Устройство и принцип действия турбинной ступени

Турбина – сложное инженерное сооружение, предназначенное для преобразования внутренней энергии рабочего тела в механическую энергию вращения ротора. По назначению судовые турбины можно классифицировать как главные и вспомогательные. К главным турбинам относятся агрегаты, вырабатывающие энергию в соответствии с назначением судна. На транспортных судах главные турбины вырабатывают энергию для движения судна. Все остальные турбины будут вспомогательными.

Главные турбины имеют высокую мощность и изготавливаются многоступенчатыми. Как правило, в группе турбинных ступеней все ступени выполняются однотипными. Турбинная ступень является элементарным звеном турбины способным преобразовать внутреннюю энергию рабочего тела в механическую энергию. На рисунке 2 представлена схема осевой одноступенчатой турбины (турбинной ступени).

Каждая турбинная ступень включает сопловой и рабочий аппараты. В сопловом аппарате часть внутренней энергии рабочего тела преобразуется во внешнюю кинетическую энергию (абсолютная скорость потока увеличивается от с₀ до с₁, давление понижается от р₀ до р₁). В рабочем аппарате часть внешней кинетической энергии потока и часть внутренней энергии рабочего тела преобразуются в механическую энергию вращения ротора (абсолютная скорость потока уменьшается от с₁ до с₂, давление понижается от р₁ до р₂, в частном случае давление р₁ может равняться давлению р₂).

Сопловой аппарат представляет набор радиально установленных турбинных лопаток, неподвижно закрепленных в корпусе, между которыми сформированы межлопаточные каналы, образующие проточную часть соплового аппарата. Рабочий аппарат также состоит из радиально установленных лопаток, закрепленных на вращающемся роторе (диске). Сопловой и рабочий аппараты иногда называют решетками турбинных лопаток.

Поток рабочего тела выходит из соплового аппарата со скоростью с₁, вектор которой направлен под углом α₁ к фронтальной плоскости сопловой решетки, рабочее тело попадает на решетку рабочих лопаток, движущихся относительно сопловой решетки с окружной скоростью u. Вектор относительной скорости w ₁ потока при входе в рабочие лопатки находят, вычитая из вектора абсолютной скорости c ₁ вектор окружности скорости u (скорость переносного движения). Вектор относительной скорости w ₁ образует с фронтальной плоскостью рабочей решетки угол β₁.

 

    

Рисунок 2 – Схема осевой одноступенчатой турбины,

развертка на плоскости цилиндрического сечения проточной части,

изменение параметров по проточной части, кинематика потока:

1 – вал; 2 – подшипник; 3 – диск (ротор); 4 – рабочий аппарат;

5 – сопловой аппарат; 6 – корпус.

 

Из межлопаточных каналов рабочего колеса рабочее тело выходит с относительной скоростью w ₂, которая может быть больше или меньше w ₁. При проходе через каналы рабочей решетки газ меняет свое направление. Вследствие поворота струи, а также (в большинстве случаев) её ускорения возникает сила, приложенная к лопаткам, которая при вращении диска совершает механическую работу. Возникновение этой силы объясняется тем, что на обеих сторонах профиля лопатки образуется разное давление. Вектор относительной скорости w ₂ выходит из рабочей решетки под углом β₂.

Величина абсолютной скорости на выходе из рабочего аппарата (турбинной ступени) с₂ определяет потери энергии с выходной скоростью, которые существенно влияют на КПД турбинной ступени. Минимальные потери энергии с выходной скоростью будут иметь место, когда угол вектора абсолютной скорости на выходе из рабочего аппарата α₂ =90°.

Если поток газа направлен параллельно оси вращения турбины, то такая турбина называется осевой (рис. 2). В радиальных турбинах газ движется, в основном, по радиусу турбины, как показано, например, на рис. 3 представляющем схему центростремительной турбины. Рабочее тело движется от периферии к центру, расширяясь сначала в сопловом аппарате, а затем между рабочими лопатками, которые на рисунке изображены радиальными. Последние могут быть изогнутыми, причем угол β₁, в этом случае не равен 90°. На выходе рабочие лопатки загнуты так, что абсолютная скорость c ₂ имеет осевое направление. Так как из турбины, показанной на схеме (рис. 3) рабочее тело выходит в осевом направлении, то такую турбину называют радиально-осевой.

 

α1

 

Рисунок 3 - Схема радиальной центростремительной турбины

 

Сопловые решетки могут образовывать суживающиеся каналы (для дозвуковых или околозвуковых скоростей) или расширяющиеся сопла Лаваля (для сверхзвуковых скоростей). В обоих случаях проходным сечением, определяющим расход газа, надо считать сечение, имеющее минимальную площадь.

Рабочие решетки, как правило, выполняют конфузорными или с постоянным поперечным сечением по длине канала. Газ входит в эти решетки с относительной скоростью w ₁, а выходит со скоростью w ₂.

На рисунке 4 схематически изображен в координатах s - i процесс расширения газа в реактивной ступени. В турбинной ступени газ расширяется от давления p ₀ * до p ₂ по условной политропе A o -A₂. Располагаемая работа изоэнтропийного расширения газа в ступени L ₀ складывается из располагаемой работы соплового аппарата L ₀₁ и располагаемой работы рабочего аппарата L ₀₂

.                                   (2.1)

Таким образом, может быть спроектировано бесконечное количество турбинных ступеней с одинаковыми располагаемыми работами, но с различными располагаемыми работами соплового и рабочего аппаратов. С целью конкретизации соотношения располагаемых работ соплового и рабочего аппаратов вводится понятие степени реактивности турбинной ступени, которая равна отношению располагаемой работы рабочего аппарата к располагаемой работе турбинной ступени

 

Рисунок 4 - Процесс расширения газа в реактивной ступени

в si -диаграмме

 

.                                              (2.2)

Вопросы для самоконтроля

1. Из каких элементов состоит турбинная ступень?

2. Какие энергетические преобразования происходят в сопловом аппарате турбинной ступени?

3. Какие энергетические преобразования происходят в рабочем аппарате турбинной ступени?

4. Чем отличается центростремительная турбинная ступень от центробежной?

5. Дайте определение степени реактивности турбинной ступени.

6. Изобразите треугольник скоростей турбинной ступени и дайте характеристику каждому вектору скорости.