Турбомашиностроение

Турбомашиностроение в машиностроении описывает машины , которые передают энергию между ротором и жидкостью , включая как турбины , так и компрессоры . В то время как турбина передает энергию от жидкости к ротору, компрессор передает энергию от ротора к жидкости. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Это важное применение механики жидкости . ^{[ 3 ]}

Эти два типа машин управляются одними и теми же основными соотношениями, включая второй закон движения Ньютона и уравнение насоса и турбины Эйлера для сжимаемых жидкостей . Центробежные насосы также являются турбомашинами, которые передают энергию от ротора жидкости, обычно жидкости, тогда как турбины и компрессоры обычно работают с газом. ^{[ 1 ]}

История

Первые турбомашины можно идентифицировать как водяные колеса , которые появились между III и I веками до нашей эры в Средиземноморском регионе. Они использовались на протяжении всего средневекового периода и положили начало первой промышленной революции . Когда паровая энергия начала использоваться , в качестве первого источника энергии, приводимого в движение сжиганием топлива, а не возобновляемых природных источников энергии, это были поршневые двигатели . Примитивные турбины и концептуальные конструкции для них, такие как дымовой вал , появлялись с перерывами, но температуры и давления, необходимые для практически эффективной турбины, превосходили технологию изготовления того времени. Первый патент на газовые турбины был подан в 1791 году Джоном Барбером . Практические гидроэлектрические и паровые турбины появились только в 1880-х годах. Газовые турбины появились в 1930-х годах.

Первая турбина импульсного типа была создана Карлом Густавом де Лавалем в 1883 году. За ней последовала первая практическая турбина реактивного типа в 1884 году, построенная Чарльзом Парсонсом . Первой разработкой Парсонса была многоступенчатая установка с осевым потоком, которую Джордж Вестингауз приобрел и начал производство в 1895 году, а General Electric приобрела разработки де Лаваля в 1897 году. до современных атомных паровых турбин мощностью более 1500 МВт. Кроме того, в 2021 году на паровые турбины приходилось около 45% электроэнергии, вырабатываемой в США. ^{[ 4 ]} Затем в конце 1890-х годов первые функционирующие промышленные газовые турбины были использованы для питания уличных фонарей (Meher-Homji, 2000).

Классификация

Паровая турбина MAN SE. MAN Turbo, дочерней компании

В общем, на практике встречаются два типа турбомашин: открытые и закрытые. Открытые машины, такие как пропеллеры , ветряные мельницы и вентиляторы без кожуха, действуют на бесконечное количество жидкости, тогда как закрытые машины работают на конечном количестве жидкости, проходящей через корпус или кожух. ^{[ 2 ]}

Турбомашины также классифицируются по типу потока. Когда поток параллелен оси вращения , их называют машинами с осевым потоком, а когда поток перпендикулярен оси вращения, их называют машинами с радиальным (или центробежным) потоком. Существует также третья категория, называемая машинами со смешанным потоком, в которых присутствуют как радиальные, так и осевые компоненты скорости потока. ^{[ 2 ]}

Турбомашины можно далее разделить на две дополнительные категории: те, которые поглощают энергию для увеличения давления жидкости , то есть насосы , вентиляторы и компрессоры , и те, которые производят энергию, такие как турбины, путем расширения потока до более низких давлений. Особый интерес представляют устройства, содержащие насосы, вентиляторы, компрессоры и турбины. Эти компоненты необходимы практически во всех системах механического оборудования, таких как энергетические и холодильные циклы . ^{[ 2 ]}^{[ 5 ]}

Классификация жидкостных машин по видам и группам
тип машины → группа ↓	техника	сочетание силы и машин	двигатели
открытая турбо машина	пропеллер		ветряные турбины
гидравлическая жидкость техника (≈ несжимаемый жидкости)	центробежные насосы турбонасосы и фанаты	гидромуфты и сцепления (гидродинамический редуктор); турботрансмиссии Voith ; насос-турбины (в гидроаккумулирующих гидроэлектростанциях )	водяные турбины
термический турбомашины (сжимаемая жидкость)	компрессоры	газовые турбины (вход состоит из компрессора)	паровые турбины турбина реактивные двигатели

Турбомашины

Определение

Любое устройство, которое извлекает энергию из или передает энергию непрерывно движущемуся потоку жидкости, можно назвать турбомашиной. Говоря более подробно, турбомашина — это машина, вырабатывающая электроэнергию или тепло, в которой используется динамическое действие вращающегося элемента, ротора; действие ротора изменяет уровень энергии непрерывно текущей жидкости через машину. Турбины, компрессоры и вентиляторы относятся к этому семейству машин. ^{[ 6 ]}

В отличие от машин объемного действия (особенно возвратно-поступательного типа, которые являются низкоскоростными машинами с точки зрения механического и объемного КПД), большинство турбомашин работают на сравнительно более высоких скоростях без каких-либо механических проблем и с объемным КПД, близким к ста процентам. ^{[ 7 ]}

Категоризация

Преобразование энергии

По направлению преобразования энергии турбомашины можно классифицировать: ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Поглощение энергии для увеличения давления или напора жидкости (канальные вентиляторы, компрессоры и насосы).
Производите мощность путем расширения жидкости до более низкого давления или напора (гидравлические, паровые и газовые турбины).

Поток жидкости

Турбомашины можно разделить на категории в зависимости от характера пути потока через ротор: ^{[ 8 ]}

Турбомашины с осевым потоком . Когда путь сквозного потока полностью или в основном параллелен оси вращения, устройство называется турбомашиной с осевым потоком. ^{[ 9 ]} Радиальная составляющая скорости жидкости пренебрежимо мала. Поскольку направление жидкости не меняется, для увеличения выходной мощности можно использовать несколько осевых ступеней.

Турбина Каплана является примером турбины с осевым потоком.

На рисунке:

U = скорость лопасти,
V _f = скорость потока,
V = Абсолютная скорость,
V _r = относительная скорость,
V _w = Тангенциальная или вихревая составляющая скорости.

Турбомашины с радиальным потоком . Когда путь проходящего потока полностью или преимущественно находится в плоскости, перпендикулярной оси вращения, устройство называется турбомашиной с радиальным потоком. ^{[ 9 ]} Следовательно, изменение радиуса между входом и выходом конечно. Радиальная турбомашина может быть с входящим или выходящим потоком в зависимости от цели, которую необходимо выполнить. Тип внешнего потока увеличивает уровень энергии жидкости и наоборот. Из-за постоянного изменения направления несколько радиальных ступеней обычно не используются.

является Центробежный насос примером турбомашины с радиальным потоком.

Турбомашины со смешанным потоком . Когда присутствуют как осевой, так и радиальный поток, и ни один из них не является незначительным, устройство называется турбомашиной со смешанным потоком. ^{[ 9 ]} Он сочетает в себе компоненты потока и силы как радиального, так и осевого типа.

Турбина Фрэнсиса является примером турбины смешанного потока.

Физическое действие

Наконец, турбомашины можно классифицировать по относительной величине изменений давления , происходящих на ступени: ^{[ 2 ]}^{[ 5 ]}

Импульсные турбомашины работают за счет ускорения и изменения направления потока жидкости через неподвижное сопло (лопатку статора) на лопатку ротора. Сопло служит для изменения поступающего давления в скорость, энтальпия жидкости уменьшается с увеличением скорости. Падение давления и энтальпии на лопатках ротора минимально. Скорость будет уменьшаться по ротору. ^{[ 1 ]}^{[ 9 ]}

Второй закон Ньютона описывает передачу энергии. Импульсные турбомашины не требуют создания защитного кожуха вокруг ротора, поскольку струя жидкости создается соплом до того, как достигнет лопаток ротора.

Колесо Пелтона представляет собой импульсную конструкцию.

