Теория судовых паровых и газовых турбин

Репринтное издание

В книге, являющейся учебником по курсу теории судовых паровых и газовых турбин, достаточно полно отражены современное состояние теории судовых турбин, основные направления ее развития и рассмотрены некоторые новые задачи, выдвинутые практикой.
Книга предназначена для студентов турбиностроительных специальностей кораблестроительных вузов.
Она будет полезна также студентам других специальностей, преподавателям вузов, инженерам и конструкторам судовых турбин и турбинных установок.

Содержание
Предисловие
Условные обозначения
Введение
Рабочий процесс турбины и его особенности
Классификация судовых турбин
Место турбины в современной судовой энергетике
Предмет теории турбин и ее построение
Часть первая. Основы теории турбин
Глава I. Одномерное течение газа
§I.1. Основные уравнения течения рабочего тела
Реальное рабочее тело
Поток рабочего тела в турбине
Уравнение неразрывности
Уравнение закона сохранения энергии
Полные параметры рабочего тела
Обобщенное уравнение Бернулли
Совершенный газ
Уравнения энергии
Полные параметры совершенного газа
Изменение полных параметров в процессе течения
Газодинамические функции
§ I.2. Течение газа в соплах и диффузорах
Изоэнтропийное течение в соплах
Прирост кинетической энергии в соплах
Изменение параметров рабочего тела вдоль оси потока
Расход рабочего тела и поперечная площадь потока
Критические параметры
Изоэнтропийное течение совершенного газа
Действительный процесс течения в соплах
Механизм потери кинетической энергии
Работа трения и итоговая потеря кинетической энергии
Коэффициент расхода
Показатель степени в уравнении действительного процесса
Критические параметры
Потеря полного давления в сопле
Течение в диффузорах
Принцип действия и область применения
К. п. д. диффузора
Эффективность диффузора
Диффузорный эффект внезапного расширения тракта
Спрямляющая решетка
Понятие о законе обращения воздействий
Геометрическое воздействие на поток
О законе обращения воздействий
Элементарная теория косого среза
Сущность процессов в косом срезе
Простейшая трактовка работы косого среза сходящегося сопла (формула Бэра)
Работа косого среза сопла Лаваля
Область применения элементарной теории
Использование косого среза
§ I.3. Простейшая теория ступени
Общие положения
Определения
Классификация
Потери
К. п. д. ступени
Параметры и характеристики элементарной ступени
Элементарная ступень
Виды элементарных ступеней
Треугольники скоростей ступени
Термодинамическая степень реактивности, или реактивность
Скоростные характеристики ступени
Степень понижения давления Числа М
Формулы Эйлера
Осевая решетка. Осевая неподвижная решетка
Радиальная решетка
Другая форма уравнения Эйлера
О формулах Эйлера
Кинематическая степень реактивности
Окружные потери и окружные к. п. д. ступени
Относительная величина потерь в соплах
Относительная величина потерь в рабочих лопатках
Относительная величина выходной потери
Номенклатура окружных к. п. д. ступени
Окружный к. п. д. элементарной ступени
Общие формулы. Активная ступень
Общий случай к. п. д. промежуточной активной ступени
Промежуточная ступень с произвольной реакцией
Конгруэнтная ступень
При произвольных значениях
Ступень с полной реактивностью
Несколько общих замечаний
Глава II. Потери течения в лопаточном аппарате
§ II.1. Общие сведения
О профилях лопаток и решетках
Основные параметры профилей
Классификация
Классификация решеток
Геометрические параметры решеток
Кинематические и газодинамические характеристики потока
Расходные и энергетические характеристики решетки
Классификация потерь
Современные представления о структуре потока и потерях
§ II.2. Профильные и концевые потери
Профильные потери
Механизм обтекания решетки и появления силы давления на лопатки
Потери трения
Потеря отрыва
Кромочные потери
Концевые потери
Механизм течения в концевых областях потока
Распределение потерь по высоте лопатки (канала)
Формулы для вычисления концевых потерь
§ II.3. Зависимость потерь от геометрических и газодинамических параметров
Угол поворота потока
Угол атаки
Углы входа и выхода потока
Влияние чисел Рейнольдса и Маха
