Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Рабочий процесс в газовой турбине




§ 15. Рабочий процесс в ступени турбины

В ступенях турбины потенциальная энергия газа, имеющего начальное давление р0 и температуру То, преобразуется в механи­ческую энергию. Поток газа (рис. 76, а), вышедший со скоростью Ci из сопловой решетки 1 под углом cti, попадает в каналы рабо-

р,

а)

6)

Рис. 76. Схемы скоростей потока (о) и усилий (б) в ступени турбины: / — сопловая решетка, 2 — рабочая решетка

чей решетки 2 со скоростью wit называемой относительной ско­ростью газа, равной; разности векторов с4 и и и составляющей угол f$i с окружной скоростью и.

При обтекании рабочей решетки, газ изменяет направление и частично ускоряется, расширяясь от. давления р\ в зазоре между сопловой и рабочей решетками до давления р2 за рабочими лопат­ками. При выходе из рабочей решетки газ имеет относительную скорость Шг и абсолютную скорость сг.

Таким образом, значение и направление скорости газа изменя­ются в результате воздействия на поток некоторого усилия, прикладываемого к нему со стороны рабочих лопаток. Если R' уси­лие, с которым лопатки действуют на струю газа, то струя газа воздействует на лопатки с равным по значению, но противополож­ным по направлению усилием R (рис. 76, б). Это усилие создает • крутящий момент на дисках и роторе турбины, который вращает роторы компрессора и потребителя мощности ГТУ.

Рабочие ^лопатки движутся по окружности вместе с 'диском с угловой скоростью о). Следовательно, окружная скорость рабочей решетки «=(od/2, где d — диаметр ступени. Составляющие уси­лия R, действующие на лопатку в окружном Ru и в осевом Ra на­правлениях, можно определить так:

Ru*= G (cx cos <*! + са cos <ха); Ra s= G (cx sin <*! — са sin аа) -(- Q, (px — p2),

где G — расход газа через ступень; Й=я(*/П2— dK2)—площадь кольца, занятая рабочими лопатками (du и dK — диаметры пери­ферии и корня рабочих лопаток).

Усилие Ru, действующее на все рабочие лопатки турбины в окружном направлении, создает крутящий момент, который вра­щает ротор турбины и производит работу. Усилие Ra работы не совершает, так как ротор не перемещается в осевом направлении, чему препятствует упорный подшипник.

Мощность Nu, которую развивает поток газа на рабочих ло­патках одной ступени (мощность на лопатках турбины), равна произведению составляющей Ru на окружную скорость и, т. е. Nu=Ruu. Мощность Nu эквивалентна удельной работе Lu, кото­рую совершает поток газа при расходе 1 кг/с, т. е. LU==NU/G.

Состояние газа перед ступенью оп­ределяется его температурой То и давле­нием Ро торможения. Этому состоянию газа в Л, s-диаграмме соответствует эн­тальпия t0 (рис. 77). Отрезок от t0 ДО-точки О соответствует кинетической энер­гии газа, имеющего на входе в сопловую решетку скорость с0. Если бы в сопловой решетке не было потерь, процесс расши­рения закончился бы при давлении р4 и энтальпии /й- Вследствие потерь в сопловой решетке, которые преобразуют­ся в теплоту, процесс расширения газа заканчивается в точке 1 при том же дав­лении pi, однако при более высокой эн­тальпии it.



От точки / начинается процесс рас­ширения газа в рабочей решетке. Если бы потери в ней отсутствовали, процесс расширения протекал бы при постоянной энтропии и закончился бы при давлении

Рис. 77. Тепловой процесс ступени турбины в i, s-диаг­рамме

р2 и энтальпии in- Вследствие потерь реальный процесс расшире­ния газа в рабочей решетке заканчивается в точке 2 при том же давлении, но при более высокой энтальпии fc. Скорость истечения газа из сопловой решетки определяется по формуле

'„ - 'и) =

где t'n — энтальпия, определяемая для изоэнтропийного„процесса расширения газа при давлении за сопловой решеткой рг, Aoc=io — — tit — располагаемый теплоперепад на сопловую решетку; ф= = ci/c« — коэффициент скорости, показывающий, как отличается скорость истечения газа сх из реальной сопловой решетки от ско­рости истечения газа сц из идеальной сопловой решетки, в кото­рой потери отсутствуют.

Потери энергии в' сопловой решетке (Дж/кг)

Мс = с V2 — сха/2 = tc<V2,

где £с =1—ф2 — коэффициент потерь в сопловой решетке.

* Энтальпию за сопловой решеткой определяют с учетом потерь ti=tit+AAc. Если скорость й известна, относительную скорость на входе в рабочую решетку определяют по треугольнику скоро­стей:



wl='l/"c1*-f «*—2мс1соэа1.

Относительную скорость выхода газа из рабочей решетки рас­считывают по формуле

где t2t — энтальпия в конце изоэнтропийного расширения газа в рабочей решетке при давлении рг; /*op=ti^t2t — располагаемый теплоперепад на рабочую решетку; г|з — коэффициент скорости, имеющий тот же физический смысл, что и для сопловой решетки, и равный отношению скоростей (■ty = W2/w2t).

Для сопловой и рабочей решеток коэффициенты скорости мень­ше единицы (ф=0,954-0,98; г|з=0,89-^-0,97).

Потеря энергии в рабочей решетке ступени турбины (Дж/кг) равна разности энтальпий:

Д/1Р = », — iu = (w\tша*)/2 = Срш22</2,

где £р=1—ф2 — коэффициент потерь в рабочей решетке.

Абсолютную скорость газа с2 за ступенью турбины определя­ют по треугольнику скоростей (см. рис. 76):

V w.

2uw2cos

Если кинетическая энергия газа, покидающего ступень со ско­ростью Сг, не может быть использована в последующих элементах турбины, она также преобразуется в теплоту. Если располагае­мую энергию данной ступени обозначить через Ео, то удельная полезная работа будет отличаться от нее на значения потерь в сопловой и рабочей решетках и с выходной скоростью ААВо= = с22/2:

Lu = Б* Ыгс — Д/1р — Мвс.

Обычно под располагаемой энергией ступени подразумевают разность £о=Яо — ивсса2^, где Л>= (со2/2)+/1о= (с02/2)+Лос + /гор — располагаемый теплоперепад на ступень, отсчитываемый от пара­метров торможения рй, То (см. рис. 77), a хвсс22/2 — доля кинети­ческой энергии уходящего из ступени газа, которая используется в следующей ступени. Если энергия выходящего газа не исполь­зуется, коэффициент Хвс=0, а если полностью используется в сле­дующей ступени, хвс=1- Обычно 0^квс^1.

Отношение удельной полезной работы Lu к располагаемой энергии ступени Ео называют относительным' лопаточным кпд: t\oa=Lu/Eo. Относительный лопаточный кпд зависит от отношения и/Сф, степени реакции, коэффициентов скорости <р и -ф иуглов <ii и р*2 выхода потока из решеток. Скорость Сф— некоторая фиктив­ная скорость, соответствующая кинетической энергии, равной рас­полагаемому теплоперепаду /го=Сф2/2. Характер изменения отно­сительного лопаточного кпд ступени зависит в основном от потерь с выходной скоростью £вс, а также в сопловой £0 и рабочей £Р ре­шетках (рис. 78), которые характеризуют относительные потери:

Ъ * Мс0; СР = ДУ£О.

Рис. 78. Зависимость кпд сту­пени турбины от зазора (о): / — корпус, 2 — диск

 

("KL-

Рис. 79. Течение газа в зазоре между диском и корпусом турбины в мери­диональной плоскости (а) и распре­деление окружных скоростей поперек

Эти потери будут минимальны в том случае, когда газ за сту­пенью движется вдоль оси турбины, т. е.угол а2=90° и скорость газа с2 минимальна. ^ Отношение и/Сф обычно выбирают таким, чтобы относительный* лопаточный кпд был наибольшим.

Кроме потерь в решетках и с выходной скоростью в ступени турбины дополнительно теряется часть энергии" из-за трения по­верхностей вращающегося диска о газ, а также из-за того, что часть газа проходит мимо сопловой или рабочей решетки. При вращении диска 2 газ в зазоре между ним и корпусом / также приводится в движение (рис. 79, а) и, вращаясь вокруг оси тур­бины, одновременно движется вдоль плоскостей диска (рис. 79, б). На вращение диска в камере ступени, заполненной газом, расхо­дуется мощность NTp.

В промежуточной ступени турбины часть газа Giy проходит в зазор между обоймой сопловой решетки и ротором (рис. 80), минуя сопловую решетку, а часть газа Gz? уходит через зазор между вершинами рабочих лопаток и кор­пусом турбины и не создает полезной рабо­ты. Для уменьшения утечек газа в турбине устанавливают уплотнения (рис. 81, а — г).

Потери мощности из-за утечек, связан­ные с тем, что часть газа не участвует в вы­борке полезной мощности, и искажающие течение основного потока газа, обозначим ДЛ^у. Мощность, которая передается валу турбины от одной ступени Л/,-ст, называемая внутренней мощностью, оказывается мень­ше мощности Nu, развиваемой потоком га­за на рабочих лопатках ступени, на значе­ние дополнительных потерь:

Рис. 80. Перетечки газа в ступени турбины

Nu-\Nip-ANy.

Коэффициент полезного действия, учитывающий все эти, поте­ри, называют внутренним относительным кпд ступени:

ЪГ - Лу#0 = (NJNO) - (ANrv/N0) - {ANy/N0) = т,ол — Стс - ; у..


mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2019 год. (0.019 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал