Принцип действия и классификация турбинных ступеней.

ВВЕДЕНИЕ

Введение в теорию турбинной ступени является первым разделом курса Энергетические машины («Теория турбин»), читаемого в ПИМаш студентам специальности 101400. В данном курсе излагаются основные сведения об особенностях процесса ступеней паровых и газовых турбин, являющихся главными частями паро- и газотурбинных установок. Возможность действия этих установок обеспечивается наличием рабочего тела (рабочей среды), выступающего посредником при преобразовании теплоты в работу. Паровые и газовые турбины схожи по характеру изменения состояния рабочего тела. И в тех и в других его давление и температура вдоль проточной части уменьшаются.

Уточним понятия: турбина и турбоустановка.

Турбина – турбомашина, в которой осуществляется процесс расширения рабочего тела с преобразованием его энергии в техническую работу.

Турбоустановка – совокупность турбины с другими элементами, необходимыми для осуществления замкнутого цикла изменений состояния рабочего тела, связанных с превращением теплоты в работу.

Паровые и газовые турбины применяются в самых различных отраслях народного хозяйства: в энергетике как приводы электрогенераторов, в промышленности  как  приводы технологического оборудования, на транспорте и т. п.

Энергетические турбины, работающие в составе тепловых электростанций на органическом топливе и в составе атомных электростанций, производят ~80% вырабатываемой в России электрической энергии. Курс Энергетические машины («Теория турбин») читается применительно к крупным паровым и газовым турбинам для электростанций. Задачей курса как единого целого является изучение студентами общей теорий рабочего процесса паровых и газовых турбин и основных методов его расчета.

В этом разделе «Введение в теорию турбинной ступени» рассмотрены различные физические аспекты рабочего процесса, получены основные уравнения, описывающие его, определены силы, действующие со стороны потока на венец облопачивания, и показана связь характеристик рабочего процесса с критериями подобия.

ГЛАВА 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

И КЛАССИФИКАЦИЯ ТУРБИННЫХ СТУПЕНЕЙ

Рабочий процесс в турбинной ступени весьма сложен и поэтому труден для анализа. В связи с этим в дальнейшем изложении мы покажем его трактов­ки, соответствующие различным чертам явления. Для лучшего понима­ния идей, положенных в основу классификации турбинных ступеней, от­дельные ее понятия объясняются при рассмотрении конкретных тракто­вок рабочего процесса.

1.Термодинамическая трактовка работы турбинной ступени

1.1. Преобразование энергии при установившемся течениИ на входе и выходе из ступени

Исходя из первого закона термодинамики, можно определить тех­ническую работу  развиваемую турбинной ступенью, не имея ин­формации о происходящих в ней процессах. Достаточно знать состояния рабочей среды во входном и выходном сечениях ступени, расход ее через ступень и интенсивность теплообмена с внешней средой.

Представим себе ступень в виде некоторого канала (рис.1), в который среда входит через сечение 0-0 и выходит через сечение 2-2. В упомянутых се­чениях движение считаем устано­вившимся, а пара­метры среды из­вестными и неиз­менными. Процес­сы, происходящие между сечениями 0-0 и 2-2 неиз­вестны.

В связи с установившимся характером потока массовые расходы рабочей среды  и  через контрольные сечения 0-0 и 2-2 по за­кону сохранения массы равны. Среда между упомянутыми сечениями не накапливается и не уменьшает своего количества. Для простоты пред­ставим, что == 1 кг/с рабочей среды. В соответствии с рис.1 обозначим количество теплоты, подведенной извне к ступени, , техническую работу, развиваемую ступенью и отводимую внеш­ним потребителям, . При этом >0 и >0.

Составим энергетический баланс ступени для отрезка времени, за который через сечения 0-0 и 2-2 входит и выходит 1 кг рабочего те­ла. В соответствии с законом сохранения энергии для одномерного по­тока без учета влияния сил тяжести

                                 .               (1)

Поскольку                                  ,                                              (2)

запишем уравнение (1)            

или                                           .                                               (3)

Надстрочный индекс «*» присвоен параметрам торможения. Выражения (1) и (3) справедливы независимо от количества теплоты  и его знака, а также от степени необратимости процесса между сечени­ями 0-0 и 2-2.

Для адиабатического процесса =0 и, уравнение (3) из­менится следующим образом:

                                                          .                                              (4)

Здесь подстрочный индекс «ад» обозначает, что процесс между сечениями 0-0 и 2-2 является адиабатическим, необратимым. Условное изображение процесса в ступени, соответствующее уравнению (4), по­казано на рис.2,а. При заданных параметрах торможения на входе в ступень, расходе рабочей среды G=1кг/с, давлении  за  ступенью    и  скорости   с   ростом необратимости процесса