niż stopień reakcyjny. W turbinie wielostopniowej przy założeniu uA=uR: 1 stopień A jest równoważny 2 stopniom R, 2 stopnie A są równoważone 4 stopniami R itd.
D6. 18. Cel stosowani dyfuzora. W rozszerzającym się kanale następuje zmniejszenie się prędkości spalin na rzecz wzrostu ich ciśnienia. Może zatem rozprężanie w turbinie doprowadzić do ciśnienia niższego od ciśnienia atmosferycznego, a w dyfuzorze kosztem zmniejszenia prędkości uzyskać wzrost ciśnienia, co umożliwi odprowadzenie spalin na zewnątrz układu. Dla turbiny bez dyfuzora pracę przedstawiają linie 0*-0-1'-2-3, zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor linie 0*-0-1'-2'-2''-3''. Przemiana oznaczona linią 2'-2'' przedstawia politropowe sprężanie spalin w dyfuzorze. Mimo niewielkiej sprawności dyfuzora ηd=0,7-0,85 daje się uzyskać zmniejszenie energii kinetycznej uchodzącej do atmosfery spalin. Na wykresie tę energie kinetyczna (stratę wylotowa) dla turbiny bez dyfuzora przedstawia różnica entalpii między punktem 3 i 2 (i3 - i2) zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor - różnica entalpii miedzy punktami 3'' i 2'' (i3'' - i2''). Praca obwodowa turbiny rośnie przy tym od wartości lu (bez dyfuzora) do wielkości lud dla turbiny z dyfuzorem wylotowym. Ujemną cechą takiego rozwiązania jest zwiększenie długości turbiny, gdyż kąt rozwarcia kanału nie powinien być większy niż 10-12o. Zysk wynikający z zastosowania dyfuzora wylotowego jest poważny i mieści się w granicach (40-70)% Δhwyl.
D1 1. KS - jest ważnym wysoko obciążonym termicznie podzespołem konstrukcyjnym TSS w którym zachodzą złożone procesy aero- termo - chemiczne nie dające się ująć w sposób analityczny. Od stateczności i niezawodności jej pracy zależy pewność pracy całego silnika. Zadania KS :-Spalanie rozpylanego paliwa w strudze przepływającego powietrza przy współczynniku nadmiaru powietrza λ = 1 z małymi stratami niecałkowitego spalania . - wymieszanie wytworzonych spalin z powietrzem rozcieńczającym w celu wytworzenia gazu o temp możliwej do opanowania przez elementy konstrukcyjne turbiny. Tk = 1500 ° , 2000° , 2300°. Wymagania KS: -równomierne pole temp w przekroju wylotowym (płomień nie może opuścić komory spalania) . - pewny zapłon mieszanki, brak gaśnięcia płomienia i pulsacji przepływu w całym zakresie obciążeń silnika . - możliwie długa żywotność KS odpowiadająca żywotności całego silnika, - małe wymiary i ciężar, - wysokie sprawności spalania, brak w spalinach części nie spalonych stałych i ciekłych powodujących korozje, erozję i osady nagaru na łopatkach turbiny, - małe opory hydrauliczne, - efektywne chłodzenie najbardziej nagrzewających się elementów KS wykluczających ich możliwość przegrzania, - minimalne straty ciepła poprzez ścianki komory spalania do otoczenia. Wielkości charakterystyczne: sprawność termiczna KS ηks = Q1 / Qpal Q1 - ciepło uzyskane w wyniku spalenia paliwa, Qpal - ciepło dostarczone ηks = (m'sp·i3-m'powi2)/(m'pal·Wd), ηks=0,96-0,98, obciążenie cieplne KS: qKS=(BnKS·ξ·Wd)/VKS