Реакционные турбомашины работают, реагируя на поток жидкости через аэродинамического лопатки ротора и статора в форме профиля. Скорость жидкости через наборы лопаток немного увеличивается (как и в сопле) при переходе от ротора к статору и наоборот. Затем скорость жидкости снова уменьшается, как только она проходит между зазорами. Давление и энтальпия последовательно уменьшаются через наборы лопастей. ^{[ 1 ]}

Третий закон Ньютона описывает передачу энергии для реактивных турбин. Для удержания рабочей жидкости необходим напорный кожух. Для сжимаемых рабочих жидкостей обычно используются несколько ступеней турбины для эффективного использования расширяющегося газа.

Большинство турбомашин используют в своей конструкции сочетание импульса и реакции, часто с импульсной и реактивной частями на одной лопатке.

Безразмерные соотношения для описания турбомашин.

Следующие безразмерные соотношения часто используются для характеристики гидравлических машин. Они позволяют сравнивать машины потока с разными размерами и граничными условиями.

Диапазон давления ψ
Коэффициент расхода φ (включая объем поставки или названный объем)
Показатели производительности λ
Номер прогона σ
Номер диаметра δ

Приложения

Производство электроэнергии

Гидроэлектростанция . Гидроэлектрическая турбомашина использует потенциальную энергию, накопленную в воде, которая течет через открытое рабочее колесо и вращает генератор, который вырабатывает электричество.

Паровые турбины . Паровые турбины, используемые в производстве электроэнергии, имеют множество различных модификаций. Общий принцип заключается в том, что пар под высоким давлением подается на лопасти, прикрепленные к валу, который вращает генератор. Когда пар проходит через турбину, он проходит через лопасти меньшего размера, заставляя вал вращаться быстрее, создавая больше электроэнергии.

Газовые турбины . Газовые турбины работают так же, как паровые турбины. Воздух нагнетается через ряд лопастей, которые вращают вал. Затем топливо смешивается с воздухом и вызывает реакцию горения, увеличивая мощность. Это заставляет вал вращаться быстрее, создавая больше электричества.

Ветряные мельницы . Популярность ветряных мельниц , также известных как ветряные турбины , растет благодаря их способности эффективно использовать ветер для выработки электроэнергии. Хотя они бывают разных форм и размеров, наиболее распространенным является большой трехлопастный. Лопасти работают по тому же принципу, что и крыло самолета . Когда ветер проходит над лопастями, он создает области низкого и высокого давления, заставляя лопасть двигаться, вращая вал и создавая электричество. Это больше всего похоже на паровую турбину, но работает с бесконечной подачей ветра.

Морской

Паровая турбина . Паровые турбины для морского применения очень похожи на турбины для выработки электроэнергии. Небольшие различия между ними заключаются в размере и выходной мощности. Паровые турбины на кораблях намного меньше, потому что им не нужно снабжать электроэнергией целый город. Они не очень распространены из-за высокой начальной стоимости, высокого удельного расхода топлива и дорогостоящего оборудования.

Газовые турбины . Газовые турбины в морском применении становятся все более популярными из-за их меньшего размера, повышенной эффективности и способности сжигать более чистое топливо. Они работают так же, как газовые турбины для выработки электроэнергии, но при этом намного меньше и требуют больше оборудования для приведения в движение. Они наиболее популярны на военно-морских кораблях, поскольку могут полностью остановиться за считанные минуты (Kayadelen, 2013), а при заданной мощности они намного меньше.

Водометный привод. По сути, водометный привод подобен авиационной турбореактивной машине с той разницей, что рабочей жидкостью является вода, а не воздух. ^{[ 10 ]} Водометы лучше всего подходят для быстроходных судов и поэтому часто используются военными. Водометное движение имеет множество преимуществ перед другими формами морского движения, такими как кормовые приводы , подвесные моторы , гребные винты с валом и надводные приводы . ^{[ 11 ]}

Авто

Турбокомпрессоры . Турбокомпрессоры являются одними из самых популярных турбокомпрессоров. Они используются в основном для увеличения мощности двигателей за счет подачи большего количества воздуха. Он сочетает в себе обе формы турбомашин. Выхлопные газы двигателя вращают лопастное колесо, подобно турбине. Затем это колесо вращает другое колесо с лопастями, всасывая и сжимая наружный воздух в двигатель.

