Многоступенчатая турбина представляет собой несколько последова-

Тельно соединенных одноступенчатых турбин, которые называются ступе-

Нями.

Принцип работы непосредственно ступени турбины рассмотрим на

примере, изображенным на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Ступень турбины

Рабочий газ с повышенным начальным давлением р2 и начальной

температурой Т2 подводится к неподвижному соплу статора (рис. 6.5).

При постоянном массовом расходе газа т на выходе из сопла под-

держивается постоянное давление р1 < р2. Под влиянием разности давлений

Поток газа с постоянной скоростью w/ (м/с) направляется в криволинейные

каналы А, образованные рабочими лопатками ротора турбины (рис. 6.6).

Протекая по этим каналам, поток газа создает усилие Рu, вращающее

Рабочее колесо турбины.

Обозначив через и (м/с) линейную скорость вращательного движения

Лопаток и построив треугольник скоростей на входе в каналы рабочих лопа-

Ток, можно найти относительную скорость входа w1 потока газа в каналы

рабочих лопаток и ее направление, которое определяется углом β1.

Проекция силы Ри на направление скорости и вызывает вращение ротора

Турбины. Мощность (Вт), развиваемая потоком газа на ободе лопаток,

равна:

Nu = Ри и. (6.9)

Если газ расширяется только в сопле статора, а в каналах рабочих

Лопаток ротора происходит лишь изменение направления потока газа при

Постоянном давлении, то такая турбина (или ступень ее) называется актив-

Ной. Если газ расширяется в сопле ротора и в каналах рабочих лопаток

Ротора, то такая турбина (или ступень) называется реактивной.

На рис. 6.7 представлены теоретические циклы газотурбинной уста-

Новки (ГТУ).

В теоретическом цикле газотурбинной установки принимается, что

процессы сжатия воздуха в компрессоре 1 _ 2 и расширения продуктов сго-

рания в газовой турбине 3 _ 4 являются адиабатными, а процессы подвода

теплоты 2 _ 3 (сгорание топлива) и отвода теплоты 4 _ 1 _ изобарными.

Рис. 6.7. теоретический цикл газотурбинной установки на диаграммах:

p – v (а) и Т – s (б)

Принципиальное отличие этого цикла от цикла двигателей внутреннего

Сгорания заключается в том, что отвод теплоты осуществляется по изобаре

4_1, тогда как в двигателях внутреннего сгорания _ по изохоре 4'_1. Это

Обстоятельство, обусловленное возможностью полного, до давления р1

Расширения газов в турбине, приводит к тому, что термодинамический

К. п. д. теоретического цикла газотурбинной установки при одном и том же

Подводе теплоты оказывается выше, чем для цикла двигателей внутреннего

Сгорания с изобарным сжиганием (т. е. для цикла Дизеля). Действительно,

как показывает рис. 6.7, в, теплота q0, полезно преобразуемая в работу (пло-

щадь, заключенная внутри контура цикла), при __________изобарном отводе теплоты

4−1 больше, чем при изохорном 4'−1. А так как подводимая теплота

(площадь под отрезком 2−3) при этом одинакова, следовательно, к. п. д. цик-

Ла газотурбинной установки больше, чем соответствующая величина для

Цикла Дизеля.

Основной характеристикой рассматриваемого цикла является степень

повышения давления при сжатии β = р2 / р1. Выразим термодинамический

К. п. д. цикла через эту величину.

В изобарных процессах подвод и отвод теплоты от рабочего тела (газа)

равен: q1 = cp(T3 – T2) и q2 = cp(T4 – T1), поэтому с учетом формулы

(5.1), имеем:

η = 1 _ q2/q1

3 2

T T

T T

−

−

= −

()

3 2

4 1

/ 1

/ 1

Т

Т

T T

T Т

⋅

−

−

= −

⎟⎠ ⎞

⎜⎝ ⎛

(6.10)

Для адиабатных процессов 1 _ 2 и 3 _ 4 имеем р1v1

γ = р2v2

γ и

P4v4

γ = p3v3

γ.

Поделив второе равенство на первое и учитывая, что р1 = р4 и р2 = p3,

получим v4/v1 = v3/v2. Но для изобарных процессов 2 _ 3 и 4 _ 1

отношения Т3/Т2 = v3/v2 и Т4/Т1 = v4/v1, следовательно, Т4/Т1 = Т3/Т2 и

выражение (6.10) принимает вид: η = 1 – T1/T2.

Для адиабатного процесса 1 _ 2 в соответствии с уравнением адиабаты

(2.10) отношение Т1/Т2 = (р1/ р2)(γ _ 1)/γ. Следовательно, получаем:

η = 1 – (р1/ р2)(γ _ 1)/γ = 1 – 1/β(γ _ 1)/γ, (6.11)

Как следует из формулы (6.11), термический КПД газотурбинной уста-

новки зависит от степени повышения давления β в компрессоре и свойств

рабочего тела (через показатель адиабаты γ), увеличиваясь с ростом β.

Из диаграммы Т _ s (см. рис. 6.7, в) видно, что температура отработав-

Ших газов на выходе из турбины Т4 (в точке 4) выше, чем температура возду-

Ха, поступающего из компрессора в камеру сгорания, Т2 (в точке 2). В связи с

Этим имеется возможность повысить термодинамический к. п. д. установки

За счет использования принципа рекуперации тепла. С этой целью продукты

Сгорания из турбины направляются в теплообменник (рекуператор), в кото-

Ром они отдают часть своей теплоты сжатому воздуху, поступающему в

Рекуператор из компрессора и направляемому затем в камеру сгорания. В