D2 2. Zmiana parametrów wzdłuż komory spalania (wyk): I-proces tworzenia mieszanki palnej II-proces spalania mieszanki palnej III - proces odbierania temp spalin do wartosci wymaganej na wylocie (strefa mieszania) , opis do rys (schemat komory spalania) 1 dyfuzor, 2 osłona, 3 rura ogniowa, plomiennica, 4 wtryskiwacz, 5 zawirowywacz, 6 otwory doprowadzające powietrze rozcieńczające, 7 otwory doprowadzające powietrze dopalające, 3.K.Rurowa,Zalety;-stosunkowo łatwa technologia produkcji ze względu na stosunkowo duże wymiary co sprzyja dobremu rozpyleniu paliwa i wymieszaniu z powietrzem, -łatwość demontażu, kontroli, regulacji w warunkach okrętowych. Wady;- zwiększają gabaryty silnika(KS zamontowana na zewnątrz)-straty przepływu wywołane stosowaniem łączników. K. Pierścieniowa, Zalety; -duża jednorodność pola temperatur na wylocie, -min .opory przepływu czynnika roboczego, -konstrukcja zapewniająca dużą zwartość silnika. Wady; -konieczność stosowania dużej liczby wtryskiwaczy, wysokie wymagania dotyczące rozpylenia paliwa, -skomplikowany kształt i technologia wykonania, -trudny montaż i demontaż eliminuje dokonanie przeglądu w warunkach okrętowych. K. Pierścieniowo-rurowa - stanowi konstrukcję pośrednią między komorami pierścieniowymi i rurowymi. Łączą w sobie zalety komór pierścieniowych i rurowych, sa najczęściej stosowane. Materiały stosowane; -zapewniające żarowytrzymałość czyli odporność na korozje wysokotemperaturowa, a także małą skłonność do pękania i rozwarstwienia. Są to stale stopowe chromonikliwe: HN78T, HN75MBTJ. Budowa;-1-osłona-2rura ogniowa-3wtryskiwacze-4zawirowywacze-5łączniki-6przestrzeń z powietrzem wtórnym-7wnętrze rury ogniowej ze strumieniem powietrza pierwotnego
D3 5.Teoretyczną prędkość wypływu czynnika z przyrządów ekspansyjnych można obliczyć w dwojaki sposób: a) wykorzystując wykres I-S dla spalin, b) analitycznie. Ad a). Jako wielkości dane należy każdorazowo przyjmować parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną. Mając do dyspozycji wykres, na który nanosi się punkt początkowy ekspansji 0 (po,To), obliczyć należy wartość: Δho=Co2/2 i na izentropie oznaczyć punkt 0*. Znając końcowe ciśnienie ekspansji p1 wyznacza się punkt 1t a tym samym otrzymuje odcinek przedstawiający spadek cieplny ht*. W rezultacie należy skorzystać ze wzoru: C1t=√2ht*. Ad b). Znając parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną, wielkość C1t oblicza się ze wzoru: ht=(io-i1t)= Cp(To-T1) = Cp·To[1-(p1/po) И-1/И], po czym korzysta się ze wzoru: ht*= Co2/2 +ht, oraz C1t=√2ht*. Rzeczywista prędkość wypływu. Wskutek oporów przepływu w przyrządzie ekspansyjnym uzyskuje się na wylocie z kierownicy prędkość C1 mniejszą od teoretycznej C1t, C1=φC1t, φ=0,93-0,98 - współczynnik prędkości. Ekspansja czyli rozprężanie, gazu nie jest więc izentropowe, lecz wskutek tarcia i wywiązującego się przy tym ciepła przebiega ze wzrostem entropii s. Strata energii w przyrządzie ekspansyjnym jest równa różnicy energii kinetycznej i wynosi: Δhpe=C1t2/2 - C12/2 = C1t2/2 (1-φ2). Definicja stopnia reakcyjności ρ: ρ= hw/ht* , reakcyjność stopnia określa podział rozporządzalnego spadku entalpii między wieniec przyrządów ekspansyjnych i wirnikowy. Do 12 wykresu η - u/C1 Najbardziej korzystne okazuje się stosowanie stopni akcyjnych z pewną reakcyjnością ρ =0,2-0,4.