Влияние относительного шага t
Начальная турбулентность
Неравномерность поля скоростей Неучтенные потери
§ II.4. О кольцевых решетках
Некоторые особенности кольцевых решеток
Расход газа через решетку
Коэффициент расхода
Особенности определения расхода при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях
Глава III. Теория реальной ступени
§ III.1. Реальная турбинная ступень
Особенности потока в реальной ступени
Пространственный характер потока
Ступень с цилиндрическими лопатками
Идея применения закрученных лопаток
Основные уравнения изоэнтропийного стационарного течения невязкой сжимаемой жидкости
Общие замечания
Основные уравнения в цилиндрических координатах
Осесимметричное установившееся течение
Движение в меридианной плоскости
Уравнение радиального равновесия
§ III.2. Основные методы закрутки лопаток
Общая часть
Энергетическая форма уравнения движения
Закрутка лопаток по закону свободного вихря
Исходные положения. Вывод основных формул с учетом потерь течения
Простейшие формулы для расчета закрутки лопаток
Особенности ступени
Закрутка лопаток по методу а1 = idem
Вывод основных формул
Простейшие формулы для расчета закрутки лопаток
Особенности ступени a1 = idem
Профилирование лопаток по методу cz = idem
Искривление линий тока при закрутках гcu= idem и а1 = idem
Особенности ступени cz = idem
Сопоставление основных методов закрутки лопаток
Пропускная способность ступени
Изменение реактивности вдоль радиуса
Угол закрутки сопловых лопаток
Входной угол рабочих лопаток
Технологичность, к. п. д.
Общие выводы.
Область рационального применения закрученных лопаток
§ III.3. Другие методы организации пространственного потока
Ступень с постоянной вдоль радиуса реактивностью
Основная идея ступени l = idem. Меридианное профилирование
Торцевые границы сопловых каналов. Наклон сопловых лопаток
Саблевидные лопатки
Ступень с закруткой лопаток по закону 1 = idem
Коническое течение
Геометрические и кинематические соотношения
Уравнение радиального равновесия
Параметры газа в межвенцовом зазоре
Потенциальное коническое течение
Дополнительные замечания
§ III.4. Внутренние потери и к. п. д. ступени
Общие положения
Конструктивные особенности ступени
Потери трения и вентиляции
Механизм потери. Расчетные формулы
Потери от неполноты впуска
Краевая потеря. Потери от неполноты впуска
Утечки через лабиринтовые уплотнения
Принцип действия. Расчет утечки через группу лабиринтов
Приведенный расход рабочего тела через группу лабиринтов
Утечки через зазоры проточной части
Утечка через периферийный открытый осевой зазор
Утечка через периферийный радиальный зазор
Утечка через лабиринтовые уплотнения диафрагмы
Утечка (подсос) через корневой зазор
Потери от влажности пара
Общие замечания. Конденсация и движение влаги в ступени
Расход пара. Потери от влажности
Влияние различных конструктивных факторов
Потеря от связующей проволоки. Закрытый осевой зазор. Перекрыши лопаток. Другие потери
Внутренняя мощность и внутренний к. п. д. ступени
Основные соотношения. Зависимость внутреннего к. п. д. от основных параметров
§ III.5. Особенности рабочего процесса ступени с охлаждаемыми лопатками
Общие положения
Значение охлаждения деталей. Организация охлаждения. Влияние охлаждения лопаток на работу ступени
Вопросы аэродинамики охлаждаемых лопаток
Изменения профилей
О выпуске охлаждающего воздуха через выходную кромку сопловых лопаток
О выпуске воздуха из выходных кромок рабочих лопаток
Выпуск воздуха в радиальный зазор
Понятие о заградительном охлаждении лопаток
Эффузионное (транспирационное) охлаждение
Рабочий процесс, потери и к. п. д. ступени
Процесс в соплах
Процесс в рабочих лопатках
Процесс в ступени
Окружные потери в охлаждаемой ступени
К. п. д. ступени
§ III.6. Радиально-осевая центростремительная ступень (РЦС)
Специфика энергетических преобразований
Классификация радиальных ступеней
Потери течения в соплах
Механизм энергетических преобразований в колесе
Оптимальное число рабочих лопаток
Поток в колесе и потери
Выходная потеря и закрутка потока на выходе
Окружный к. п. д. ступени
Уравнение Эйлера и уравнение энергии
Общее выражение окружного к. п. д.
