definicija turbinskih strojev -...
TRANSCRIPT
Definicija turbinskih strojev
Temelji celovitega razumevanja delovanja turbo
strojev so zakoni dinamike in termodinamike tekočin -
fluidov, ki so
vsebovani v sledečih temeljnih zakonih:-zakon o ohranitvi mase-Newtonov drugi zakon gibanja-zakon o ohranitvi energije –
prvi zakon termodinamike
-drugi zakon termodinamike-dimenzijska analiza –
podobnostni
zakoni
Turbinski stroji so stroji z rotorjem, ki omogoča prenos energije iz rotorja na tekočino oziroma obratno. Pri delovnih strojih, kot so črpalke se vrši prenos iz rotorja na tekočino, pri turbinah pa iz tekočine na rotor. Pri vseh turbinskih strojih je prisoten zvezen pretok tekočine skozi pretočni trakt –
kanale stroja.
UVOD IN RAZVRSTITEV TURBOSTROJEV:
Prenos energije iz tekočine na rotor ali obratno
Gonilnik
spreminja tekočini:
♦
statično entalpijo, ♦
kinetično energijo,
♦
statični tlak.
Področja uporabe: •
letalski motorji,
•
hidravlične, plinske in parne turbine, •
procesna tehnika, transportni sistemi.
Delitev na : ZUNANJE in NOTRANJE turbostroje.
Razdelitev turbostrojev temelji na: smer gibanja delovne
tekočine.
RAZVRSTITEV TURBOSTROJEV IN PRIMERI UPORABLJENIH TEKOČIN
RAZVRSTITEV
KOMPRESORJI IN ČRPALKE TURBINE
ODPRTI ZAPRTI
KOMBINIRANIAKSIALNI RADIALNI
ODPRTE ZAPRTE
AKSIALNE RADIALNE KOMBINIRANE
PRIMERI UPORABLJENIH
TEKOČIN
PLIN IN PARA KAPLJEVINA
•
Zrak
•
Argon
•
Neon
•
Helij
•
Freon
•
Para
•
Ogljikovodiki
-
plini
•
Voda
•
Kriogene
kapljevine
(O2,H2,F2,NH3,itd.)
•
Ogljikovodiki
-
goriva
•
Dvofazne
mešanice
kapljevina/trdna
snov
•
Kalij
•
Živo
srebro
APLIKACIJE: Letalska
vozila
TURBO VENTILATORSKIMOTOR
PROPELERSKO-VENTILATORSKIMOTOR
Sta tipična predstavnika aksialnih turbinskih strojev,zunanje in zaprte –
opaščene
več
stopenske izvedbe.
APLIKACIJE: Letalska
vozila
TURBO PROPELERSKIMOTOR
z radialnimi kompresorskimi in aksialnimiturbinskimi stopnjami
TURBO VENTILATORSKIMOTOR
APLIKACIJE: Črpalke
VISOKO TLAČNAČRPALKA
radialne dvo
stopenske izvedbe
NIZKO TLAČNAČRPALKA
rotor eno stopenske diagonalne črpalke
VOZILA: morska, kopenska
LADIJSKI VIJAK AVTOMOBILSKA PLINSKA TURBINA
ENERGETSKI STROJI: Vodne
turbine
GONILNIK FRANCISOVE
–
TURBINEradialni tip turbine primeren za srednje in
visoke energijske padce
ENERGETSKI STROJI: Parne
turbine
Rotorja tipične več
stopenske parne turbine aksialnega tipa
OSNOVE MEHANIKE TEKOČIN
Tokovno polje v turbostrojih
je kompleksno, tro dimenzionalno -
prostorsko in ne stacionarno.
Tok je lahko:
♦
stisljiv ali nestisljiv,
♦
podzvočni ali nadzvočni, ♦
stacionaren ali nestacionaren,
♦
enofazen ali dvofazen.
Gibanje tekočine v pretočnem traktu turninskega stroja je največkrat turbulentno, ob stenah pretočnega trakta pa
se pojavljajo laminarni in prehodni tokovni režimi.
