Нежность к ревущему зверю
Oct. 27th, 2020 02:53 pm![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
vlkamov.livejournal.com posting in ![[community profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/community.png){kind=small}
engineering_ruЛетят две вороны на дозвуковой скорости:
— Стена!
— Вижу. Шмяк-шмяк.
Летят две вороны на сверхзвуковой скорости:
— Стена! Шмяк.
— Вижу. Шмяк.
Летят две вороны на гиперзвуковой скорости:
Шмяк-шмяк.
— Вижу.
— Стена!
В предыдущем посте
https://engineering-ru.livejournal.com/584777.html
я интересовался к.п.д. ветро- и гидротурбин и получил исчерпывающий ответ:
biglebowsky
На малых скоростях воздух считается несжимаемым, разницы между водой и воздухом в свойствах нет. При одинаковом устройстве ветряка и гидротурбины формулы были бы одинаковые.
Однако, устройство не одинаковое.
Если перекрыть плотиной русло реки, ВСЯ вода протечет через гидротурбину.
Если поставить ветряк с некой площадью ометания S, то поток воздуха через турбину будет отнюдь не "скорость воздуха * S". Часть воздуха протечет ВОКРУГ ветроколеса и не примет участия в выработке электроэнергии.Верно и в другую сторону. Если воздух не может обойти вокруг турбинки (например, направили воздух по шлангу в пневматический гайковерт), то на малых давлениях можно использовать почти всю энергию потока.
И еще . В законе Беца не кпд, а коэффициент использования мощности потока (коэффициент использования энергии ветра).
Догадывался. И это была так сказать прелюдия. Теперь приступим к сути (да, я подлый интриган).
Итак, помещая ветроколесо в трубу или камеру мы поднимаем его коэффициент чуть не до до 100%.
Значит, если без значительных потерь энергии удастся преобразовать поток горячего газа в менее горячий зато с большей скоростью, то его можно направить в большее ветроколесо в трубе и получить на валу ту же мощность что с высокотемпературной газовой турбины.При этом требования к теплостойкости материалов турбины существенно снижаются.
Не ?
Однако наблюдения за турбостроителями показывают, что они
Более того, сопло Лаваль изначально предложил как раз для турбин, и температура Т истекающих из него газов вроде как понижается (красная линия на графике). Есть какие-то фундаментальные причины для любви к горячему ?
Update. Задача не то чтобы решена, но намекнуто весьма информативно:
mopexod:
"Преобразовать сверхзвуковой поток в механическую энгергию эффективно никак не возможно."
- это похоже на искомое препятствие.
Думал о примешивании доп.газа в быструю струю - тоже нет, там смешивание даст явный разогрев.
С другой стороны тангенциальная скорость лопаток м.б. близка к скорости струи, но тут у меня уже воображения не хватает, видимо требуются реальные расчеты.
И отмечу противоречие у себя же:
- система турбина+труба эффективна при скоростях струи много меньше звуковой,
- а из Лаваля выходит сверхзвуковая
![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
no subject
Date: 2020-10-27 10:03 am (UTC)Система категоризации Живого Журнала посчитала, что вашу запись можно отнести к категории: Животные (https://www.livejournal.com/category/zhivotnye?utm_source=frank_comment).
Если вы считаете, что система ошиблась — напишите об этом в ответе на этот комментарий. Ваша обратная связь поможет сделать систему точнее.
Фрэнк,
команда ЖЖ.
no subject
Date: 2020-10-27 10:07 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 10:10 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 12:41 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 12:45 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 10:04 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 10:06 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 10:31 am (UTC)Причем современные ЖРД по КПД близки к идеальному для своих тепловых характеристик
Откуда собственно и возня с ядерными и электрореактивными двигателями - на "химии" больше принципиально не выжать
no subject
Date: 2020-10-27 10:38 am (UTC)0.7*0.9 = 0.63
Тогда как обычная газовая турбина около 30%, а вожделенный парогазовый цикл - 55%.