Влияние характеристики ф
Влияние реактивности
Степень радиальности %
Влияние других параметров
Внутренний к. п. д. ступени
Потеря трения диска
Потеря в радиальном зазоре
Потеря в осевых зазорах
Влияние парциальности
Внутренний к. п. д. ступени
Глава IV. Эффективное использование больших энергий. Группа ступеней. Турбина
§ IV. 1. Общие замечания
Область применения одноступенчатой турбины
Окружная скорость рабочих лопаток
Методы преобразования больших энергий с высоким к. п. д.
§ IV.2. Ступени давления
Сущность и особенности ступеней давления
Основная идея
Особенности рабочего процесса группы ступеней давления
Использование выходной энергии
Процесс в диаграмме si
Значение использования (переноса) выходной кинетической энергии
Условия переноса выходной кинетической энергии
Возвращенное тепло
Механизм проявления возвращенного тепла
Коэффициент возвращенного тепла (КВТ)
Сопоставление возврата тепла и использования выходной энергии ступеней
Соотношение к. п. д. ступени и группы
Группа изолированных ступеней (2 = 0)
Группа ступеней с использованием выходной кинетической энергии
§ IV.3. Ступени скорости
Принцип действия и устройства ступеней скорости
Основная идея
Конструктивные варианты ступеней скорости
Замечание о реактивности ступеней скорости
Одновальная ступень давления с двумя ступенями скорости (тип A2)
Окружные потери
Окружный к. п. д. ступени А2
Формирование проточной части
Распределение потерь и мощности
Прочие внутренние (камерные) потери
Сопоставление трех основных типов ступеней (А2, А1, R)
Совокупная диаграмма окружного к. п. д. ступеней
Необходимое число ступеней давления
О максимально достижимом к. п. д. и области применения ступеней
Об одновальной трехвенечной ступени давления с тремя ступенями скорости (тип А3)
§ IV.4. Ступень с диффузором
Устройство и рабочий процесс
Механизм энергетических преобразований
Процесс в диаграмме si
К. п. д. ступени
Основные соотношения
Прирост к. п. д. ступени
Количественные оценки ДТ
Область применения и конструктивные особенности
§ IV. 5. Турбина и турбоагрегат
Турбина
Внутренние потери в группе ступеней
Потери от неработающих ступеней
Механический к. п. д. турбины
Эффективный к. п. д. турбины
Турбоагрегат
Потери в клапанах и ресиверах
Потеря на выпуск пара в конденсатор
Потери в передаче и ее к. п. д.
Рабочий процесс турбоагрегата в диаграмме si
Измерители эффективности турбоагрегата или турбины
Связи между к. п. д. агрегата и к. п. д. турбин, входящих в состав агрегата
Характеристика многоступенчатой турбины ХМТ
Общие соображения
§ IV.6. Дополнения
О рабочем процессе многоступенчатой турбины с охлаждением
Процесс в диаграмме sT
К. п. д. турбины с охлаждением
Об экзергетическом к. п. д. турбины
Экзергия
Экзергетический к. п. д. турбины
Экзергетический к. п. д. ступени
Экзергетический к. п. д. группы ступеней
Часть вторая. Переменные режимы и специальные вопросы теории
Глава V. Основы теории переменных режимов
§ V.1. Сопла, решетки
Сопла
Общие положения
Сходящиеся (сужающиеся) сопла
Сходящерасходящиеся сопла (сопла Лаваля)
Характерное отношение давлений
Решетки сопловых лопаток
Решетка со сходящимися каналами в дозвуковом потоке
Решетки с расширяющимися каналами на переменных режимах
Сопловые решетки для околозвуковых и умеренных сверхзвуковых скоростей
Решетки рабочих лопаток
Общие соображения
Активная решетка дозвуковых и околозвуковых профилей в сверхзвуковом потоке
Активная решетка сверхзвуковых профилей в сверхзвуковом потоке
Некоторые общие положения
О возможности существования режимов течения
Некоторые общие выводы
§ V.2. Ступень
Деформация треугольников скоростей
Основные режимы ступени
Работа ступени при неизменном перепаде энтальпий в ступени
Режимы при haРежимы при ha>ha0 (случаи 2а и 26)
Сводка результатов
Реактивность ступени
Изменение реактивности функции и/с
Учет изменения объемов и площадей
К. п. д. ступени
Формулы для вычисления окружного к. п. д.
Экспериментальные кривые окружного к. п. д.
Внутренний к. п. д. ступени
Расход рабочего тела
Внешние характеристики
Постановка задачи
Общие соотношения
Внешние характеристики ступеней основных типов
Уточнение предыдущих формул
Зависимость КПМ от скоростной характеристики
Опытные данные по реальным ступеням
§ V.3. Группа ступеней
Специфика группы ступеней
Режимы с постоянным расходом (расход равен расходу на номинальном режиме)
Возвращенное тепло
Перераспределение перепадов энтальпий
Использование выходной энергии
Внешние характеристики группы ступеней на режимах торможения – разгона
Режимы с расходом, отличным от расхода на номинальном режиме
Возвращенное тепло и использование выходной энергии
Соотношение расходов
Особые случаи использования формулы Стодола - Флюгеля
К. п. д. группы ступеней
Окружный к. п. д. группы
Внутренний к. п. д. группы
§ V.4. Турбина и турбоагрегат
Турбина
Механический к. п. д. турбины
Потери от неработающих ступеней
Эффективный к. п. д. турбины
Турбоагрегат
Потери в клапанах, трубах и ресиверах
Потери в передаче
Измерители эффективности турбоагрегата
§ V.5. О подобии рабочих процессов турбин и универсальных характеристиках
Постановка вопроса
Основные условия и критерии подобии
Определяющие условия и критерии подобия
Обобщенные параметры турбины
Приведение результатов испытаний к нормальным атмосферным условиям
Понятие об универсальных характеристиках турбин
Глава VI. Судовые турбины на переменных режимах
§ VI.1. Характеристика переменных режимов
Основные определения и термины
Режимы работы судовых турбин
Переменные режимы
Переходные процессы
Общая характеристика переменных режимов
Диапазон хода
Основные соотношения между внешними характеристиками в паровых турбоагрегатах
Основные соотношения для газовых турбин
Понятие о графике нагрузки
Набор и продолжительность эксплуатационных режимов
§ VI.2. Методы парораспределения и рабочий процесс
Дросселирование рабочего тела
Сущность метода
Работа ступеней турбины
Изменение характеристик турбины
Сопловое и смешанное парораспределение
Сопловое регулирование
Смешанное соплово-дроссельное регулирование
Особые условия работы первой ступени
Некоторые количественные соотношения
Дополнительные замечания
Обводное парораспределение
Работа ступеней
Основные количественные соотношения
§ VI.3. Способы повышения к. п. д. главных турбин на средних и малых ходах
Ступени уменьшенных ходов в ТВД
Основная идея
Схемы с внутренним обводом
Схемы с внешним обводом
Некоторые соотношения и закономерности
Сопоставление схем с внешним и внутренним обводами СМХ, расположенными в ТВД
Турбины малых ходов ТМХ
Смысл применения ТМХ
Турбина малого хода, отключаемая по пару
Турбина малого хода, отключаемая механически (и по пару)
ТЗА с отключаемой по валу ТМХ и обводимой ТВД
Схемы турбоагрегатов с параллельно-последовательным током пара Сущность идеи и принципиальные схемы ТЗА
Некоторые характерные количественные соотношения
Анализ рабочего процесса
О геометрических соотношениях
Общая оценка схемы
Другие системы и методы
Понятие о скользящих и ступенчатых параметрах пара
Применение форсажных двигателей
Регулирование мощности выключением части турбоагрегатов
§ VI.4. Совместная работа турбины и потребителей
Внешние характеристики винта
Винтовая характеристика
Семейство характеристик ВФШ
Внешние характеристики турбины
Совместная работа турбины, и винта
Реакция системы турбина - винт на случайные возмущения
Реакция системы на управляющие длительные воздействия
Долговременные внешние воздействия на систему (со стороны винта)
Область (поле) стационарных режимов турбины
Особенности рабочего процесса турбины при работе на ВРШ
Привод электрогенератора
Глава VII. Специальные вопросы теории судовых турбин
§ VII.1. Турбинный реверс. Основы теории ТЗХ
Работа турбины заднего хода при реверсе и торможении судна
Основные средства реверса
Движение судна по инерции
Торможение и остановка судна с использованием турбины заднего хода
Особенности рабочего процесса турбины заднего хода
Основные режимы и периоды работы ТЗХ
Переходный процесс контрпара (контргаза)
Стационарный режим контргаза
Переходный процесс контрвращения
Работа ТЗХ в режиме полного заднего хода
Холостое вращение ТЗХ на передних ходах
Особенности турбин заднего хода
Мощность ТЗХ
О паровых ТЗХ
ТЗХ газотурбинных установок
Реверсивные турбинные ступени
§ VII.2. Турбина с отборами
Рабочий процесс турбины с отборами
Основные соотношения
Сравнение с турбиной без отборов
К. п. д. турбины с отборами
Область применения
Главная турбина с регенеративными отборами
Силовой отбор
ТЗА с пропульсивным отбором
§ VII.3. Газовые турбины двигателей закрытого цикла
Основные особенности рабочего процесса
Принципиальная схема ГТД закрытого цикла
Особенности работы газовой турбины закрытого цикла
Влияние уровня давления
Сравнение турбин закрытого и открытого циклов
Влияниеуровня давления в различных турбинах
Принцип регулирования мощности газовых турбин закрытого цикла
Влияние физических свойств рабочего тела
Характеристики рабочих тел
Степень повышения давления
К. п. д. турбины
Изоэнтропийный перепад энтальпий Ha
Число ступеней в турбинах
Сопоставление при одинаковых напряжениях растяжения в лопатках (p= idem)
Размеры турбины
Соотношение чисел оборотов
Сопоставление при равных числах Маха (M=idem)
§ VII.4. Особенности рабочего процесса некоторых специализированных турбин
Паровые турбины атомных ПТУ
Рабочий процесс
Расход пара на главные турбины с сепаратором
Оптимальное давление сепарации
О достижимой мощности турбин насыщенного пара
Турбина с поворотными соплами
Изменение геометрии
Реактивность ступени
Расход газа
К. п. д. ступени
Судовые вспомогательные турбины
Основные конструктивные параметры
Характеристика рабочего процесса
Ступени А2 и А1
Об одновенечной ступени со ступенями скорости А2с. и ступенями давления А2д
Сопоставление ступеней
Приложение
Литература