Принцип действия газовой турбины

Наиболее широкое применение в турбореактивных двига­телях получили одноступенчатые и двухступенчатые осевые реактивные газовые турбины.

Одноступенчатой турбиной называется такая, которая имеет сопловой аппарат и один ряд рабочих паток. Термин “осевая” показывает, что поток газов подводится к лопаткам турбины параллельно оси вращения колеса.

Реактивная газовая турби­на - это такая турбина, в кото­рой расширение газов происхо­дит не только в сопловом аппа­рате, но продолжается и в кана­лах рабочего колеса турбины, и которой расширение газов полностью заканчивается в сопловом аппарате, называется активной газовой турбиной. В активной турбине давление газов до и после колеса турбины одинаковы.

Рабочим телом в газовой турбине являются газы, образующиеся от сгорания керосина или какого-либо другого топлива в потоке сжатого воздуха.

Познакомимся с конструкцией одноступенчатой осевой газовой турбины. Схема турбины приведена па рис. 26. Тур­бина состоит изсоплового аппарата, диска турбины с рабо­чими лопатками и вала с подшипниками.

 

Рис. 26. Схема осевой газовой турбины. Рис. 27. Детали соплового аппарата.

 

Сопловой аппарат (рис. 27) имеет внешний и внутренний венцы, между которыми свободно вставлены лопатки соплового аппарата. Такая посадка лопаток обеспечивает свободное удлинение их при нагревании (лопатки находятся в потоке газов, имеющих температуру 850 - 900° С, и при работе нагреваются до светло-красного цвета). Чтобы лопатки со­плового аппарата могли длительное время работать при вы­сокой температуре, они отлиты из жаростойкого сплава.

Диск турбины (рис. 28) для прочности изготавливается сплошным, без отверстия в центре; он утолщается к центру и к ободу, где крепятся лопатки.

Рис. 28. Ротор турбины.

Рабочие лопатки изготавливаются из жаропрочного сплава, крепятся к ободу “елочным” замком, который обес­печивает свободную посадку лопатки - лопатка может ка­чаться {рис. 29). Замок называется елочным потому, что вид его имеет форму елки.

Рис. 29. Замок лопатки турбины.

К фланцу диска крепится вал турбины, передающий кру­тящий момент компрессору и агрегатам двигателя.

Для уменьшения утечки горячих газов по ободу диска проточены канавки лабиринтного уплотнения.

Диск турбины с лопатками и валом называют ротором. Лопатки соплового аппарата и диска имеют в сечении вид изогнутых аэродинамических профилей (крылышек).

Во время работы турбореактивного двигателя к турбине подходят горячие газы из камер сгорания; газы имеют давле­ние порядка 4 - 7 кг/см², температуру 850 - 900° С и скорость 170 - 180 м/сек.

Рассмотрим, как изменяются давление, температура и скорость газов при протекании их по каналам турбины и как энергия газов преобразуется в механическую работу. Характерные сечения газового потока, движущегося по каналам турбины, приведены на рис. 26:

3—3 — на входе газов в тур­бину;

а — а — на выходе газов из соплового аппарата;

4—4 — на выходе газов из ко­леса турбины.

Как было указано выше, к ло­паткам соплового аппарата подхо­дят горячие газы со скоростью по­рядка 170 - 180 м/сек. В сопловом аппарате на участке 3 - а газы, двигаясь в сужающемся канале, увеличивают свою скорость движе­ния (за счет паления давления и температуры) до с_а =580 - 600 м/сек. Одновременно с расши­рением поток газа поворачивается сопловым аппаратом и направ­ляется на лопатки колеса под углом а =20 - 28° {рис. 30). Лопатки колеса движутся с окружной скоростью и. Вычтем из абсолютной скорости газа с_а окружную скорость вращения колеса и, получим относительную скорость газа w_а, с которой газ входит в каналы рабочего колеса. В канале между лопатками колеса газ продолжает расширяться - его давление падает, температура уменьшается. Работа расши­рения расходуется на ускорение струйки газа, движущейся в канале.

Абсолютная скорость газа на выходе из колеса с₄ опреде­лится как сумма окружной скорости колеса и и относитель­ной скорости выхода газа из колеса w_а. Для турбин турбо­реактивных двигателей с₄ = 350 - 400 м/сек и направлена по оси двигателя. Скорость выхода газов из колеса турбины меньше скорости входа газа в колесо на 150 - 200 м/сек.

Профили лопаток колеса подобраны так, что между ними образуются изогнутые сужающиеся каналы. При протекании газовой струйки по каналу происходит поворот ее, благодаря чему у частиц газа появляются центробежные силы, которые давят на вогнутую поверхность лопатки – “корытце”.

На вогнутой поверхности лопаток создается повышенноt давление, а на выпуклой стороне лопаток (па спинке) обра­зуется пониженное давление (разрежение).

Результирующая сила направлена под некоторым углом к плоскости вращения колеса (см. рис. 30). Эту силу можно разложить на две составляющие. Одна сила направлена по оси колеса - это осевое усилие, оно нагружает упорный под­шипник. Другая сила действует в плоскости вращения колеса; эта сила называется окружным усилием.

В реактивной турбине при движении струйки газа в су­жающемся канале между лопатками колеса происходит ускорение этой струйки газа.

Относительная скорость струйки на выходе из колеса w₄ больше относительной скорости струйки на входе в колесо w_а, что хорошо видно на рис. 30.

За счет ускорения струйки газа возникает сила реакции, которая гоже дает окружное усилие.

Таким образом, в реактивной газовой турбине окружное усилие получается в результате поворота струйки газов в ло­паточном канале и ускорения этой же струйки газа в этом же канале.

Рис. 30. Возникновение окружного усилия от поворота струйки газа в канале между лопатками колеса

Если сложить все окружные усилия, получающиеся на каждой лопатке колеса, то получим общее, суммарное окружное усилие, которое вращает диск турбины.

Подсчитаем мощность турбины на основе учета работы расширения газов в турбине.

Работу расширения 1 кг газа, протекающего через тур­бину, определим по уравнению энергии потока газов:

 

 

Газы подходят к турбине, имея температуру Т₃ = 1148⁰ и скорость с₃ = 170 м/сек, а на выходе из турбины Т₄ = 914⁰и с₄ = 400 м\сек. Показатель адиабаты для про­дуктов сгорания k =1,33.

Подставив эти значения в уравнение, получим L_РАСШ = 20900 (кгм/кг).

Будем считать, что через турбину протекает только воздух, который подается компрессором; учитывать вес топлива, сгорающего в двигателе, не будем.

Тогда мощность турбины определится по формуле:

 

 

где G_ceк — секундный расход газов через турбину; L_расш - действительная работа расширения 1 кг газов.

Принимая С_гек - 60 кг/сек и L_расш = 20900 кгм/кг, получим N_ТУРБ = 13900 л.с.

Мощность, развиваемая турбиной, должна быть на 1,5 - 2% больше мощности, потребляемой компрессором. Этот избыток мощности расходуется на привод вспомогательных агрегатов (насосов, генераторов, автоматов) и на преодоле­ние сил трения в подшипниках и передачах.