Паровые турбины. Газотурбинные установки. Двигатели внутреннего сгорания, страница 5

Сопловый аппарат (один или несколько сопел) вместе с рабочими лопатками образуют ступень давления турбины.

Таким образом, в отличие от поршневой машины турбина обеспечивает непрерывный процесс превращения энергии рабочего тела в механическую работу.

По принципу работы пара на лопатках турбины делятся на активные и реактивные.

В активных турбинах (или отдельных ступенях) работа пара на лопатках предшествует процесс полного расширения пара в соплах с преобразованием тепловой (потенциальной) энергии в кинетическую, т.е. скоростную.

Таким образом, турбины, (рис 1.1) у которых расширение пара от начального Р₀ до конечного Р₁ давления происходит в соплах, а лопатки служат для превращения кинетической энергии струи пара во вращательное движение ротора, называются активными (давление по обе стороны рабочих лопаток постоянное).

В таких турбинах весь располагаемый теплоперепад (∆ht) преобразуется в кинетическую энергию потока в соплах, а в каналах между рабочими лопатками расширения не происходит, (давление рабочего тела не меняется).

В простейшей активной турбине рабочее тело поступает в сопло (или группу сопел) разгоняется в нем до высокой скорости и направляется на рабочие лопатки, а усилия от действия потока в каналах рабочих лопаток вращают диск и вал, которые совместно и образуют ротор, и один ряд сопел и один диск с рабочими лопатками составляют ступень.

Первые образцы турбин были активные турбины Лаваля, в которых паровой поток двигался в направлении оси турбины (т.е. осевые турбины или аксиальные).

Приращение кинетической энергии в соплах можно определить по уравнению сохранения энергии для стационарного потока, движущегося без теплообмена и без совершения механической работы

                                                           dc + dh = 0,                     (1.1)

или в интегральной форме:

                                                  ,           (1.2)

где С_0, h₀ – скорость и энтальпия потока перед соплом;

      C_1T, h_1T – теоретическая скорость и энтальпия потока на выходе из сопла (скорость – м/ик, энтальпия – ккал/кг).

Если принять С₀ = 0, то:

                                                  ,           (1.3)

где ∆h_T  – располагаемый теплоперепад, соответствующий скорости C_1T.

В реальных условиях расширение рабочего тела появляются потери на трение и вихревое движение. Эти потери кинетической энергии превращаются в теплоту и повышают энтальпию рабочего тела за соплом, в результате уменьшается ∆h_T, а скорость потока будет:

                                                          ,                    (1.4)

где φ_С – коэффициент скорости сопла. Обычно φ_С = 0,95 – 0,98.

Величина φ_С зависит от размеров сопел, качества их обработки и скорости пара. Для более высоких сопел, тщательно фрезерованных сопел берут в расчетах и более высокие значения φ_С.

Величина коэффициент потери энергии в соплах:

                                                           ,                     (1.5)

В расчетах принимают приближенно .

Часто в расчетах пользуются графиками: , где l₁ –  высота сопла.

Для расширяющихся сопел берут φ меньше, чем для суживающихся.

И сопловые и рабочие лопатки имеют криволинейный профиль. Вследствие кривизны лопаток при обтекании их паровым потоком по обеим стенкам каждой лопатки устанавливается разное давление: большее на вогнутой стороне и меньшее на выпуклой.

Образующаяся результирующая сила заставляет двигаться рабочие лопатки, происходит вращение ротора (преобразование в ступени турбины тепловой энергии пара в механическую работу на ее вал).

Вследствие трудности учета потерь энергии для упрощения расчетов допускаются некоторые приближения к реальному процессу, т.е. процесс расширения пара принимают стационарным, т.е. неизменным по времени режим работы турбины в целом и каждой в отдельности, а паровой поток рассматривается как одномерный.