Принцип действия и классификация турбинных ступеней., страница 3

Для удобства изложения материала обозначим основные контрольные сече­ния проточной части осевой турбинной ступени, изображенной на рис.4, с учетом введенных ранее индексов.

0-0 - сечение перед ступенью (на вхо­де в венец сопловых лопаток);

1-1 - сечение за сопловыми лопатками (перед венцом рабочих лопаток); 2-2 - сечение за ступенью (на выходе из венца рабочих лопаток).

Между входным и выходным сечени­ями турбинной ступени расширение ра­бочего тела в общем случае происходит в межлопаточных каналах сопловых лопаток (от давления  до давления  в межвенцовом зазоре ступени) и в межлопаточных каналах венца рабочих лопаток (от давления  до давления  за ступенью). Для случая изоэнтропического течения схема процесса расширения рабочего тела в турбинной ступени показа­но на рис.5 в координатах I-S, где

 -  изоэнтропический перепад энтальпий в турбинной ступени, определяемый состоянием торможения перед ней и статическим давлением за ней;

 - изоэнтропический перепад энтальпий в сопловом ап­парате, определяемый состоянием торможения перед ним и статическим давлением в межвенцовом зазоре;

 - изоэнтропический перепад энтальпий в венце рабочих лопаток по статичес­ким давлениям перед вен­цом и за ним или реактивный перепад в рабочих лопатках.

Обозначим  следующую величину

                                                           ,                                                         (9)

Отношение  называют термодинамической степенью ре­активности. Подчеркнем, что  - отношение реактивного перепада в рабочих лопатках  к изоэнтропическому перепаду в турбинной ступени .

По степени реактивности турбинные ступени делятся на активные и реактивные.

Если степень реактивности ступени равна нулю (= 0, =, = 0) и в межлопаточных каналах рабочего венца расширение рабо­чего тела не происходит, то такая ступень называется активной. Если степень реактивности >0, >, >0, то сту­пень называется реактивной. Иногда при малых степенях реактивности () в практике смешивают оба эти понятия, называя ступень «активной с малой степенью реактивности». Поскольку такое смешение может привести к путанице, для упомянутых ступеней предпочтительно название «ступени с малой степенью реактивности».

В некоторых случаях давление  в межвенцовом зазоре  может  оказаться меньшим, чем давление за ступенью  (<, <0). В связи с повышением давления в лопатках рабочего венца реактивный перепад  и степень реактивности  (<0, <0 ) стано­вятся отрицательными. Подобное  диффузорное течение в рабочей решетке приводит к росту необратимых потерь механической энергии. Поэтому отрицательной степени реактивности <0 следу­ет избегать. Чаще всего она встречается в корневых сечениях лопа­точных венцов рабочих решеток на нерасчетных режимах обтекания этих решеток.

Отметим, что понятия «активная решетка» или «диффузорная ре­шетка» относятся только к венцам рабочих лопаток. В ступенях паро­вых и газовых турбин сопловые решетки всегда являются реактивными и работают при >.

2. Трактовка работы турбинной ступени с позиций

теоретической механики

2.1. Момент количества движения и крутящий момент

Для того, чтобы турбинная ступень совершала работу, на ротор со стороны рабочих лопаток должен действовать крутящий момент. Он создается при взаимодействии с лопатками частиц рабочей среды. Ес­ли взять отдельную частицу рабочей среды, то внешний момент сил, действующий на нее, равен производной от момента количества движения частицы (обозначим его ).

Для записи выражения элементарного  частицы массой m относи­тельно оси ротора разложим ее скорость на три составляющих (рис.6).

 - проекция вектора скорости   на направление оси ротора,

 - то же на направление радиуса, проходящего через частицу,

 - то же на окружное направление.

Проекции  и  не дадут состав­ляющих в , поэтому для элементарной частицы  относительно оси ротора запишем: .