"Что-то здесь не так ..."
no subject
Date: 2020-10-27 12:31 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 10:23 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 10:30 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 11:00 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 09:57 pm (UTC)https://ru.wikipedia.org/wiki/Реактивная_турбина
"Реактивная турбина — турбина, ротор которой использует силу реакции потока, возникающую при расширении рабочего тела (напор жидкости, теплоперепад газа или пара) в каналах, образованных лопатками ротора и в которой большая часть потенциальной энергии рабочего тела преобразуется в механическую работу в лопаточных каналах рабочего колеса, как правило, имеющих конфигурацию реактивного сопла.[1] <...>
Принято называть реактивными лишь те турбины, в которых по реактивному принципу в механическую работу переходит не менее 50 % всей преобразованной потенциальной энергии рабочего тела."
no subject
Date: 2020-10-28 04:17 am (UTC)В реактивной турбине энергия делится между вылетающей струей и турбиной. Раз не отказываются и от других конфигураций, значит ее к.п.д. не сильно отличается.
no subject
Date: 2020-10-28 08:06 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-28 08:30 am (UTC)В случае неконкретного ответа ветка будет прекращена.
no subject
Date: 2020-10-28 09:56 am (UTC)"Более того, сопло Лаваль изначально предложил как раз для турбин, и температура Т истекающих из него газов вроде как понижается (красная линия на графике). Есть какие-то фундаментальные причины для любви к горячему ?"
Как выяснилось, сопла есть, просто они в самой турбине, что логично.
Любовь к высокой температуре вызвана более фундаментальными законами физики: КПД теплового двигателя пропорциональна разнице температур между входом и выходом. Температура на выходе ограничена температурой среды, ее опустить невозможно, а на входе как раз определяется используемыми материалами. Поэтому все логично. Проектировщики турбин ищут теплостойкие материалы для поднятия КПД.
no subject
Date: 2021-11-20 10:17 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 10:32 am (UTC)Температура - мера хаотического движения частиц (газа, например).
Ежели у нас имеется поток газа (или высокоэнергетических частиц - или ещё чего -
то температура газа в этом самом потоке - это насколько активно движутся частицы друг относительно друга.
Однако, у нас есть ещё и скорость собственного движения газа - скорость истечения газовой струи.
Предположим, мы сумели понизить скорость газа "внутри потока" до абсолютного нуля - т.е. частицы в потоке абсолютно не движутся друг относительно друга,
а собственная скорость потока - является трансзвуковой.
Что будет при набегании потока на препятствие?
Правильно, какая-то часть энергии движения частиц - перейдёт в тепло.
Причём, поскольку движение частиц "ровное", "скоординированное", а не хаотическое - то в тепло может перейти значительно большее количество энергии,
нежели чем несут в себе частицы - т.е. температура нагрева может превзойти температуру, для которой средняя скорость движения частиц соответствует скорости потока.
Ибо энтропия набегающего потока мала - и он вполне эффективно будет нагревать препятствие.
Как-то так.
no subject
Date: 2020-10-27 10:51 am (UTC)Сжатие конечно к.п.д. портит.
Собственно я про больший диаметр потому и написал, что там объем больший и вроде температура у лопатки не должна сильно повышаться.
no subject
Date: 2020-10-27 10:56 am (UTC)можно почитать про https://en.wikipedia.org/wiki/CFM_International_LEAP например (но блюпринты, конечно, не википедию)
no subject
Date: 2020-10-27 11:31 am (UTC)Угумс.
Кстати, в среднем - для энергетических турбин выгоднее повышать давление, а не скорость, так как скорость всегда сопровождается потерями, а при большом давлении - мы получаем "почти жидкость".
Но, конечно - ещё и сама турбина должна быть заточена соотв. образом. Ну т.е. различные конструкции турбин - ориентированы на разные параметры рабочего тела.
