Турбокомпрессор

Турбокомпре'ссор,1) основной агрегат турбокомпрессорного двигателя, состоящий из механически связанных компрессора и авиационной газовой турбины.Иногда Т. применяют для наддува поршневых двигателей внутреннего сгорания; в этом случае выхлопные газы двигателя расширяются в турбине, которая вращает компрессор, повышающий давление подаваемого в цилиндры воздуха. 2) Лопаточный компрессор (центробежный или осевой) для сжатия и подачи газов; обеспечивает больший, чем у поршневого компрессора, кпд и исключает пульсации давления подаваемого газа.

Турбокомпрессорный двигатель

Турбокомпре'ссорный дви'гатель, газотурбинный двигатель.Применяемые в авиации Т. д. разделяются на турбовинтовые двигатели,в которых основная тяга создаётся воздушным винтом, и турбореактивные двигатели,в которых тяга создаётся струей газов, вытекающих из реактивного сопла.

Турбомолекулярный насос

Турбомолекуля'рный насо'с, вакуумный насос,действие которого основано на сообщении молекулам откачиваемого газа дополнительной скорости в направлении их движения вращающимся ротором. Ротор состоит из системы дисков. Вакуум, получаемый Т. н., до 10 ^{– 8} н/м ²(10 ^-10 мм рт. ст.) .

Турбонасосный агрегат

Турбонасо'сный агрега'т,агрегат системы подачи жидких компонентов ракетного топлива или рабочего тела в жидкостном ракетном двигателе либо жидкого горючего в некоторых авиационных двигателях (например, в прямоточном воздушно-реактивном двигателе ) .Т. а. состоит из одного или нескольких насосов и приводящей их авиационной газовой турбины.Рабочее тело турбины Т. а. обычно образуется в газогенераторах или парогазогенераторах. Жидкостные ракетные двигатели с Т. а. применяются в ракетах-носителях космических аппаратов и межконтинентальных ракетах.

Турбопоезд

Турбопо'езд,поезд из одного или нескольких вагонов, часть из которых моторные, оборудованные газотурбинными двигателями.Т. экономичны, характеризуются высокими скоростями (до 200-250 км/ч) ,осуществляют перевозки пассажиров и грузов. В СССР, США, Канаде, Великобритании, Франции и др. странах Т. с 1968 находятся в опытной эксплуатации и начинают использоваться в регулярном движении. В определённых условиях эксплуатации Т. могут конкурировать с электрической и тепловозной тягой. См. также ст. Моторвагонный подвижной состав.

Турборакетный двигатель

Турбораке'тный дви'гатель(ТуРкД), комбинированный двигатель, в котором рабочее тело для привода турбины турбореактивного двигателя с форсажной камерой вырабатывается жидкостным ракетным двигателем.Перспективно применение ТуРкД на воздушно-космических самолётах и первых ступенях ракет-носителей.

Турбореактивный двигатель

Турбореакти'вный дви'гатель(ТРД), авиационный газотурбинный двигатель,в котором тяга создаётся струей газов, вытекающих из реактивного сопла. ТРД применяются на сверхзвуковых самолётах как маршевые двигатели либо как подъёмные двигатели на самолётах вертикального взлёта и посадки. Атмосферный воздух, поступающий в ТРД при полёте, сжимается в воздухозаборнике и далее в турбокомпрессоре.Сжатый воздух подаётся в камеру сгорания, в которую впрыскивается жидкое химическое топливо (обычно авиационный керосин). Образовавшиеся при сгорании газы частично расширяются в турбине, вращающей компрессор; окончательное расширение газов происходит в реактивном сопле. Тяга ТРД может быть значительно увеличена (примерно на 30-40%) путём дополнительного сжигания топлива в форсажной камере,расположенной между турбиной и реактивным соплом. Для увеличения диапазона устойчивой работы компрессора ТРД и ТРД с форсажной камерой могут выполняться по двухвальной (двухкаскадной) схеме, при которой турбокомпрессор составляется из двух механически не связанных последовательных каскадов. Перспективно использование ТРД на первых ступенях воздушно-космических самолётов.См. также Авиационный двигатель.

  В. И. Бакулев.

Принципиальная схема двухвального турбореактивного двигателя с форсажной камерой для сверхзвуковых самолетов: 1 - воздухозаборник; 2 - осевой компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - турбина; 5 - форсажная камера; 6 - реактивное сопло.

Турбостроение

Турбострое'ние,см. в ст. Энергетическое машиностроение.

