Принцип действия турбин и лопаточных компрессоров

 

Турбинные двигатели отличаются тем, что они кинетическую энергию рабочего тела преобразуют в механическую работу, поэтому внутренняя энергия газа должна быть предварительно преобразована в кинетическую. С этой целью рабочее тело (газ или пар) расширяется в соплах турбины, где он приобретает определенную скорость и затем, проходя по каналам между лопатками рабочего колеса, отдает часть энергии. Рабочее колесо приводится во вращение и совершает механическую работу. В общем случае, преобразование внутренней энергии газа в кинетическую может происходить не только в соплах, но и в каналах рабочего колеса.

Типичная схема турбины приведена на рис. 1.1. Газ входит в решетку  5 сопловых лопаток и расширяется в ней от начального давления p ₀ до давления p ₁ (рис. 1.2), которое в частном случае может равняться давлению на выходе из турбины p ₂. При расширении газа в соплах скорость его возрастает от начальной   c ₀ до c ₁. Это преобразование внутренней энергии газа в кинетическую подчиняется уравнению энергии. Для энергетически изолированного процесса течения:

 ,                            (1.1)

где - разность начальной и конечной энтальпий рабочего тела или тепловой перепад в соплах.

В правой части формулы (1.1) показано приращение кинетической энергии 1 кг газа, эквивалентное тепловому перепаду.

Выражение  представляет собой начальную энтальпию заторможенного потока рабочего тела, поэтому выражение (1.1) можно переписать:

                          (1.2)

Уравнение (1.2) можно использовать для определения скорости истечения газа из сопел с₁. С этой скоростью, направленной под углом α₁ (рис. 1.2) 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).

 

Рисунок 1.1 - Схема одноступенчатой осевой турбины:

1 - вал; 2 - подшипник; 3 - диск; 4 - рабочие лопатки; 5 - решетка сопловых лопаток; 6 - корпус турбины

 

 

Рисунок 1.2 - Развертка на плоскости цилиндрического

сечения проточной части турбины

 

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.

Если поток газа направлен параллельно оси вращения турбины, то такая турбина называется осевой (рис. 1.1). В радиальных турбинах газ движется, в основном, по радиусу турбины, как показано, например, на рис. 1.3 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. 1.3) рабочее тело выходит в осевом направлении, то такую турбину называют радиально-осевой.

Рисунок 1.3 - Схема радиальной центростремительной турбины

 

Радиальные турбины могут быть и центробежными, в которых рабочее тело движется от центра к периферии. Центростремительные турбины способны срабатывать больший тепловой перепад, а их КПД при прочих равных условиях выше КПД центробежных.

Для сжатия рабочего тела используются лопаточные компрессоры, которые могут быть осевыми и центробежными. В осевых компрессорах рабочее тело движется по цилиндрическим поверхностям, соосным с осью вращения ротора компрессора, в центробежных компрессорах рабочее тело движется от центра к периферии.

Схема осевой компрессорной ступени показана на рис. 1.4. В процессе взаимодействия рабочих лопаток и газа происходит преобразование механической энергии, подводимой к ротору компрессора в потенциальную и кинетическую энергию рабочего тела. Вследствие диффузорности межлопаточных каналов рабочего колеса относительная скорость потока уменьшается, а потенциальная энергия давления увеличивается. В диффузорных каналах направляющего аппарата идёт процесс преобразования части кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления. В результате такого преобразования скорость потока уменьшается и в выходном сечении скорость мало отличается по величине и направлению от скорости входа в компрессорную ступень.

 

Рисунок 1.4 - Схема осевой компрессорной ступени:

1 - рабочие лопатки; 2, 3 - соответственно направляющие и рабочие лопатки соседних ступеней; 4 - направляющие лопатки

 

Схема центробежного компрессора представлена на рис. 1.5. Газ через входной патрубок 1 поступает в межлопаточное пространство рабочего колеса, где в процессе взаимодействия с лопатками происходит преобразование механической энергии, подводимой к валу компрессора 6 в энергию потока.

 

Рисунок 1.5 - Схема центробежного компрессора:

1 - входной патрубок;

2 - рабочие лопатки колеса; 3 - корпус; 4 - лопатки диффузора; 5 - камера спирального отвода (улитка); 6 - вал компрессора

 

 

В результате такого взаимодействия кинетическая и потенциальная энергии потока увеличиваются. Преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию давления происходит в лопаточном диффузоре 4 или в безлопаточном (щелевом) диффузоре. Для равномерного отвода потока газа используется спиральная камера 5.

В целях упрощения технологии изготовления рабочего колеса и создания различных модификаций его входную часть с отогнутыми кромками рабочих лопаток выполняют обычно отдельно и насаживают на вал с помощью шпонки. Эту часть колеса называют вращающимся направляющим аппаратом.

Входные кромки рабочих лопаток можно не отгибать, если перед рабочим колесом поместить неподвижный направляющий аппарат и обеспечить с его помощью закрутку потока в окружном направлении для обеспечения безударного входа в рабочее колесо. Лопатки неподвижного направляющего аппарата могут быть поворотными. В этом случае безударный вход потока может обеспечиваться и на частичных режимах, что повышает КПД компрессора и увеличивает устойчивую зону его работы.

Судовые компрессоры преимущественно строят с вращающимся направляющим аппаратом и осевым входом потока в рабочее колесо, как более простые по конструкции. Такие компрессоры называют осерадиальными.

Рисунок 1.6 - Конструктивные типы рабочих колес:

а - закрытое колесо; б - полузакрытое колесо

 

В выходном сечении, в общем случае, рабочие колеса могут иметь лопатки загнутые вперед (в сторону вращения рабочего колеса), радиальные и лопатки загнутые назад (в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса). В компрессорах применяют рабочие колеса с радиальными лопатками и лопатками, загнутыми назад. Рабочие колеса с лопатками, загнутыми вперед, используют в вентиляторах.

По конструкции различают рабочие колеса закрытого типа с покрывающим диском ( рис. 1.6, а) и полузакрытого типа без покрывающего диска (рис. 1.6, б). В закрытых колесах поток воздуха изолирован от воздействия неподвижной стенки корпуса, поэтому потери в рабочем канале будут наименьшими. Однако такие колеса более сложны в изготовлении и в них ограничивается допустимая окружная скорость. В судовых компрессорах, в основном, применяют колеса полузакрытого типа с фрезерованными заодно с колесом рабочими лопатками, более простые изготовлении. В таких колесах допускается большая скорость на наружном диаметре.

 

Классификация турбомашин

И область применения

Судовые турбины классифицируют по следующим признакам:

1. По роду рабочей среды различают турбины паровые и газовые. В паровых турбинах рабочим телом является водяной пар, в газовых - смесь продуктов сгорания с избыточным воздухом или нейтральный газ, например, гелий;

2. По назначению турбины разделяются на главные и вспомогательные. Главными называются турбины, вырабатывающие механическую энергию в соответствии с назначением судна. Все остальные турбины называются вспомогательными;

3. По числу ступеней турбины разделяются на одно- и многоступенчатые. Одноступенчатые турбины используются при срабатывании небольшого перепада энтальпий (до 210кДж/кг). Главные и вспомогательные судовые паровые турбины являются преимущественно многоступенчатыми;

4. По характеру движения рабочей среды в проточной части турбины разделяются на осевые и радиальные. Радиальные, в свою очередь, подразделяются на центробежные, если рабочее тело движется от оси вращения к периферии и центростремительные, если рабочее тело движется от периферии к оси вращения. Недостатком радиальных турбин является ограниченная агрегатная мощность, не превышающая 7-15 кВт;

5. Турбина является частью судового турбоагрегата, в который, кроме нее входят зубчатая передача, конденсатор - в паровом турбоагрегате, турбокомпрессоры и камеры сгорания - газотурбинном. В зависимости от числа турбин, входящих в паровой турбоагрегат, различают одно- и многокорпусные турбоагрегаты. В однокорпусном агрегате одна турбина, в многокорпусном две или три. Однокорпусные турбоагрегаты применяют, если число ступеней в турбине не превышает 10-12 активных или 20-25 реактивных. При большом числе ступеней применяют многокорпусные турбоагрегаты;

6. По способу передачи мощности исполнительному механизму различают турбоагрегаты с зубчатой, электрической и прямой передачей. Наибольшее распространение имеет зубчатая передача, КПД которой достигает 97-98%. Электропередача используется на судах специального назначения: ледоколах, пассажирских судах. Прямая передача возможна, если приводной механизм (электрогенератор, компрессор, вентилятор и др.) допускает высокую частоту вращения;

7. Паровые турбины в зависимости от начального состояния пара разделяют на турбины перегретого пара и влажнопаровые. В первых турбинах большинство ступеней работает в области перегретого пара, во вторых - в области влажного пара. Более высокий КПД имеют турбины перегретого пара, поэтому они получили наибольшее распространение. Влажнопаровые турбины используют в установках с ядерным топливом. Они работают на слабоперегретом или сухом насыщенном паре.

Паровые турбины разделяют на конденсационные и противодавленческие. В конденсационных турбинах отработавший пар отводится в конденсатор, в котором поддерживается давление ниже атмосферного (0,0049-0,0098 МПа), давление отработавшего пара в противодавленческих турбинах выше атмосферного. На судах, в основном, применяются конденсационные паровые турбины;

8. По расположению оси ротора различают турбины горизонтальные и вертикальные. В судовых установках в основном используют горизонтальные турбины, удобные в обслуживании и ремонте. Вертикальные турбины занимают небольшую площадь машинного отделения, поэтому они предпочтительны для судов специального назначения в качестве привода вспомогательных механизмов.

В практике компрессоростроения приняты следующие основные признаки классификации:

1. По принципу действия компрессоры разделяют на лопаточные и компрессоры объёмного действия. В лопаточных компрессорах повышение давления осуществляется увеличением кинетической энергии сжимаемой среды за счет энергии двигателя с последующим преобразованием кинетической энергии в потенциальную. В компрессорах объёмного действия давление повышается путем уменьшения объёма, занимаемого газом, вследствие перемещения вытеснителя в цилиндре (поршневые, роторные компрессоры). В дальнейшем будем рассматривать только лопаточные компрессоры;

2. Лопаточные компрессоры в зависимости от характера движения газа в проточной части могут быть осевыми и центробежными. Кроме того, бывают компрессоры диагональные и комбинированные;

3. В зависимости от подачи различают компрессоры с малой (G <10 кг/с), средней (G =10-30 кг/с) и большой (G >30 кг/с) подачей. Судовые центробежные компрессоры относятся в основном к машинам с малой и средней подачей, а осевые - к машинам с большой подачей;

4. По степени повышения давления компрессорные машины разделяются на вентиляторы (π_к<1,1), нагнетатели π_к =1,1 - 3,0) и компрессоры (π_к >3).

Лопаточные компрессоры могут быть классифицированы и по другим признакам, аналогичным тем, по которым классифицируют турбины.

Кинематическая особенность турбины состоит в получении непрерывного вращательного движения ротора непосредственно в результате вращения лопаток силой давления рабочего тела. Поэтому турбина не нуждается в кривошипно-шатунном механизме и других преобразователях прямолинейно-возвратного движения во вращательное. Это является преимуществом турбин по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания,

Рабочий процесс в турбине совершается в полостях, всегда открытых для рабочего тела, которое течет непрерывно от входного до выходного сечения турбины. Поэтому непрерывность рабочего процесса является важной особенностью турбин. В связи с высокими скоростями рабочего тела турбина способна развивать очень высокие мощности в умеренных габаритах. Поэтому турбинные установки имеют более низкие массогабаритные показатели по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания. Однако экономичность турбинных установок ниже, чем дизельных установок. Это сдерживает широкое применение турбинных установок на судах.

Турбинные установки также используются на судах оснащенных ядерными энергетическими установками, в корабельной энергетике. На судах промыслового флота турбины используются в качестве вспомогательных двигателей (например, в турбонаддувочных агрегатах ДВС).

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какие турбомашины относятся к осевым?

2. Какие турбомашины относятся к радиальным?

3. Чем отличаются центробежные турбомашины от центростремительных?

4. Из каких элементов состоит элементарная турбинная ступень?

5. Какие энергетические преобразования имеют место в сопловом и рабочем аппаратах турбинной ступени?

6. Какие паровые турбины относятся к конденсационным?

7. Какие энергетические преобразования имеют место в рабочем колесе центробежного компрессора?

8. Какие рабочие колеса центробежного компрессора являются закрытыми?

 

Литература: [1], [2].