Международный государственный экологический университет им. А. Д. Сахарова

Международный государственный экологический университет им. А. Д. Сахарова International Sakharov Environmental University Энергопреобразующие машины Тема Теоретические основы работы турбинной ступени

Принцип работы турбинной ступени 1. Преобразование потенциальной энергии рабочего тела (пара, газа) в кинетическую энергию потока Паровая (газовая) турбина -тепловой двигатель ротативного типа с непрерывным рабочим процессом и двукратным преобразованием тепловой энергии рабочего тела в механическую работу вращения вала.

Принцип работы турбинной ступени Преобразование потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую энергию потока осуществляется в соплах. Сопла - каналы переменного сечения. В турбинах преимущественно применяют суживающиеся сопла. На выходе суживающегося сопла максимально может быть достигнута скорость звука (Мах=1). При этом устанавливается критический расход рабочего тела и сопло "запирается", т.е. больше оно не способно пропустить через себя.

Принцип работы турбинной ступени Для достижения сверхзвуковых скоростей на выходе из сопла применяют комбинированные (расширяющиеся) сопла (сопло Лаваля) - для получения больших сверхзвуковых скоростей потока на выходе из канала. В расчетном режиме на выходе скорость потока сверхзвуковая (Мах>1). Через все сечение канала устанавливается максимально возможный «критический"расход. В неподвижном сопловом аппарате турбины параметры рабочего тела : давление, температура, теплосодержание уменьшаются, а скорость рабочего тела возрастает.

В турбине сопла набирают путем установки специально спрофилированных лопаток. Однотипные лопатки устанавливают с постоянным шагом "на кольцо". Неподвижные (сопловые) лопатки в целом называют сопловым аппаратом. 1. Преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую энергию потока

Преобразование кинетической энергии потока в механическую энергию ротора турбины Процесс реализуется на роторе - валу с рабочими колесами. Рабочее колесо -диск с рабочими лопатками. Рабочие лопатки, как и сопловые, профилируются по определенному закону. Рабочие лопатки образуют каналы переменного сечения, как и в сопловом аппарате. Совокупность соплового аппарата и рабочего аппарата называется ступенью турбины. 1- сопло (неподвижная насадка); 2- рабочие лопатки; 3 – диск; 4- вал турбины. Схема простейшей турбины 1883 — 1889 гг. – изобретена активная паровая турбина ( К.П. Густав де Лаваль)

Схема действия центробежной силы частиц пара на рабочую лопатку С1 - скорость струи рабочего тела поступающей на рабочую лопатку; С2 - скорость струи уходящего рабочего тела ; Р – вектора центробежных сил выделенных частиц рабочего тела а, б, в; Ра, Рu - составляющие вектора Р, направленные по оси турбины (Ра), и по направлению движения лопаток (Рu); Составляющие Ра вследствие симметричной формы профиля лопаток взаимно уничтожаются, а составляющие Ри суммируются и совершают работу перемещения лопатки.

Принцип действия активный турбинной ступени В активной ступени тепловой перепад перерабатывается полностью в неподвижном сопловом аппарате. Р2 = Р1 В каналах рабочей решетки не происходит расширения рабочего тела. Активная ступень - расширение рабочего тела происходит в соплах или в каналах между неподвижными направляющими лопатками.

Принцип действия реактивной турбинной ступени Реактивная ступень - расширение рабочего тела происходит в направляющих каналах и между рабочими лопатками. Тепловой перепад перерабатывается не только в неподвижном сопловом аппарате, но и на вращающейся рабочей решетке. Р2 > Р1 В результате этого в рабочей решетке возникает дополнительная сила - реактивная сила, РЕАКТИВНОСТЬ. На лопатку действуют две силы: центробежная и реактивная.

Распределение давления на поверхности рабочих лопаток Рабочее тело с высокой скоростью из сопловых каналов попадает в каналы рабочей решетки и поворачивается, обтекая профили. Поток неразрывен, поэтому спинка профиля обтекается быстрее (путь длиннее - скорость больше - давление меньше), а вогнутая часть обтекается медленнее (путь струи меньше - скорость меньше – давление больше). Результирующая окружных проекций давлений на вогнутой стороне больше, чем на спинке. В результате этого и возникает окружное усилие Ru, вращающее диск, закрепленный на валу. Преобразование энергии в турбинной ступени

Изменение давления и скорости рабочего тела в реактивной ступени Разность давлений р1 и р2 у входа и выхода из каналов рабочих лопаток создает добавочную силу Ракс, которая действует на лопатку вдоль оси ротора и в сумме с равнодействующей силой Р дает результирующее усилие Ррез.

Реактивность турбинной ступени Реактивность ступени - отношение располагаемого теплового перепада рабочей решетки Н02 к располагаемому тепловому перепаду ступени Н0 В реактивных ступенях реактивность больше нуля, так как весь тепловой перепад ступени срабатывается по частям: Н01 - в неподвижном сопловом аппарате, Н02 - во вращающейся рабочей решетке. В ступени активного типа реактивность нулевая, так как весь тепловой перепад ступени перерабатывается в сопловом аппарате.

В ступени активного типа преобразование потенциальной энергии в кинетическую осуществляется только в неподвижном сопловом аппарате. На рабочих лопатках кинетическая энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения ротора за счет появления окружного усилия из-за поворота потока в каналах, близких по форме к цилиндрическим. В ступени реактивного типа преобразование потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую происходит как в неподвижном сопловом аппарате, так и в каналах рабочей решетки. На рабочих лопатках механическая энергия вращения ротора получается как сумма: а) окружного усилия из-за поворота потока при обтекании профилей, б) реактивной силы вследствие дополнительного расширения рабочего тела в каналах рабочей решетки (это достигается специальным профилированием лопаток, образующих каналы суживающиеся или расширяющиеся). Выводы

КПД турбинной ступени Потери энергии потока в сопловой решетке Потери энергии потока в рабочей решетке Потери энергии потока с выходной скоростью Полезная работа потока в турбинной ступени Hu = H0- D H1+D H2+D Hвс), кДж/кг Относительный лопаточный КПД ступени КПД ступени в относительных величинах

Зависимость удельного расхода тепла и КПД от нагрузки

Виды турбин по количеству ступеней а) – одноступенчатая; б) – многоступечатая