Турбоход

Турбохо'д,судно, приводимое в движение паровой или газовой турбиной. Первый паротурбоход - английский «Турбиния» с тремя паровыми турбинами общей мощностью 1,47 Мвт(2000 л.с.), водоизмещением 44 т,развивавшая скорость около 34 уз(62 км/ч) -построен в 1894. Практическое применение паровые турбины нашли почти одновременно на военных кораблях (с 1899) и пассажирских судах (с 1901). Паротурбинные установки - самые мощные из судовых главных двигателей (1976) - устанавливаются на крупнейших морских танкерах, навалочниках, лихтеровозах, быстроходных контейнеровозах, пассажирских судах, военных кораблях. К 1976 почти треть (по валовой вместимости) находящихся в эксплуатации морских транспортных судов была оборудована паровыми турбинами с наибольшей единичной мощностью свыше 40 Мвт;проектируются грузовые суда с паротурбинными установками мощностью 88-110 Мвт.

 Энергетическая установка паротурбохода состоит из главной паровой турбины с зубчатой передачей на гребной винт, 1-2 паровых котлов; некоторые паротурбоходы имеют 2 винта и более. В качестве топлива обычно используется мазут.

 Газотурбоходы появились в военно-морском флоте в 1943-48, использование газовых турбин на транспортных морских судах началось с 1951 (английский танкер «Аурис»). Газовые турбины применяют обычно на судах с повышенной мощностью главных двигателей. В советском транспортном флоте с 1968 эксплуатируются сухогрузное универсальное судно - Т. «Парижская Коммуна» с газовой турбиной мощностью 9,5 Мвт,с 1960 - лесовозы типа «Павлин Виноградов» с турбиной мощностью 2,94 Мвт.В 1977 будет построено судно с горизонтальным способом грузовых операций «Атлантика» с 2 турбинами мощностью по 18,4 Мвт.Лёгкие авиационные и судовые газовые турбины получили распространение на судах на подводных крыльях и судах на воздушной подушке.Энергетическая установка газотурбохода состоит из генератора газа ( камера сгорания или свободнопоршневой генератор газа ) и газовой турбины с зубчатой передачей на гребной вал. Работают турбины на газотурбинном топливе.

  Лит.см. при ст. Судно.

  Э. Г. Логвинович.

Турбулентное течение

Турбуле'нтное тече'ние(от лат. turbulentus - бурный, беспорядочный), форма течения жидкости или газа, при которой их элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущихся жидкости или газа (см. Турбулентность ) .Наиболее детально изучены Т. т. в трубах, каналах, пограничных слоях около обтекаемых жидкостью или газом твёрдых тел, а также так называемых свободные Т. т. - струи,следы за движущимися относительно жидкости или газа твёрдыми телами и зоны перемешивания между потоками разной скорости, не разделёнными какими-либо твёрдыми стенками. Т. т. отличаются от соответствующих ламинарных течений как своей сложной внутренней структурой ( рис. 1 ), так и распределением осреднённой скорости по сечению потока и интегральными характеристиками - зависимостью средней по сечению или максимальной скорости, расхода, а также коэффициента сопротивления от Рейнольдса числаRe.Профиль осреднённой скорости Т. т. в трубах или каналах отличается от параболического профиля соответствующего ламинарного течения более быстрым возрастанием скорости у стенок и меньшей кривизной в центральной части течения ( рис. 2 ). За исключением тонкого слоя около стенки профиль скорости описывается логарифмическим законом (то есть скорость линейно зависит от логарифма расстояния до стенки). Коэффициент сопротивления l= 8 t _w/rv ² _cp(где t _w- напряжение трения на стенке, r - плотность жидкости, v _cp-её скорость, средняя по сечению потока) связан с Reсоотношением

l ^–1/2=(1/ xЦ8 ) In (l ^1/2 Re) + B,

 где xи В- числовые постоянные.

  В отличие от ламинарных пограничных слоев,турбулентный пограничный слой обычно имеет отчётливую границу, беспорядочно колеблющуюся со временем (в пределах 0,4 d - 1,2 d, где d - расстояние от стенки, на котором осреднённая скорость равна 0,99 v, a v - скорость вне пограничного слоя). Профиль осреднённой скорости в пристенной части турбулентного пограничного слоя описывается логарифмическим законом, а во внешней части скорость растет с удалением от стенки быстрее, чем по логарифмическому закону. Зависимость l от Reздесь имеет вид, аналогичный указанному выше.