D4 6. Zakres zastosowań przyrządów ekspansyjnych(wyk). m'/A = f(p/po*, И), m'/A=0 to dla p/po* =1 brak rozprężania i dla p/po* =0 rozprężanie do próżni absolutnej. I. Jeśli stosunek ciśnień przy którym pracuje przyrząd ekspansyjny mieści się między 1 a β , β≤ p/po*<1, to wtedy stosunek m'/A↑ przy założeniu, że mamy m'=const=>A↓. W granicznym przypadku gdy p/po*=β w najwęższym przekroju przyrządu będą panowały parametry krytyczne TKR, pKR, cKR. Ten rodzaj przyrządu o stale malejącym przekroju nosi nazwę kierownicy lub konfuzora. II. Jeżeli stosunek ciśnień p/po* mieści się między β a 0 to początkowo przekuj przyrządu maleje a po osiągnięciu przekroju najwyższego musi z kolei rosnąc ponieważ m'/A↓ przy m'=const, A↑. Ekspansja i dalszy wzrost prędkości poza przekrojem krytycznym przyrządu wymaga zatem rosnącego przekroju kanału. Ten rodzaj przyrządu nazywa się dysza de Lavala. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. Kąt α1 zawarty między osią przyrządu a płaszcz.wylotową nazywa się katem dyszy(kierownicy) (12-25o). 15.Straty nieszczelności wewnętrznych(Δhn) spowodowane są tym że część masy czynnika roboczego przepływającego przez turbinę omija różnymi szczelinami kanał przepływowy utworzony przez przyrządy ekspansyjne i łopatki wirnikowe a zatem nie oddaje on w stopniu turbiny całej swojej energii. Istnieje kilka miejsc występowania nieszczelności; -Δm'nk- nieszczelność w miejscu osadzenia łopatek kierowniczych w kadłubie; -Δm'nw- nieszczelność w dławicy wewnętrznej między nieruchomym aparatem kierowniczym wałem turbiny; -Δm'nz- nieszczelność w szczelinie zamka łopatek wirnika; -Δm'nт- nieszczelność w luzie promieniowym pomiędzy wierzchołkami łopatek wirnikowych a kadłubem są największymi stratami ze strat nieszczelności.
D5 13. Porównanie stopni. większa prędkość obwodową przy tych samych spadkach cieplnych. Stopień reakcyjny różni się od akcyjnego głównie optymalnym stosunkiem prędkości (u/C1)opt przy którym osiągana jest maksymalna sprawność obwodowa. Wywiera to wpływ na wielkość spadku cieplnego, przy którym pracuje stopień, albo na dobór prędkości obwodowej. Jeżeli założymy, zę spadek entalpii w obu stopniach jest taki sam: htA*=htR* = ht* to wówczas stosunek prędkości obwodowych w obu stopniach powinien wynosić: uA/uR = (C1A·(u/C1)optA) / (C1R·(u/C1)optR) = 1/√2. Przy jednakowym spadku entalpii stopień reakcyjny wymaga w warunkach optymalnych sprawności √2 razy większej prędkości obwodowej. Ponieważ może się to okazać niedopuszczalne ze względów wytrzymałościowych (duże siły odśrodkowe), spadki entalpii przypadające na stopnie reakcyjne są z reguły mniejsze niż dla stopni akcyjnych. 14. stopnie od prędkości obwodowej. Jeśli założymy, że w obu rodzajach stopni utrzymywana jest ta sama prędkość obwodowa; uA=uR=u to C1A·(u/C1)optA = C1R·(u/C1)optR , √ (2htA*)·cosα1/2 = √ (2 htR*/2)·cosα1, wynika równość: htA*= 2htR*. Przy założeniu jednakowej prędkości obwodowej stopień akcyjny opanowuje zatem dwukrotnie większy spadek entalpii niż stopień reakcyjny. W turbinie wielostopniowej przy założeniu uA=uR: 1 stopień A jest równoważny 2 stopniom R, 2 stopnie A są równoważone 4 stopniami R itd.
D6. 18. Cel stosowani dyfuzora. W rozszerzającym się kanale następuje zmniejszenie się prędkości spalin na rzecz wzrostu ich ciśnienia. Może zatem rozprężanie w turbinie doprowadzić do ciśnienia niższego od ciśnienia atmosferycznego, a w dyfuzorze kosztem zmniejszenia prędkości uzyskać wzrost ciśnienia, co umożliwi odprowadzenie spalin na zewnątrz układu. Dla turbiny bez dyfuzora pracę przedstawiają linie 0*-0-1'-2-3, zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor linie 0*-0-1'-2'-2''-3''. Przemiana oznaczona linią 2'-2'' przedstawia politropowe sprężanie spalin w dyfuzorze. Mimo niewielkiej sprawności dyfuzora ηd=0,7-0,85 daje się uzyskać zmniejszenie energii kinetycznej uchodzącej do atmosfery spalin. Na wykresie tę energie kinetyczna (stratę wylotowa) dla turbiny bez dyfuzora przedstawia różnica entalpii między punktem 3 i 2 (i3 - i2) zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor - różnica entalpii miedzy punktami 3'' i 2'' (i3'' - i2''). Praca obwodowa turbiny rośnie przy tym od wartości lu (bez dyfuzora) do wielkości lud dla turbiny z dyfuzorem wylotowym. Ujemną cechą takiego rozwiązania jest zwiększenie długości turbiny, gdyż kąt rozwarcia kanału nie powinien być większy niż 10-12o. Zysk wynikający z zastosowania dyfuzora wylotowego jest poważny i mieści się w granicach (40-70)% Δhwyl.
D1 1. KS - jest ważnym wysoko obciążonym termicznie podzespołem konstrukcyjnym TSS w którym zachodzą złożone procesy aero- termo - chemiczne nie dające się ująć w sposób analityczny. Od stateczności i niezawodności jej pracy zależy pewność pracy całego silnika. Zadania KS :-Spalanie rozpylanego paliwa w strudze przepływającego powietrza przy współczynniku nadmiaru powietrza λ = 1 z małymi stratami niecałkowitego spalania . - wymieszanie wytworzonych spalin z powietrzem rozcieńczającym w celu wytworzenia gazu o temp możliwej do opanowania przez elementy konstrukcyjne turbiny. Tk = 1500 ° , 2000° , 2300°. Wymagania KS: -równomierne pole temp w przekroju wylotowym (płomień nie może opuścić komory spalania) . - pewny zapłon mieszanki, brak gaśnięcia płomienia i pulsacji przepływu w całym zakresie obciążeń silnika . - możliwie długa żywotność KS odpowiadająca żywotności całego silnika, - małe wymiary i ciężar, - wysokie sprawności spalania, brak w spalinach części nie spalonych stałych i ciekłych powodujących korozje, erozję i osady nagaru na łopatkach turbiny, - małe opory hydrauliczne, - efektywne chłodzenie najbardziej nagrzewających się elementów KS wykluczających ich możliwość przegrzania, - minimalne straty ciepła poprzez ścianki komory spalania do otoczenia. Wielkości charakterystyczne: sprawność termiczna KS ηks = Q1 / Qpal Q1 - ciepło uzyskane w wyniku spalenia paliwa, Qpal - ciepło dostarczone ηks = (m'sp·i3-m'powi2)/(m'pal·Wd), ηks=0,96-0,98, obciążenie cieplne KS: qKS=(BnKS·ξ·Wd)/VKS
D2 2. Zmiana parametrów wzdłuż komory spalania (wyk): I-proces tworzenia mieszanki palnej II-proces spalania mieszanki palnej III - proces odbierania temp spalin do wartosci wymaganej na wylocie (strefa mieszania) , opis do rys (schemat komory spalania) 1 dyfuzor, 2 osłona, 3 rura ogniowa, plomiennica, 4 wtryskiwacz, 5 zawirowywacz, 6 otwory doprowadzające powietrze rozcieńczające, 7 otwory doprowadzające powietrze dopalające, 3.K.Rurowa,Zalety;-stosunkowo łatwa technologia produkcji ze względu na stosunkowo duże wymiary co sprzyja dobremu rozpyleniu paliwa i wymieszaniu z powietrzem, -łatwość demontażu, kontroli, regulacji w warunkach okrętowych. Wady;- zwiększają gabaryty silnika(KS zamontowana na zewnątrz)-straty przepływu wywołane stosowaniem łączników. K. Pierścieniowa, Zalety; -duża jednorodność pola temperatur na wylocie, -min .opory przepływu czynnika roboczego, -konstrukcja zapewniająca dużą zwartość silnika. Wady; -konieczność stosowania dużej liczby wtryskiwaczy, wysokie wymagania dotyczące rozpylenia paliwa, -skomplikowany kształt i technologia wykonania, -trudny montaż i demontaż eliminuje dokonanie przeglądu w warunkach okrętowych. K. Pierścieniowo-rurowa - stanowi konstrukcję pośrednią między komorami pierścieniowymi i rurowymi. Łączą w sobie zalety komór pierścieniowych i rurowych, sa najczęściej stosowane. Materiały stosowane; -zapewniające żarowytrzymałość czyli odporność na korozje wysokotemperaturowa, a także małą skłonność do pękania i rozwarstwienia. Są to stale stopowe chromonikliwe: HN78T, HN75MBTJ. Budowa;-1-osłona-2rura ogniowa-3wtryskiwacze-4zawirowywacze-5łączniki-6przestrzeń z powietrzem wtórnym-7wnętrze rury ogniowej ze strumieniem powietrza pierwotnego
D3 5.Teoretyczną prędkość wypływu czynnika z przyrządów ekspansyjnych można obliczyć w dwojaki sposób: a) wykorzystując wykres I-S dla spalin, b) analitycznie. Ad a). Jako wielkości dane należy każdorazowo przyjmować parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną. Mając do dyspozycji wykres, na który nanosi się punkt początkowy ekspansji 0 (po,To), obliczyć należy wartość: Δho=Co2/2 i na izentropie oznaczyć punkt 0*. Znając końcowe ciśnienie ekspansji p1 wyznacza się punkt 1t a tym samym otrzymuje odcinek przedstawiający spadek cieplny ht*. W rezultacie należy skorzystać ze wzoru: C1t=√2ht*. Ad b). Znając parametry początkowe gazu: po, To, Co oraz T1 lub p1 za turbiną, wielkość C1t oblicza się ze wzoru: ht=(io-i1t)= Cp(To-T1) = Cp·To[1-(p1/po) И-1/И], po czym korzysta się ze wzoru: ht*= Co2/2 +ht, oraz C1t=√2ht*. Rzeczywista prędkość wypływu. Wskutek oporów przepływu w przyrządzie ekspansyjnym uzyskuje się na wylocie z kierownicy prędkość C1 mniejszą od teoretycznej C1t, C1=φC1t, φ=0,93-0,98 - współczynnik prędkości. Ekspansja czyli rozprężanie, gazu nie jest więc izentropowe, lecz wskutek tarcia i wywiązującego się przy tym ciepła przebiega ze wzrostem entropii s. Strata energii w przyrządzie ekspansyjnym jest równa różnicy energii kinetycznej i wynosi: Δhpe=C1t2/2 - C12/2 = C1t2/2 (1-φ2). Definicja stopnia reakcyjności ρ: ρ= hw/ht* , reakcyjność stopnia określa podział rozporządzalnego spadku entalpii między wieniec przyrządów ekspansyjnych i wirnikowy. Do 12 wykresu η - u/C1 Najbardziej korzystne okazuje się stosowanie stopni akcyjnych z pewną reakcyjnością ρ =0,2-0,4.
D4 6. Zakres zastosowań przyrządów ekspansyjnych(wyk). m'/A = f(p/po*, И), m'/A=0 to dla p/po* =1 brak rozprężania i dla p/po* =0 rozprężanie do próżni absolutnej. I. Jeśli stosunek ciśnień przy którym pracuje przyrząd ekspansyjny mieści się między 1 a β , β≤ p/po*<1, to wtedy stosunek m'/A↑ przy założeniu, że mamy m'=const=>A↓. W granicznym przypadku gdy p/po*=β w najwęższym przekroju przyrządu będą panowały parametry krytyczne TKR, pKR, cKR. Ten rodzaj przyrządu o stale malejącym przekroju nosi nazwę kierownicy lub konfuzora. II. Jeżeli stosunek ciśnień p/po* mieści się między β a 0 to początkowo przekuj przyrządu maleje a po osiągnięciu przekroju najwyższego musi z kolei rosnąc ponieważ m'/A↓ przy m'=const, A↑. Ekspansja i dalszy wzrost prędkości poza przekrojem krytycznym przyrządu wymaga zatem rosnącego przekroju kanału. Ten rodzaj przyrządu nazywa się dysza de Lavala. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. W rzeczyw. na stopniu turbiny oś kanałów miedzyłopatkowych jest zagięta w ten sposób ażeby wypływ gazu był skierowany ukośnie do płaszczyzny wylotowej i w ten sposób umożliwiał odpowiednie nakierowanie strugi czynnika na łopatki wirnikowe. Kąt α1 zawarty między osią przyrządu a płaszcz.wylotową nazywa się katem dyszy(kierownicy) (12-25o). 15.Straty nieszczelności wewnętrznych(Δhn) spowodowane są tym że część masy czynnika roboczego przepływającego przez turbinę omija różnymi szczelinami kanał przepływowy utworzony przez przyrządy ekspansyjne i łopatki wirnikowe a zatem nie oddaje on w stopniu turbiny całej swojej energii. Istnieje kilka miejsc występowania nieszczelności; -Δm'nk- nieszczelność w miejscu osadzenia łopatek kierowniczych w kadłubie; -Δm'nw- nieszczelność w dławicy wewnętrznej między nieruchomym aparatem kierowniczym wałem turbiny; -Δm'nz- nieszczelność w szczelinie zamka łopatek wirnika; -Δm'nт- nieszczelność w luzie promieniowym pomiędzy wierzchołkami łopatek wirnikowych a kadłubem są największymi stratami ze strat nieszczelności.
D5 13. Porównanie stopni. większa prędkość obwodową przy tych samych spadkach cieplnych. Stopień reakcyjny różni się od akcyjnego głównie optymalnym stosunkiem prędkości (u/C1)opt przy którym osiągana jest maksymalna sprawność obwodowa. Wywiera to wpływ na wielkość spadku cieplnego, przy którym pracuje stopień, albo na dobór prędkości obwodowej. Jeżeli założymy, zę spadek entalpii w obu stopniach jest taki sam: htA*=htR* = ht* to wówczas stosunek prędkości obwodowych w obu stopniach powinien wynosić: uA/uR = (C1A·(u/C1)optA) / (C1R·(u/C1)optR) = 1/√2. Przy jednakowym spadku entalpii stopień reakcyjny wymaga w warunkach optymalnych sprawności √2 razy większej prędkości obwodowej. Ponieważ może się to okazać niedopuszczalne ze względów wytrzymałościowych (duże siły odśrodkowe), spadki entalpii przypadające na stopnie reakcyjne są z reguły mniejsze niż dla stopni akcyjnych. 14. stopnie od prędkości obwodowej. Jeśli założymy, że w obu rodzajach stopni utrzymywana jest ta sama prędkość obwodowa; uA=uR=u to C1A·(u/C1)optA = C1R·(u/C1)optR , √ (2htA*)·cosα1/2 = √ (2 htR*/2)·cosα1, wynika równość: htA*= 2htR*. Przy założeniu jednakowej prędkości obwodowej stopień akcyjny opanowuje zatem dwukrotnie większy spadek entalpii niż stopień reakcyjny. W turbinie wielostopniowej przy założeniu uA=uR: 1 stopień A jest równoważny 2 stopniom R, 2 stopnie A są równoważone 4 stopniami R itd.
D6. 18. Cel stosowani dyfuzora. W rozszerzającym się kanale następuje zmniejszenie się prędkości spalin na rzecz wzrostu ich ciśnienia. Może zatem rozprężanie w turbinie doprowadzić do ciśnienia niższego od ciśnienia atmosferycznego, a w dyfuzorze kosztem zmniejszenia prędkości uzyskać wzrost ciśnienia, co umożliwi odprowadzenie spalin na zewnątrz układu. Dla turbiny bez dyfuzora pracę przedstawiają linie 0*-0-1'-2-3, zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor linie 0*-0-1'-2'-2''-3''. Przemiana oznaczona linią 2'-2'' przedstawia politropowe sprężanie spalin w dyfuzorze. Mimo niewielkiej sprawności dyfuzora ηd=0,7-0,85 daje się uzyskać zmniejszenie energii kinetycznej uchodzącej do atmosfery spalin. Na wykresie tę energie kinetyczna (stratę wylotowa) dla turbiny bez dyfuzora przedstawia różnica entalpii między punktem 3 i 2 (i3 - i2) zaś dla turbiny zaopatrzonej w dyfuzor - różnica entalpii miedzy punktami 3'' i 2'' (i3'' - i2''). Praca obwodowa turbiny rośnie przy tym od wartości lu (bez dyfuzora) do wielkości lud dla turbiny z dyfuzorem wylotowym. Ujemną cechą takiego rozwiązania jest zwiększenie długości turbiny, gdyż kąt rozwarcia kanału nie powinien być większy niż 10-12o. Zysk wynikający z zastosowania dyfuzora wylotowego jest poważny i mieści się w granicach (40-70)% Δhwyl.
|