Турбомашина с изменяемой геометрией - Variable geometry turbomachine

А турбомашина с изменяемой геометрией использует подвижные лопатки для оптимизации своей эффективности в различных условиях эксплуатации. В этой статье говорится о подвижных лопатках, используемых в жидкостных насосах и турбинах турбонагнетателей. Он не распространяется на широкое использование подвижных лопаток в компрессорах газовых турбин.

Тактико-технические характеристики турбомашин^[1]

Я упал жидкость скорости в соответствующих точках внутри турбомашины находятся в одном направлении и пропорциональны скорости лопастей, тогда рабочее состояние турбомашины при двух разных скорость вращения будут динамически подобны. Если две точки, каждая на разной кривой характеристик напора-потока, представляют аналогичную динамическую работу турбомашины, то безразмерные переменные (без учета эффектов числа Рейнольдса) будут иметь одинаковые значения.

Рисунок 1. безразмерная голова объемных характеристик центробежного насоса

Коэффициент напора

${\displaystyle \psi \ =f_{1}\!\left({Q \over {ND^{3}}}\right),\,}$[1]

(1)

Эффективность

${\displaystyle \eta \ =f_{2}\!\left({Q \over {ND^{3}}}\right),\,}$[1]

(2)

Коэффициент мощности

${\displaystyle P=f_{3}\!\left({Q \over {ND^{3}}}\right),\,}$[1]

(3)

Где,

${\displaystyle N}$ скорость вращения.

${\displaystyle Q}$ скорость потока.

${\displaystyle D}$ диаметр рабочего колеса.

Таким образом, безразмерное представление очень полезно для схождения к единой кривой производительности, которая в противном случае привела бы к множеству кривых, если бы она была построена в виде размеров. На рисунке 1 показаны характеристики напора.^[1] центробежного насоса в зависимости от коэффициента расхода. В пределах нормального рабочего диапазона этого насоса 0,03 3) < 0.06, Характерные кривые головки примерно совпадают для различных значений скорости (2500 об / мин), и небольшой разброс может быть связан с эффектом числа Рейнольдса. Для меньшего коэффициента расхода Q / (ND³) < 0.025, поток стал неустойчивым, но по-прежнему возникают динамически похожие условия, т.е. кривые напорных характеристик по-прежнему совпадают для разных значений скорости. Но при больших расходах отклонения от единой кривой отмечаются для более высоких значений скорости. Этот эффект обусловлен кавитация,^[2] явление высокой скорости гидравлических машин, вызванное выделением пузырьков пара при низких давлениях, например, в нестандартных рабочих условиях, т.е. Q / (ND³) < 0.03 и Q / (ND³) > 0.06поток становится неустойчивым и возникает кавитация. Поэтому, чтобы избежать кавитации, повысить эффективность при высоких расходах, мы прибегаем к турбомашинам с изменяемой геометрией.

Турбомашина с фиксированной геометрией

Машины с фиксированной геометрией предназначены для работы с максимальной эффективностью. Эффективность станка с фиксированной геометрией зависит от коэффициент расхода и Число Рейнольдса. Для постоянного числа Рейнольдса по мере увеличения коэффициента расхода эффективность также увеличивается, достигает максимального значения, а затем уменьшается. Таким образом, нестандартная работа совершенно неэффективна и может привести к кавитации при более высоких расходах.

Турбомашина с изменяемой геометрией^[1]

Турбомашина с изменяемой геометрией использует подвижные лопатки для регулирования потока. Углы лопастей изменяются с помощью кулачков, приводимых в движение серводвигатель (привод ). В больших установках, потребляющих многие тысячи киловатт и где условия эксплуатации меняются, используются сложные системы управления. Таким образом, турбомашина с изменяемой геометрией обеспечивает лучшее соответствие КПД изменяющимся условиям потока.

На рисунке 2 показан диапазон оптимальной эффективности.^[1] для турбомашины с изменяемой геометрией. На рисунке каждая из кривых ${\displaystyle (a,b\,and\,c)}$ представляет различные станки с фиксированной геометрией. КПД турбомашины с изменяемой геометрией пересекает точку максимального КПД для каждой из кривых. ${\displaystyle (a,b\,and\,c)}$.

Поскольку в турбомашине с изменяемой геометрией углы лопастей изменяются, мы вводим дополнительную переменную ${\displaystyle \beta }$ в уравнения 1 и 2, чтобы представить положение лопаток. Мы можем написать:

Рис. 2. Различные кривые КПД для данной машины, полученные при различных настройках лезвия.

${\displaystyle \psi \ =f_{4}(\phi ,\beta ),\,}$

${\displaystyle \eta \ =f_{5}(\phi ,\beta ),\,}$

Где, коэффициент расхода, ${\displaystyle \phi \ =\!\left({Q \over {ND^{3}}}\right).\,}$

В качестве альтернативы с

${\displaystyle \beta \ =f_{6}(\psi ,\phi ),\,}$

${\displaystyle \beta \ =f_{7}(\eta ,\phi ),\,}$

${\displaystyle \beta }$ можно исключить для получения новой функциональной зависимости:

${\displaystyle \eta \ =f_{8}(\phi ,\psi )=f_{8}\!\left({Q \over {ND^{3}}},{gH \over {N^{2}D^{2}}}\right).\,}$^[3]

Таким образом, КПД насоса с изменяемой геометрией зависит как от коэффициента расхода, так и от коэффициента передачи энергии.

Приложения

Технология турбомашин переменной геометрии используется в турбокомпрессор дизельных двигателей, у которых турбонагнетатель имеет регулируемые лопатки, которые регулируют поток выхлопных газов на лопатки турбины. Турбокомпрессор с изменяемой геометрией^[4] имеет подвижные лопатки, которые направляют поток выхлопных газов на лопатки турбины. Приводы используются для регулировки углов лопастей. Угол лопаток варьируется во всем диапазоне оборотов для оптимизации поведения турбины. На высоких оборотах двигателя лопатки полностью открыты, и выхлоп полностью направлен на лопатки турбины. На низких оборотах двигателя лопатки почти закрыты, создавая узкий проход для выхлопных газов. Это ускоряет выхлоп по направлению к лопаткам турбины, заставляя их вращаться быстрее.

Рисунок 3. Другая конфигурация лопаток

Смотрите также

• Нагнетатель.
• Турбонагнетатель с изменяемой геометрией.

Рекомендации

1. Диксон, С. Л., Гидравлическая механика и термодинамика турбомашин, 5-е изд. Эльзевир, 2011.
2. С.М. Яхья, Турбины, компрессоры и вентиляторы, 4-е изд. Макгроу, 2011 г.
3. Шапиро, А. Х., Содерберг, К. Р., Стеннинг, А. Х., Тейлор, Э. С. и Хорлок, Дж. Х. (1957). Заметки о турбомашинах. Кафедра машиностроения, Массачусетский технологический институт.
4. Шефер Д.Г., Принципы турбомашин, девятая печать, Macmillan, 1969.

внешняя ссылка

• «Самое надежное место для ответов на жизненные вопросы». Ответы. 2017-01-24. Получено 2017-03-10.
• Тан, Пол. "Как работает переменная геометрия турбины?". Paultan.org. Получено 2017-03-10.