Понятие о реактивности турбины

В турбине давление и температура газов преобразуются в механическую работу. Разность давлений газов до турбины и после нее Р₃ – Р₄ называют перепадом давления, используемым (срабатываемым) в турбине, а разность тем­ператур Т₃ - Т₄ - перепадом температур, сраба­тываемым в турбине.

В активной турбине ускорение газов, преобразование давления и температуры в скорость происходят только в кана­лах соплового аппарата. Давление газов здесь до и за турбиной одинаково. Вращение колеса активной турбины происходит только за счет поворота газовых струй в каналах колеса.

Рис. 31. К понятию о реактивности турбины

В реактивной турбине давление перед колесом Р_абудет больше давления за колесом Р₄. Газ расширяется не только в сопловом аппарате, но и в каналах между лопатками ко­леса. При этом в овалах между лопатками колеса происходит ускорение газовых струек и возникает сила реакции -поэтому и турбина называется реактивной.

Степень использования тепловой энергии газа в колесе реактивной турбины показывает степень ее реактивности; обозначается греческой буквой ρ (ро).

Степень реактивности - это отношение пере­пада температур, используемого в каналах колеса, к пол­ному перепаду температур, используемому всей турбиной в сопловом аппарате и в каналах рабочего колеса (рис. 31).

Степень реактивности (в процентах) приближенно определяется по уравнению:

 

 

где Т_а — температура газа за сопловым аппаратом; Т₄ — температура газа за колесом турбины; Т₃ — температура газа перед сопловым аппаратом тур­бины.

В турбинах турбореактивных двигателей степень реак­тивности по среднему радиусу лежит в пределах ρ = 30— 45%.

Турбины, имеющие реактивность до 20%, все же назы­вают активными.

КРУЧЕНИЕ ЛОПАТОК

Реактивные газовые турбины имеют длинные крученые, лопатки, которые характеризуются тем, что сечения их по высоте смещены (повернуты, закручены) друг относительно друга. При этом профиль лопаток от сечения к сечению меняется.

На рис. 32 показаны сечения лопаток соплового аппарата и рабочего колеса на периферии (у вершины лопаток) — сплошной линией, и у корня — пунктиром.

При течении газа по каналам колеса у частиц газа воз­никают центробежные силы, стремящиеся переместить частички газа от корня лопатки к ее вершине. Возникает воз­можность течения частичек газа по радиусу в зазоре между сопловым аппаратом и рабочим колесом. Это радиальное перетекание газа является дополнительной потерей энергии в турбине.

Для устранения радиального перетекания газов действие центробежных сил уравновешивается разностью давлений газов по высоте лопатки — давление газов увеличивается от корня к вершине лопатки.

Рис. 32. Сечение лопаток у корня и к вершины. Рис. 33. Силы, действующие на объем газа в зазоре турбины.

На рис. 33 изображен небольшой объем газа, движуще­гося в зазоре между сопловым аппаратом и колесом. На этот объем газа снизу действует давление Ри центробежная сила, возникшая от вращения этого объема газа. Чтобы этот объем газа не мог перемещаться от корня лопаток к вер­шине, давление сверху должно быть больше давления снизу. Избыток давления сверху ΔРуравновешивает центробеж­ную силу.

Увеличение давления по высоте лопатки достигается за счет различного распределения перепада давлений между сопловым аппаратом и колесом. Общий перепад давления, срабатываемый в каждом сечении, остается постоянным по высоте лопаток.

В корневом сечении турбины примерно треть общего пе­репада давления срабатывается в каналах соплового аппа­рата, а остальная часть перепада давления в каналах рабо­чего колеса.

Изменяя профиль лопаток по высоте и поворачивая про­фили друг относительно друга (закручивая лопатку), изме­няют форму каналов между лопатками соплового аппарата и рабочего колеса. Этим изменением формы каналов по вы­соте добиваются того, что доля перепада давления, срабатываемого в сопловом аппарате, уменьшается.

Следовательно, изменением формы каналов по высоте добиваются того, что газы, выходящие из соплового аппа­рата, имеют большее давление у вершины и меньшее у корня лопаток.

Увеличение давления газов в зазоре между сопловым аппаратом и рабочим колесом и соответствующее этому увеличению уменьшение скорости течения газов показаны на рис. 34. Это увеличение давления достигнуто за счет круче ния (крутки) лопаток соплового аппарата; оно предохраняет газы от перетекания в радиальном направлении в зазоре.

Рис. 34. Изменение скорости и давления газов по высоте лопаток турбины

Круткой рабочих лопаток добиваются того, что в каналах рабочего колеса срабатывается оставшаяся доля перепада давления после соплового аппарата, поэтому давление за рабочим колесом по высоте лопаток остается постоянным.

Примерное изменение параметров газа в реактивной турбине (на среднем радиусе) показано на рис. 35.

Рис. 35. Изменение параметров газа в элементах газовой турбины

 

ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ ТУРБИНА

Для получения хорошей экономичности турбореактивные двигателей приходится применять компрессоры, имеющие высокие степени сжатия.

Давление воздуха, создаваемое таким компрессором, на Земле составляет 7 - 8 кг/см². Преобразовать это давление в механическую работу в одноступенчатой турбине очень трудно, так как эта турбина может использовать давление только 5 - 6 кг/см² с допустимыми потерями.

Для возможности использования всего давления, создаваемого современными осевыми компрессорами, применяются двухступенчатые газовые турбины. Двухступенчатая турбина имеет последовательно чередующиеся два сопловых аппарата и два ряда рабочих лопаток.

Двухступенчатая турбина имеет следующие преимущества перед одноступенчатой:

- позволяет преобразовывать в механическую работу более высокие перепады давлений; в каждой ступени исполь­зуется меньший перепад давления и температур; следовательно, скорости течения газов будут меньшие, благодаря этому потери в турбине уменьшаются и коэффициент полез­ного действия двухступенчатой турбины будет более высоким;

- небольшие перепады давлений в ступенях позволяют применить сужающиеся каналы сопловых аппаратов, кото­рые вполне удовлетворительно работают на всех режимах (числах оборотов) двигателя.

К недостаткам двухступенчатых турбин относятся:

- конструктивная сложность и большой вес;

- первая ступень работает при более высоких темпера­турах, нежели последующие, поэтому требуется надежное охлаждение ее, что увеличивает потери тепла;

- большая сложность в производстве.

На рис. 36 показана схема двухступенчатой осевой реак­тивной газовой турбины и графики изменения давления, тем­пературы и скорости газов в ее элементах.

Поток газа, пройдя через сопловой аппарат первой сту­пени, за счет понижения давления и температуры разго­няется - увеличивается его абсолютная скорость движения.

На рабочих лопатках первой ступени вследствие умень­шения абсолютной скорости движения газа, падения его дав­ления и температуры возникает окружное усилие, вращающее колесо.

В сопловом аппарате второй ступени продолжается падение давления и температуры и происходит вторичный разгон потока газа. Полученная скорость используется в рабочих лопатках второй ступени, где за счет ее уменьшения и дальнейшего падения давления и температуры тоже возникает окружное усилие.

В двухступенчатой реактивной турбине падение давления и температуры газа, приходящееся на каждую ступень, значительно меньше, чем в одноступенчатой турбине. Поэтому потери энергии в ней имеют сравнительно небольшую величиy.