Нагнетатели . Нагнетатели также используются для повышения мощности двигателя, но работают только по принципу сжатия. Они используют механическую энергию двигателя для вращения винта или лопасти, таким образом всасывая и сжимая воздух в двигатель.

Общий

Насосы — . Насосы еще одна очень популярная турбомашина. Хотя существует очень много разных типов насосов, все они делают одно и то же. Насосы используются для перемещения жидкостей с использованием той или иной механической энергии, от электродвигателей до полноразмерных дизельных двигателей. Насосы имеют тысячи применений и являются истинной основой турбомашин (Шкорпик, 2017).

Воздушные компрессоры . Воздушные компрессоры — еще одна очень популярная турбомашина. Они работают по принципу сжатия, всасывая и сжимая воздух в сборный резервуар. Воздушные компрессоры являются одними из самых простых турбомашин.

Вентиляторы . Вентиляторы являются наиболее распространенным типом турбомашин.

Аэрокосмическая промышленность

Газовые турбины . Аэрокосмические газовые турбины, более известные как реактивные двигатели, являются наиболее распространенными газовыми турбинами.

Турбонасосы . Ракетные двигатели требуют очень высокого давления топлива и массового расхода, а это означает, что их насосы требуют большой мощности. Одним из наиболее распространенных решений этой проблемы является использование турбонасоса , извлекающего энергию из потока энергичной жидкости. Источником этого энергетического потока жидкости может быть одно или несколько факторов, включая разложение перекиси водорода, сгорание части топлива или даже нагрев криогенного топлива, проходящего через рубашки охлаждающей жидкости в стенках камеры сгорания.

Неполный список тем турбомашин

Существует множество типов динамических турбомашин с непрерывным потоком. Ниже приведен неполный список этих типов. Что примечательно в этих турбомашинах, так это то, что ко всем применимы одни и те же принципы. Конечно, существуют существенные различия между этими машинами и между типами анализа, которые обычно применяются в конкретных случаях. Это не отменяет того факта, что их объединяет одна и та же основная физика гидродинамики, газодинамики, аэродинамики, гидродинамики и термодинамики.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Логан, Эрл. «Справочник по турбомашиностроению». 1995. Марсель Деккер.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Вандад Талими (автор оригинала неизвестен). «Механическое оборудование и системы». 2013. Мемориальный университет Ньюфаундленда. http://www.engr.mun.ca/~yuri/Courses/MechanicalSystems/Turbomachinery.pdf
^ Ченгель, Юнус А.; Цимбала, Джон М. (2006). Механика жидкости: основы и приложения . Серия McGraw-Hill по машиностроению. Бостон, Массачусетс: Высшее образование Макгроу-Хилла. п. 735. ИСБН 978-0-07-247236-3 .
^ «Как генерируется электричество — Управление энергетической информации США (EIA)» . www.eia.gov . Проверено 6 августа 2023 г.
^ Jump up to: ^а ^б Басхароне Э.А. «Принципы устройства турбомашин в воздушно-реактивных двигателях». 2006. Издательство Кембриджского университета. 580 страниц.
^ Раджадурай, Дж. С. «Термодинамика и теплотехника». 2003. Нью Эйдж Интернэшнл. ISBN 81-224-1493-1
^ «Объединение машин опорных векторов и алгоритмов сегментации для эффективного обнаружения аномалий: применение в нефтяной промышленности» . Международная совместная конференция SOCO'14-CISIS'14-ICEUTE'14. 2014. стр. 269-278. ISBN 978-3-319-07995-0
^ Уиллс, Дж. Джордж. «Основы смазки». 1980. Нефтяная корпорация Мобил. Марсель Деккер. 460 страниц. ISBN 0-8247-6976-7
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Диксон, С.Л. «Механика жидкости и термодинамика турбомашин». 1998. Эльзевир. 460 страниц. ISBN 0-7506-7870-4
^ «Водоструйные приводы двигательных установок» . www.castoldijet.it . Проверено 12 октября 2017 г.
^ «Обзор WaterJet» . ГамильтонДжет . 18 марта 2015 г. Проверено 12 октября 2017 г.