  Струи, следы и зоны перемешивания обладают приблизительно автомодельностью: в каждом сечении х =const любого из этих Т. т. на не слишком малых расстояниях хот начального сечения можно ввести такие масштабы длины и скорости L( x) и v( x) ,что безразмерные статистические характеристики гидродинамических полей (в частности, профили осреднённой скорости), полученные при применении этих масштабов, будут одинаковыми во всех сечениях.

  В случае свободных Т. т. область пространства, занятая завихренным Т. т., в каждый момент времени имеет чёткую, но очень неправильную форму границ, вне которых течение потенциально. Зона перемежающейся турбулентности оказывается здесь значительно более широкой, чем в пограничных слоях.

  Лит.см. при ст. Турбулентность.

  А. С. Монин.

Рис. 1. Турбулентное течение.

Рис. 2. Профиль осреднённой скорости: а - при ламинарном, б - при турбулентном течении.

Турбулентность

Турбуле'нтность,явление, наблюдаемое во многих течениях жидкостей и газов и заключающееся в том, что в этих течениях образуются многочисленные вихри различных размеров, вследствие чего их гидродинамические и термодинамические характеристики (скорость, температура, давление, плотность) испытывают хаотические флуктуации и потому изменяются от точки к точке и во времени нерегулярно. Этим турбулентные течения отличаются от так называемых ламинарных течений.Большинство течений жидкостей и газов в природе (движение воздуха в земной атмосфере, воды в реках и морях, газа в атмосферах Солнца и звёзд и в межзвёздных туманностях и т.п.) и в технических устройствах (в трубах, каналах, струях, в пограничных слоях около движущихся в жидкости или газе твёрдых тел, в следах за такими телами и т.п.) оказываются турбулентными.

  Благодаря большой интенсивности турбулентного перемешивания турбулентные течения обладают повышенной способностью к передаче количества движения (и потому к повышенному силовому воздействию на обтекаемые твёрдые тела), передаче тепла, ускоренному распространению химических реакций (в частности, горения), способностью нести и передавать взвешенные частицы, рассеивать звуковые и электромагнитные волны и создавать флуктуации их амплитуд и фаз, а в случае электропроводной жидкости - генерировать флуктуирующее магнитное поле и т.д.

  Т. возникает вследствие гидродинамической неустойчивости ламинарного течения, которое теряет устойчивость и превращается в турбулентное, когда так называемое Рейнольдса числоRe = lu /nпревзойдёт некоторое критическое значение Re _kp( lи u - характерные длина и скорость в рассматриваемом течении, n - кинематический коэффициент вязкости). По экспериментальным данным, в прямых круглых трубах при наибольшей возможной степени возмущённости течения у входа в трубу Re _kp» 2300 (здесь l- диаметр трубы, u -средняя по сечению скорость). Уменьшая степень начальной возмущённости течения, можно добиться затягивания ламинарного режима до значительно больших Re _kp,например в трубах до Re _kp» 50 000. Аналогичные результаты получены для возникновения Т. в пограничном слое.

 Возникновение Т. при обтекании твёрдых тел может проявляться не только в виде турбулизации пограничного слоя, но и в виде образования турбулентного следа за телом в результате отрыва пограничного слоя от его поверхности. Турбулизация пограничного слоя до точки отрыва приводит к резкому уменьшению полного коэффициента сопротивления тела. Т. может возникнуть и вдали от твёрдых стенок, как при потере устойчивости поверхности разрыва скорости (например, образующейся при отрыве пограничного слоя или являющейся границей затопленной струи или поверхностью разрыва плотности), так и при потере устойчивости распределения плотностей слоев жидкости в поле тяжести, то есть при возникновении конвекции.Дж. У. Рэлей установил, что критерий возникновения конвекции в слое жидкости толщиной hмежду двумя плоскостями с разностью температур d Tимеет вид Ra = gbh ³ d T/nc ,где g -ускорение силы тяжести, b - коэффициент теплового расширения жидкости, c -коэффициент её температуропроводности. Критическое число Рэлея Ra _kpимеет значение около 1100-1700.

  Вследствие чрезвычайной нерегулярности гидродинамических полей турбулентных течений применяется статистическое описание Т.: гидродинамические поля трактуются как случайные функции от точек пространства и времени, и изучаются распределения вероятностей для значений этих функций на конечных наборах таких точек. Наибольший практический интерес представляют простейшие характеристики этих распределений: средние значения и вторые моменты гидродинамических полей, в том числе дисперсии компонент скорости  (где  пульсации скорости, а чёрточка наверху - символ осреднения); компоненты турбулентного потока количества движения  (так называемое напряжения Рейнольдса) и турбулентного потока тепла  (r -плотность, с -удельная теплоёмкость, Т -температура). Статистические моменты гидродинамических полей турбулентного потока должны удовлетворять некоторым уравнениям (вытекающим из уравнений гидродинамики), простейшие из которых - так называемые уравнения Рейнольдса, получаются непосредственным осреднением уравнений гидродинамики. Однако точного решения их до сих пор не найдено, поэтому используются различные приближённые методы.

  Основной вклад в передачу через турбулентную среду количества движения и тепла вносят крупномасштабные компоненты Т. (масштабы которых сравнимы с масштабами течения в целом); поэтому их описание - основа расчётов сопротивления и теплообмена при обтекании твёрдых тел жидкостью или газом. Для этой цели построен ряд так называемых полуэмпирических теорий Т., в которых используется аналогия между турбулентным и молекулярным переносом, вводятся понятия пути перемешивания, интенсивности Т., коэффициента турбулентной вязкости и теплопроводности и принимаются гипотезы о наличии линейных соотношений между напряжениями Рейнольдса и средними скоростями деформации, турбулентным потоком тепла и средним градиентом температуры. Такова, например, применяемая для плоскопараллельного осреднённого движения формула Буссинеска t = Adu /dyс коэффициентом турбулентного перемешивания (турбулентной вязкости) А,который, в отличие от коэффициента молекулярной вязкости, уже не является физической постоянной жидкости, а зависит от характера осреднённого движения. На основании полуэмпирической теории Прандтля можно принять ,где путь перемешивания l- турбулентный аналог длины свободного пробега молекул.

  Большую роль в полуэмпирических теориях играют гипотезы подобия (см. Подобия теория ) .В частности, они служат основой полуэмпирической теории Кармана, по которой путь перемешивания в плоскопараллельном потоке имеет вид l= - cu’/u’’, где u =u( у) -скорость течения, а c - постоянная. А. Н. Колмогоров предложил использовать в полуэмпирических теориях гипотезу подобия, по которой характеристики Т. выражаются через её интенсивность bи масштаб l(например, скорость диссипации энергии e ~ b ³/ l) .Одним из важнейших достижений полуэмпирической теории Т. является установление универсального (по числу Рейнольдса, при больших Re) логарифмического закона для профиля скорости в трубах, каналах и пограничном слое: ,

 справедливого на не слишком малых расстояниях yот стенки; здесь  (t _w, - напряжение трения на стенке), Аи В- постоянные, а ,в случае гладкой стенки и пропорционально геометрической высоте бугорков шероховатости в случае шероховатой.

  Мелкомасштабные компоненты Т. (масштабы которых малы по сравнению с масштабами течения в целом) вносят существенный вклад в ускорения жидких частиц и в определяемую ими способность турбулентного потока нести взвешенные частицы, в относительное рассеяние частиц и дробление капель в потоке, в перемешивание турбулентных жидкостей, в генерацию магнитного поля в электропроводной жидкости, в спектр неоднородностей электронной плотности в ионосфере, в флуктуации параметров электромагнитных волн, в болтанку летательных аппаратов и т.д.

  Описание мелкомасштабных компонент Т. базируется на гипотезах Колмогорова, основанных на представлении о каскадном процессе передачи энергии от крупномасштабных ко всё более и более мелкомасштабным компонентам Т. Вследствие хаотичности и многокаскадности этого процесса при очень больших Reрежим мелкомасштабных компонент оказывается пространственно-однородным, изотропным и квазистационарным и определяется наличием среднего притока энергии  от крупномасштабных компонент и равной ему средней диссипации энергии в области минимальных масштабов. По первой гипотезе Колмогорова, статистические характеристики мелкомасштабных компонент определяются только двумя параметрами:  и n; в частности, минимальный масштаб турбулентных неоднородностей  (в атмосфере l ~ 10 ^-1 см) .По второй гипотезе, при очень больших Reв мелкомасштабной области существует такой (так называемый инерционный) интервал масштабов, больших по сравнению с l ,в котором параметр n оказывается несущественным, так что в этом интервале характеристики Т. определяются только одним параметром .

  Теория подобия мелкомасштабных компонент Т. была использована для описания локальной структуры полей температуры, давления, ускорения, пассивных примесей. Выводы теории нашли подтверждение при измерениях характеристик различных турбулентных течений. В 1962 А. Н. Колмогоров и А. М. Обухов предложили уточнение теории путём учёта флуктуаций поля диссипации энергии, статистические свойства которых не универсальны: они могут быть разными в различных типах течений (и, в частности, могут зависеть от Re) .

  Лит.:Монин А. С., Яглом А. М., Статистическая гидромеханика, ч. 1, М., 1965, ч. 2, М., 1967; Хинце И. О., Турбулентность, пер. с англ., М., 1963; Таунсенд А. А., Структура турбулентного потока с поперечным сдвигом, пер. с англ., М., 1959; Бэтчелор Дж. К., Теория однородной турбулентности, пер. с англ., М., 1955; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1954 (Теоретическая физика); Линь Цзя-цзяо, Теория гидродинамической устойчивости, пер. с англ., М., 1958; Лойцянский Л. Г., Механика жидкости и газа, 3 изд., М., 1970; Шлихтинг Г., Возникновение турбулентности, пер. с нем., М., 1962; Гидродинамическая неустойчивость. Сб. статей, пер. с англ., М., 1964; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967.

  А. С. Монин.

Турбулентность в атмосфере и гидросфере

Турбуле'нтность в атмосфе'ре и гидросфе'ре.Движение воздуха в атмосфере и воды в гидросфере в большинстве случаев имеет турбулентный характер (см. Турбулентность ) .Т. в а. и г. играет большую роль, так как именно благодаря турбулентности происходят обмен количеством движения и теплотой между атмосферой и океаном (включая, в частности, зарождение ветровых течений и волн в океане), испарение с поверхности океана и суши, вертикальный перенос тепла, влаги, солей, растворённых газов и различных загрязнений, диссипация кинетической энергии, рассеяние и флуктуации амплитуды и фазы звуковых, световых и радиоволн (включая мерцание звёзд, флуктуации радиосигналов космических аппаратов, сверхдальнее телевидение и т.п.).

  Специфическими особенностями Т. в а. и г. являются очень широкий спектр масштабов турбулентных неоднородностей (от ммдо тыс. км) и существенное влияние вертикального распределения плотности среды на развитие мелкомасштабной турбулентности.

  Спектр масштабов турбулентности в атмосфере распадается на синоптическую область (макротурбулентность) с масштабами намного больше эффективной толщины атмосферы Н~ 10 кми квазидвумерными (квазигоризонтальными) турбулентными неоднородностями и микрометеорологическую область с масштабами намного меньше Ни существенно трёхмерными неоднородностями. В промежуточной мезометеорологической области сколько-нибудь интенсивная турбулентность редка. Макротурбулентность черпает энергию из крупномасштабных неоднородностей притока тепла к атмосфере от подстилающей поверхности, а затрачивает энергию главным образом на генерацию микротурбулентности при гидродинамической неустойчивости вертикальных градиентов скорости ветра.

  Неустойчивая стратификация служит для микротурбулентности источником, а устойчивая - стоком энергии; в первом случае микротурбулентность оказывается интенсивной, во втором - слабой. Свойства микротурбулентности наиболее просты в приземном слое атмосферы толщиной в несколько десятков м,в котором вертикальные турбулентные потоки импульса t и тепла qпостоянны. При условиях квазистационарности и горизонтальной однородности характеристики крупномасштабных компонент такой турбулентности определяются, кроме высоты zи скорости трения , также параметром плавучести b = g/T ₀и величиной q / c _pr ( g -ускорение силы тяжести, c _pи r - удельная теплоёмкость и плотность воздуха, T ₀-средняя температура). Измеренные масштабами длины ,времени L /u _*и температуры q / c _pru _* ,эти характеристики оказываются универсальными функциями безмерной высоты z / Lили определяемого ею числа Ричардсона , (где uи Т-скорость ветра и температура).

  Свойства океанической микротурбулентности определяются типичным для очень устойчиво стратифицированной жидкости наличием в океане вертикальной микроструктуры - долгоживущих квазиоднородных слоев с толщинами ~ 1 ми менее, разделяемых поверхностями разрыва температуры и солёности. Турбулентность, сосредоточенная в этих слоях, слаба (не способна разрушать разделяющие слои поверхности разрыва), имеет малые числа Рейнольдса (определяемые толщинами слоев), а потому далека от универсального статистического равновесия и определяется особенностями каждого конкретного слоя (а не его глубиной).