Принципы работы турбин. Типы ступеней

Особенности турбинного двигателя. Турбина представляет собой ротационный тепловой двигатель лопаточного типа.

Действие турбины основано на непрерывном преобразовании тепловой (потенциальной) энергии рабочего тела в кинетическую, с последующим преобразованием энергии движущейся струи в механическую энергию вращающегося вала.

 

Основные особенности турбины — двойное преобразование энергии, непрерывность рабочего процесса, получение вращательного движения без кривошипно-шатунного механизма.

Непрерывность рабочего процесса в турбине и ротационный принцип действия облегчают конструкцию турбин и обеспечивают отсутствие трения в частях (за исключением подшипников вала).

 

Типы ступеней

По способу преобразования энергии турбины делятся на активные, реактивные и со ступенями скорости.

Турбины, в которых преобразование потенциальной энергии в кинетическую происходит только в неподвижных аппаратах (соплах), называются активными, а турбины, где преобразование энергии происходит также в неподвижных аппаратах и на рабочих лопатках,— реактивными.

 

В случаях, когда преобразование энергии происходит в основном в неподвижных аппаратах и частично в рабочих, турбина работает с некоторой степенью реактивности.

 

Комплект, состоящий из сопл (направляющих лопаток) и рабочих лопаток, называется ступенью турбины; совокупность ступеней образует ее проточную часть.

Рис. 1.1. Схема одноступенчатой активной турбины

 

На рис. 1,1 схематически представлена одноступенчатая активная турбина. В корпусе 1 расположено одно или несколько сопл 2, рабочие лопатки 3 жестко закреплены на диске 4, который посажен на вал 5, вращающийся в подшипниках 6. В месте выхода вала из турбины установлены уплотнения 7. В нижней части рисунка дано развернутое на горизонтальную плоскость сечение сопл и рабочих лопаток.

Как видно из рисунка, оси сопл расположены под некоторым углом к плоскости диска.

В верхней части рисунка представлен график изменения параметров рабочего тела (давления р и абсолютной скорости с) при прохождении им проточной части турбины.

 

Очевидно, что в соплах имеют место падение давления и рост скорости пара; на рабочих лопатках кинетическая энергия пара преобразуется в механическую, в результате чего уменьшается скорость. Давление пара перед рабочими лопатками и за ними одинаково.

 

При прохождении пара между рабочими лопатками на их вогнутой поверхности создается повышенное давление, на выпуклой — пониженное. Возникает вращающее усилие, которое совершает механическую работу.

Активная турбинная ступень

 

В активной турбине (рис. 43) свежий пар с начальными параметрами: давлением p ₀ температурой t₀ абсолютной скоростью , подводится к сопловому аппарату (сечение 0). В каналах соплового аппарата происходит расширение пара, в результате чего скорость потока пара на выходе из сопл (сечение 1) увеличивается до значения , а давление снижается до значения .

С этой скоростью пар поступает в каналы, образованные рабочими лопатками. В каналах рабочих лопаток происходит изменение направления движения потока пара без его расширения.

Абсолютная скорость пара на выходе из каналов рабочих лопаток (сечение 2) уменьшается до величины выходной скорости , а давление пара остается равным значению .

В результате обтекания рабочих лопаток и поворота потока пара возникает сила, направленная от вогнутой поверхности лопатки в сторону выпуклой, передающаяся через диск на вал и создающая крутящий момент на валу турбины. Диск турбины приходит во вращение, при этом рабочие лопатки на среднем диаметре движутся с окружной скоростью .

На диаграмме начальным параметрам пара на входе в сопловый аппарат соответствует точка . Теоретически (без учета потерь) процесс расширения пара в сопловом аппарате от давления до давления протекает изоэнтропно. Параметрам пара после соплового аппарата при изоэнтропном расширении соответствует точка , а сам процесс расширения выглядит как вертикальная линия .

Разность значений энтальпии в начальной и конечной точках при изоэнтропном расширении пара представляет собой располагаемый (изоэнтропийный) теплоперепад в сопловом аппарате – .

В реальных условиях при движении пара через проточную часть турбины неизбежны потери энергии. Процесс расширения пара в этом случае не является изоэнтропным, а точка, характеризующая действительные параметры пара за соплами – , смещается вправо по изобаре на величину потерь энергии в сопловом аппарате – .

В каналах рабочих лопаток активной турбины расширения пара не происходит, поэтому значения давлений пара на входе в каналы рабочих лопаток и на выходе из них одинаковы.

На диаграмме действительные параметры пара на выходе из рабочих лопаток обозначены точкой , а процесс, протекающий изобарно в каналах рабочих лопаток – линией . Точка отстоит от точки на величину потерь энергии – .

 

Рис. 43. Принцип действия и процесс расширения пара в активной турбинной ступени.

Пар, выходящий из каналов рабочих лопаток, обладает конечной скоростью и уносит с собой некоторую часть кинетической энергии. Эта энергия пара не используется в турбине и называется потерей с выходной скоростью – .

Действительные параметры пара на выходе из турбины характеризуются точкой . Весь располагаемый теплоперепад , срабатываемый в активной турбине, полностью срабатывается в сопловом аппарате: .