Источники

СМ Яхья. «Турбины-компрессоры и вентиляторы». 1987. Макгроу Хилл.
Мехер-Хомджи, Сайрус Б. (2000). Историческая эволюция турбомашин . Лаборатория турбомашиностроения Симпозиумы «Турбомашины и насосы». стр. 281–322. дои : 10.21423/R1X948 . hdl : 1969.1/163364 .
Нагпурвала, К. (nd). Паровые турбины. Получено 10 апреля 2017 г. по адресу http://164.100.133.129:81/eCONTENT/Uploads/13-Steam%20Turbines%20%5BCompatibility%20Mode%5D.pdf. ^{[ мертвая ссылка ]}^{[ ненадежный источник? ]}
Соареш, CM (nd). ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ ДЛЯ ПРОСТОГО И КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА. 1-72. Получено 10 апреля 2017 г. с https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Research/Coal/energy%20systems/turbines/handbook/1-1.pdf.
Перлман, UH (2 декабря 2016 г.). Гидроэнергетика: как это работает. Получено 10 апреля 2017 г. с https://water.usgs.gov/edu/hyhowworks.html.
Шкорпик, Ю. (1 января 2017 г.). Весло-машина - английская версия. Получено 9 апреля 2017 г. с http://www.transformacni-technologie.cz/en_11.html.
Каяделен, Х. (2013). Морские газовые турбины . 7-й Международный симпозиум по передовым технологиям . Проверено 15 апреля 2017 г.

Внешние ссылки

[Logan1-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Логан, Эрл. «Справочник по турбомашиностроению». 1995. Марсель Деккер.

[Tamili1-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Вандад Талими (автор оригинала неизвестен). «Механическое оборудование и системы». 2013. Мемориальный университет Ньюфаундленда. http://www.engr.mun.ca/~yuri/Courses/MechanicalSystems/Turbomachinery.pdf

[3] Ченгель, Юнус А.; Цимбала, Джон М. (2006). Механика жидкости: основы и приложения . Серия McGraw-Hill по машиностроению. Бостон, Массачусетс: Высшее образование Макгроу-Хилла. п. 735. ИСБН 978-0-07-247236-3 .

[4] «Как генерируется электричество — Управление энергетической информации США (EIA)» . www.eia.gov . Проверено 6 августа 2023 г.

[Bask1-5] Jump up to: ^а ^б Басхароне Э.А. «Принципы устройства турбомашин в воздушно-реактивных двигателях». 2006. Издательство Кембриджского университета. 580 страниц.

[Raja1-6] Раджадурай, Дж. С. «Термодинамика и теплотехника». 2003. Нью Эйдж Интернэшнл. ISBN 81-224-1493-1

[SOCO1-7] «Объединение машин опорных векторов и алгоритмов сегментации для эффективного обнаружения аномалий: применение в нефтяной промышленности» . Международная совместная конференция SOCO'14-CISIS'14-ICEUTE'14. 2014. стр. 269-278. ISBN 978-3-319-07995-0

[Mobil1-8] Уиллс, Дж. Джордж. «Основы смазки». 1980. Нефтяная корпорация Мобил. Марсель Деккер. 460 страниц. ISBN 0-8247-6976-7

[Dixon1-9] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Диксон, С.Л. «Механика жидкости и термодинамика турбомашин». 1998. Эльзевир. 460 страниц. ISBN 0-7506-7870-4

[10] «Водоструйные приводы двигательных установок» . www.castoldijet.it . Проверено 12 октября 2017 г.

[11] «Обзор WaterJet» . ГамильтонДжет . 18 марта 2015 г. Проверено 12 октября 2017 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]