А так - при набегами на препятствие - газ нагреется до собственной эффективной температуры, как минимум (т.е. температуры, при которой средняя кинетическая энергия молекул будет равна кинетической энергии молекул в потоке газа).
no subject
Date: 2020-10-27 11:59 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 12:23 pm (UTC)А энергия потока, набегающего на лопатку турбины - практически бесконечна.
А поскольку она - низкоэнтропийная, то и Второму Началу - подчиняется слабо. Ну и.е. температура нагрева передней кромки лопатки может получиться выше эффективной температуры потока.
no subject
Date: 2020-10-27 11:06 am (UTC)Преобразовать сверхзвуковой поток в механическую энгергию эффективно никак не возможно.
no subject
Date: 2020-10-27 11:23 am (UTC)Всё зависит от конкретной "эффективности". Военных, например, это преобразование устраивает, а в турбинах да.
no subject
Date: 2020-10-27 12:27 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 02:18 pm (UTC)- это похоже на искомое препятствие.
Думал о примешивании доп.газа в быструю струю - тоже нет, там смешивание даст явный разогрев.
С другой стороны тангенциальная скорость лопаток м.б. близка к скорости струи, но тут у меня уже воображения не хватает, видимо требуются реальные расчеты.
no subject
Date: 2020-11-13 02:55 pm (UTC)возможно.
Дозвуковой поток в сверхзвуковой преобразует сопло Лаваля.
В реактивных двигателях самолетов этот сверхзвуковой поток отбрасывает массу с такой скоростью, что значительную часть этой скорости (тоже достигает сверхзвука) можно придать телу, откуда этот сверхзвуковой поток выбрасывается. Т.е. сверхзвуковой поток в механическую энергию (в данном случае кинетическую, движения) преобразовать можно.
Далее разбираемся с эффективностью данного преобразования: в реактивном двигателе самолета масса отбрасывается в окружающую среду. Очевидно, что оставшаяся энергия сверхзвукового потока там рассеивается бесполезно. Энергия очень большая: есть конус рассеяния сверхзвуковой волны, и если в зоне его действия окажутся предметы, они испытают механическое воздействие (удар звуковой волны).
Но есть устройства - паровые турбины теплостанций, где этот сверхзвуковой поток не выбрасывается в атмосферу, а поступает в следующую ступень, снова отдавая часть своей мощности. В итоге степень преобразования сверхзвуковой скорости в механическую в паровых турбинах весьма высока, за счет нескольких ступеней. А далее, когда параметры газа уже не позволяют разогнать поток до сверхзвука, идут обычные активные ступени. В принципе, в турбине и в первых ступенях не принципиально разгонять до сверхзвука, но это даёт компактность первых ступеней и уменьшение количества ступеней (а значит, длина, а значит, металлоемкости) турбины.
Причем, КПД именно паровой турбины весьма высок: около 98-99%. Т.е. энергия пара ПЕРЕД турбиной на 99% преобразуется в механическую энергию, если замерять энергию ПАРА после турбины. А КПД паротурбинных электростанций на уровне 42% обусловлен тем, что пар после турбины надо превращать в воду, и вот на этом шаге теряется до 55% тепла пара.
no subject
Date: 2020-11-13 03:57 pm (UTC)no subject
Date: 2020-11-13 04:29 pm (UTC)в паровой турбине чередуются подвижные (на валу) и не подвижные (на корпусе) лопатки.
Неподвижная+подвижная лопатка - это одна ступень.
Если неподвижная лопатка сужает входящий поток, то на выходе из неё поток проходит критическое сечение, и в подвижной лопатке уже сверхзвуковой поток, который эту подвижную лопатку разгоняет своим выхлопом.
Если интересно не мои "предвзятые" знания, то следует погуглить тему "активная и реактивная ступени паровой турбины".