Narava toka v aksialnem turbostroju
med gonilnimi lopatami
Način povezovanja znanj z različnih področij razvoja turbostrojev
MEHANIKA FLUIDOV
•
Teorija
potencialnega
toka
•
Teorija
viskoznega
toka
•
Turbulenca
•
Dinamika
plinov
•
Dvofazni
tok
•
Numerične
metode
(CFD)
KONTROLNI SISTEM
ELEKTRO STROKA
NUMERIČNA ANALIZA
UPORABNA MATEMATIKA
ČISTA MATEMATIKA
PROIZVODNO STROJNIŠTVO
AKUSTIKA
Strukturni in
Turbulentni hrup
GRADIVA
MATERIALI
MEHANIKA TRDNIH TELES
TEORIJA VIBRACIJ
TERMODINAMIKA IN PRENOS TOPLOTE
TURBOSTROJI
•
Raziskave
•
Razvoj
•
Oblikovanje
•
Proizvodnja
•
Vzdrževanje
PRINCIP KONTROLNEGA VOLUMNAV mehaniki tekočin poznamo dve vrsti pristopa k reševanju problema:-integralni pristop
–
kontrolni volumen in-diferencialni pristop
– preučevanje procesa na infinitizimalnem
elementu.Vse enačbe, ki so izpeljane na kontrolnem volumnu izhajajo iz Reynoldsovegatransportnega teorema, ki temelji na predstavljenem kontrolnem volumnu.
ws
SPLOŠNA ENAČBA SPREMEMBE LASTNOSTI
Osnovo popisa dogajanja v postavljenem kontrolnem volumnu nam predstavlja splošna enačba spreminjanja lastnosti, zapisana v integralni obliki:
∫∫ ⋅⋅∂∂
+⋅⋅⋅=VA
dVnt
dAwndtdN ρρ
I II III
I ... časovna sprememba lastnosti N v opazovanem kontrolnem volumnu,II ... tok lastnosti N skozi površino opazovanega volumna,III ... sprememba lastnosti N znotraj opazovanega kontrolnega volumna.
N … lastnost opazovanega fenomena, n … lastnost N na enoto mase – specifična lastnost,
w … hitrost snovi v opazovani točki površine.
SPLOŠNA ENAČBA SPREMEMBE LASTNOSTI Kontinuitetna
enačba
1==MMn ; M…masa kot lastnost snovi
∫∫ ∂∂
+⋅=VA
dVt
Adw ρρ0
Zakon o ohranitvi mase
SPLOŠNA ENAČBA SPREMEMBE LASTNOSTI Gibalna
enačba
wn =
F …normalne in tangencialne površinske sile, normirane na enoto površine, ki delujejo na površino opazovanega kontrolnega volumna – lopatice rotorja turbinskega stroja _B …sila na telo-maso (gravitacijska sila, sile elektro-magnetnega polja), normirana na enoto mase, ki deluje znotraj opazovanega kontrolnega volumna – razlika geodetskih višin vode na HE
Normirana lastnost
( ) ( )∫∫∫∫ ⋅∂∂
+⋅⋅=+⋅→
VAVA
dVwt
AdwwdVBAdF ρρρ
SPLOŠNA ENAČBA SPREMEMBE LASTNOSTI Energijska
enačba
en = ; e…notranja energija
∫∫∫ ∂∂
+⋅=⋅−−VAV
s dVet
AdwhdVwBdt
dWdtdq ρρρ 00
q … toplota, prenešena v opazovani kontrolni volumen, Ws … delo, opravljeno v opazovanem kontrolnem volumnu s strani rotorja in delo strižnih sil, h0 … statična entalpija, e0 … statična energija. ρ
peh += 00
Delo
prenešeno
preko
rotirajoče
gredi
izraženo
z močjo:
ω⋅= gg TP
Stacionarni obratovalni režimi 0=∂∂t
Kontinuitetna
enačba 0=⋅⋅∫A
Adwρ
Gibalna
enačba
–
vrtilni
moment
Energijska
enačba
∫∫ ⋅⋅+⋅++=AV
stg AdwhdVwBPPq ρρ 0&
( )∫∫∫ ⋅⋅=+⋅→
AVA
AdwwdVBAdF ρρ
Skupni moment, povezan z normalnimi in tangencialnimi silami, ki delujejo na kontrolno površino, rezultira
v
vrtilnem momentu Tg na gredi turbinskega stroja.
( ) ( ) ( )∫∫∫ ⋅⋅×=⋅×+×AVA
AdwwrdVBrdAFr ρρ
Tg
Integralski pristop
ne dopušča analizo tokovnih razmer znotrajkontrolnega volumna, podaja pa osnove za oblikovanje osnovnih zakonov mehanike fluidov, ki so gradniki za obravnavanje tokov v turbostrojih. Primeren je za oblikovanje hidrodinamskih
zakonov na kontrolnih volumnih z enostavno
geometrijo, kar lahko vodi v analitične rešitve problemov.
Moment sile,ki se prenaša na rotorjuturbinskega stroja
Prehod na diferencialni popis
splošnih transpornih
enačbUporabimo izrek Ostrogradskega
-
Gaussa
dVVdivdAVVA∫∫
→→→
=
Fluks
polja skozi površino A je enak integralu divergencepo celotnem kontrolnem volumnu V ki jo obdaja površina A
→
V
→
V
→
V
→
∇= VVdiv→→→
∂∂
∂∂
+∂∂
=∇ kz
jy
ix
Prehod na diferencialni popis splošnih transpornih
enačbNa primeru gibalne enačbe pokažemo:
( ) ( )∫∫∫∫ ⋅∂∂
+⋅⋅=+VAVA
dVwt
AdwwdVBdAF ρρρ
( )∫∫∫∫→→→→→
∂∂
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=+
VVVV
dVwt
dVwwdivdVBdVFdiv ρρρ
0)( =∂∂
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−+
→→→→→
∫ dVwt
wwdivBFdivV
ρ
0=∂∂
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−+
→→→→→
wt
wwdivBFdiv ρ
Diferencialni zapis gibalne enačbe
Diferencialni pristop
je pomemben za celovito analizo tokovnih razmer v pretočnem traktu turbinskega stroja. Rezultati so podani v obliki:-hitrostnih polj,-porazdelitev statičnega tlaka,-temperaturnih polj,-sil na mejah s trdnimi površinami,-lokalno generacijo entropije…..Kontinuitetna, tri gibalne in energijska enačba tvorijo sistem nelinearnih parcialnih diferencialnih enačb.Sistem enačb ni “zaprt”, kar pomeni, da se rešitve za določen fizikalni problem dobijo z upoštevanjem robnih in začetnih pogojev. Rešitev tako zasnovanega problema nam podaja točno rešitev.
Kontinuitetna
enačba
Gibalna enačba
Če ni magnetnih in električnih sil, ostaja samo površinska sila in gravitacijsko polje. Površinsko silo sestavlja tlak in strižne sile na stenah infinitizimalnega
volumna. Z vpeljavo tenzorja
dobimo končno obliko gibalne enačbe, to je vektorska Navier- Stokesova enačba gibanja. V primeru nestisljivega toka s
konstantno dinamično viskoznostjo μ=const. Brez upoštevanja gravitacijskega polja in z uvedeno kinematično
vizkoznostjo
υ= μ/ρ
se gibalna enačba zapiše:
Konvektivni
delgibalne količine
Disipacija gibalne količineTlačne
sile
Nadaljnja poenostavitev za idealne –
nevizkozne
tekočine μ=0, ter časovno ustaljen tok prevede enačbo v EulerjevoEnačbo gibanja tekočine.
t∂∂
t∂∂
Enačba v splošnem ni analitično rešljiva. Poseben primer pa predstavlja rešitev Eulerjeve
enačbe, če tok integriramo
vzdolž
tokovnice. Dobimo poznano Bernulijevo
enačbo: