Активные паровые турбины. Реактивные паровые турбины, степень реактивности.

Турбина – двигатель в котором теплота рабочего тела последовательно преобразуется в кинетическую энергию струи, а затем в механическую работу. Вытекающий из сопла поток рабочего тела, обладающий значительной кинетической энергией, действует на лопатки с силой которая зависит в большей степени от формы их поверхности. Расчеты показывают что при прочих равных условиях, например, при заданной скорости истечения и расходе рабочего тела с наибольшей силой поток будет действовать на лопатку форма которой будет обеспечивать поворот его на 180 градусов.(рис 1.1)

Если позволить лопаткам перемещаться под действием струи с одинаковой скоростью, то движение газа обеспечивает и наибольшую мощность, т.е для получения механической работы поток должен не ударятся об лопатку, а обтекать ее плавно без завихрений, но использовать наиболее выгодный профиль лопаток для турбомашины невозможно, т.к практически невозможно при вращательном движении диска с лопатками подать на них газ в направлении совпадающим с плоскостью вращения. Поэтому в турбинах струя газа вытекающая из неподвижного сопла подается на лопатки изогнутые под некоторым углом и по конструктивным соображениям этот угол =11-16градусов, а иногда 20-30градусов.

Рассмотренный принцип действия потока на поверхность лопаток – активный. В отличии от реактивного, когда сила создается за счет реакции струи вытекающей из сопла.

Реактивная сила направлена согласно 3-му закону Ньютона в сторону противоположную истечению газа.

Турбины, где весь располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока в соплах, а в каналах расширение тела не происходит (p=const)называются активными турбинами.

В простейшей активной турбине (рис12.2)

рабочее тело поступает в сопло 1, разгоняется в нем до высокой скорости и направляется на рабочие лопатки 2. усилие вызванное потоком вращает диск 3 и связанный с ним вал 4. Диск с закрепленными на нем лопатками и валом – называется ротор.

Один ряд сопл и 1диск с рабочими лопатками составляют ступень турбины.

В реальных условиях при расширении рабочего тела появляются потери на трение и вихревое движение. Эти потери превращаются в теплоту и повышенную энтальпию рабочего тела за соплом в результате уменьшается располагаемый теплоперепад и скорость потока. На лопатках рабочего колеса кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу. Скорость потока относительно стенок канала, вращающихся рабочих лопаток называется относительной скоростью.

КПД ступени является важным показателем, т.к определяет общи кпд турбины. КПД ступени есть отношение полезной работы ступени к располагаемому теплоперепаду или кинетической энергии потока перед ступенью:

ή _ст = l _ст /∆ h_ст

В одноступенчатой активной ступени (рис 12.4)

пар поступает в одно или несколько сопл, приобретает в них значительную скорость и направляет на рабочие лопатки 5. отработанный пар удаляется ч/з выхлопной патрубок 8. ротор турбины состоит из закрепленных на нем лопаток и вала 1 и заключен в корпус 6. в месте прохода вала ч/з корпус установлены передние 2 и задние7 лабиринты уплотнения. Т.к весь теплоперепад срабатывается в одной ступени, то скорости потока в соплах оказываются большими.

Наивысший кпд, когда окружная скорость активной турбины = половине скорости потока.

Вследствие больших центробежных сил на лопатках по условиям прочности можно допустить вдвое меньшую окружную скорость, поэтому одноступенчатая турбина Лаваля имеет низкий кпд и мощность. Активный принцип обеспечивает мах. возможное понижение температуры перед рабочими лопатками за счет его расширения. А это облегчает условия работы лопаток. КПД активной турбины можно увеличить уменьшив окружную скорость до 300м/с и использовать рабочее колесо с 2мя рядами лопаток(рис12.5) – двухвенчатый диск Кертиса.(рис 1.4)

Неподвижные направляющие лопатки изменяют направление скорости потока, что позволяет перераспределять кинетическую энергию между 2мя венцами рабочего колеса и дает возможность повысить начальную скорость и кпд ступени. Двухвенчатый диск Кертиса используется как первая ступень современных многоступенчатых турбин. Активные турбины со ступенями давления применяются в качестве привода(рис.21.6).

включает 1 – сопло, 2 – входной патрубок, 3 – рабочая лопатка первой ступени, 4 – сопла, 5 – рабочая лопатка второй ступени, 6 – сопла, 7 – рабочая лопатка третей ступени, 8 – выхлопной патрубок, 9 – диафрагма.

Ступени отделены друг от друга диафрагмами в которых встроены сопла. В таких турбинах давление уменьшается в сопловых каналах и остается постоянным в каналах между рабочими лопатками.

Абсолютная скорость пара ступени называемой ступенью давления увеличивается в соплах и уменьшается на рабочих лопатках. Т.к объем пара в ступени увеличивается, то геометрические размеры проточной части по ходу пара увеличивается.

Применение ступеней давления позволяет достичь умеренных значений скорости потока и обеспечить высокий кпд.