А скачок уплотнения в паровой турбине не страшен: активная ступень после этого скачка уже рассчитана на эту температуру и скорость (в этом и искусство расчета сечения лопаточного аппарата турбины)
no subject
Date: 2020-11-14 07:27 am (UTC)Но всё, что я вижу в статьях про сверхзвуковое течение в активных и реактивных турбинах, это про волновые потери.
no subject
Date: 2020-11-15 02:54 pm (UTC)Внятно. Спасибо.
no subject
Date: 2020-10-27 11:20 am (UTC)Габариты турбины определяются массовым расходом (функция мощности), пределом прочности лопаток и частотой вращения ротора. Для больших стационарных предпочтительнее 3000 или 3600 об минуту, в ТВД выше. На земле сегодня для турбин способность быстро реагировать на спрос (частоту тока) - важная характеристика.
no subject
Date: 2020-10-27 09:20 pm (UTC)no subject
Date: 2020-10-28 03:57 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-28 06:52 am (UTC)no subject
Date: 2020-11-13 03:08 pm (UTC)не должна.
если есть разница скоростей, то ставится понижающий редуктор.
у КТЗ (калужский турбинный завод) есть паротурбинные установки с частотой вращения турбины до 8000 об/мин.
Другое дело, что редуктор - это удорожание, усложнение и уменьшение КПД, поэтому, если есть возможность, следует от него отказаться.
Но применительно к газовым турбинам без него никуда: там ГТУ вращается с оборотами выше 5 тыс/мин.
А передаточное число редуктора подобрать несложно.
no subject
Date: 2020-11-15 01:06 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 11:37 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 11:51 am (UTC)Преимущества.
Поток станет в некотором смысле более "упорядоченным" - среднеквадратичная осевая скорость молекул возрастет, среднеквадратичная радиальная скорость молекул уменьшится.
Такой газ будет, действительно, удобнее подавать на лопатки (мы вполне имеем право спроектировать сверхзвуковую турбину).
Недостатки.
1) Ведущая кромка лопаток будет очень сильно греться. В принципе, не особо страшно - охладится теплопередачей от остальной части лопатки (большая часть лопатки будет работать при низкой температуре).
2) Резко расширится сечение струи - потребуется большая площадь лопаток.
То есть, надо сравнивать такие варианты для первой ступени турбины:
- Сопла Лаваля, разреженный газ, охлаждения лопаток не требуется, огромная площадь лопаток.
- Никакого сопла Лаваля, сильно сжатый горячий газ, охлаждаемые лопатки малой площади;
- Никакого сопла Лаваля, подмешивание сравнительно холодного воздуха просто от компрессора (без сгорания топлива в этом воздухе), лопатки без охлаждения малой площади.
no subject
Date: 2020-10-27 02:21 pm (UTC)"Преобразовать сверхзвуковой поток в механическую энгергию эффективно никак не возможно."
- это похоже на искомое препятствие.
Думал о примешивании доп.газа в быструю струю - тоже нет, там смешивание даст явный разогрев.
С другой стороны тангенциальная скорость лопаток м.б. близка к скорости струи, но тут у меня уже воображения не хватает, видимо требуются реальные расчеты.
no subject
Date: 2020-10-27 05:55 pm (UTC)Уравнение Эйлера вам в помощь, закон Бойля-Мариотта, сохранения энергии, импульса и массы. Если коротко: в водяной турбине потенциальная энергия преобразуется в кинетическую; в газовой или паровой турбине тепловая энергия (нагрев) преобразуется в потенциальную (повышение давления), которая опять таки преобразуется в кинетическую. В том и другом случае часть кинетической энергии передаётся крутящейся турбине, то есть используется. Сверхзвуковое сжатие используют в компрессорах, но не от хорошей жизни, а оттого что входящий поток сверхзвуковой ;-) большие тепловые потери в скачке уплотнения.
no subject
Date: 2020-10-28 03:48 am (UTC)no subject
Date: 2020-10-27 09:10 pm (UTC)"..летят две вороны.."
полагая, что направление полёта ворон перпендикулярно плоскости стены,
найдите положение наблюдателя чтобы звуки достигали его в порядке,
описанном в тексте.
no subject
Date: 2020-10-28 03:56 am (UTC)":-)