Тема 8. Типы тепловых двигателей Область применения различных типов тепловых двигателей; классификация.

ТЕПЛОВЫЕ ТУРБОМАШИНЫ

Классификация, принпип действия

н рабочий процесс в паровых и газовых

турбинах

Паровые и газовые турбины (рис. 1,а,б) это тепловые расширительные турбома-шины, в которых потенциальная энергия нагретого и сжатого пара (газа) при его расширении в лопаточном аппарате превращается в кинетическую энергию, а затем в механическую работу на вра­щающемся налу. К турбомашинам отно­сятся и турбокомпрессоры (рис. 1, в, г) преобразующие механическую энергию, подводимую к валу, в потенциальную энергию сжатого воздуха (газа) при его торможении в лопаточном аппарате. Вращающиеся лопатки, закрепленные на роторе турбомашины, изменяют полную энтальпию рабочего тела, при этом про­изводится положительная (в турбинах) или отрицательная (в компрессорах) работа.

Ступени осевой турбомашины обра­зуют проточную часть. Процесс расши­рения в осевой турбине или сжатия в осевом компрессоре происходит в од­ной или нескольких ступенях.

В зависимости от характера расшире­ния рабочего тела различают активные и реактивные ступени турбины. В актив- ных ступенях потенциальная энергия пара (газа) преобразуется в кинетическую только в сопловых аппаратах, и кинети­ческая энергия используется для враще­ния рабочих лопаток. В реактивных сту­пенях расширение рабочего тела начина­ется в сопловом аппарате и продолжа­ется в каналах рабочих лопаток, име­ющих конфигурацию реактивного сопла. Полезная работа совершается в актив­ной ступени только вследствие измене­ния направления потока рабочего тела, а в реактивной еще благодаря силе реакции, возникающей при расширении рабочего тела в межлопаточных ка­налах.

Турбомашины классифицируют по не­скольким признакам. По направлению течения рабочего тела различают осевые {рис. 1,а,в) и радиально-осевые или радиальные (рис. 1, б, г) турбомашины. В осевых турбинах нар (газ) движется в основном в направлении, параллель­ном оси турбины; в радиальных поток направлен от периферии к оси ротора (центростремительные турбины, рис. 1.6) или от оси к периферии (центро­бежные турбины); радиальные турбо­компрессоры обычно называют центро­бежными (рис. 1, г).

Осевая многоступенчатая турбина (рис. 1,а) состоит из вращающегося ротора 1 и неподвижного корпуса 3. Ротор несет ряды закрепленных на нем рабочих лопаток 8. Перед каждым ря­дом рабочих лопаток в корпусе устанав­ливаются сопловые лопатки 9 (в паровых турбинах их часто называют направля­ющими). Для уплотнения зазоров между ротором и корпусом применяются кон- цевые 5 и промежуточные 7 уплотнения. Для подвола и отвода рабочего тела служат соответственно входной 2 и вы­ходной 4 патрубки, выполняемые либо в виде улиток, как показано на рис. 1, а, либо в виде кольцевых кана­лов. Принципиальная конструктивная схема осевого турбокомпрессора (рис. 1, б) подобна схеме турбины.

Радиально-осевая (центростремитель­ная) турбина (рис. 1,б) включает ротор 1 и корпус 3. Ротор представляет собой рабочее колесо, несущее обычно изго­тавливаемые за одно целое с ним рабо­чие лопатки 8. Из входного патрубка (улитки) 2 рабочее тело поступает в соп­ловой аппарат 9, а затем на рабочее колесо. Иногда сопловой аппарат 9 выполняют без лопаток; в этом случае специально спрофилированная входная улитка служит безлопаточным сопловым аппаратом. Центробежный компрессор (рис. 1, г) имеет аналогичные элементы.

Понятие о решетках турбомашин и треугольниках скоростей. В общем слу­чае поток рабочего тела в турбомашине является трехмерным неустановившимся (его параметры в любой точке периоди­чески меняются во времени). Анализ работы турбомашин с учетом особен­ностей рабочего процесса оказывается очень сложным, и полому для решения задачи принимается ряд упрощающих допущений: поток рабочего тела счита­ется двухмерным установившимся, па-раме гры во всех точках рассматрива­емого поперечного сечения проточной части принимаются одинаковые.

В большинстве ступеней турбомашин определенного типа (турбин или ком­прессоров) происходят одинаковые про­цессы, поэтому вначале рассмотрим про­цесс в одной ступени.

Сопловую и рабочую решетки рассечем цилиндрическими поверхностями (сече­ния А —А и Б—Б, рис. 1), оси которых совпадают с осью решетки, развернем сечения на плоскости и получим плоские решетки профилей (рис. 2). Скорости движения рабочего тела в ступени можно представить в виде сторон треуголь­ников: абсолютная скорость w_a, отно­сительная w_r, окружная (переносная) w_u. Расчет ступени обычно проводится по параметрам в осевых зазорах между рядами лопаток (осевые линии, рис. 1 и 2). Параметры (скорость, температу­ра, давление, углы и т. д.) имеют индек­сы, соответствующие обозначениям се­чений: за сопловым аппаратом (сечение 1 — 1) второй индекс «1», за рабочим колесом (сечение 2 —2) второй индекс «2». Проекции скоростей на осевое направ­ление отмечены штрихом сверху, на окружное направление — двумя штри­хами сверху.

В ступени турбины давление р₀ перед сопловым аппаратом больше давления p_l за ним, поэтому поток в сопловом аппарате разгоняется: скорость w_al>w_a0

(рис. 2, а). Межлопаточные каналы в любом сечении являются конфузорными (при дозвуковых скоростях w_al) или кон-фузорно-диффузорными (при сверхзвуко­вых скоростях w_al).

Ввиду криволинейности межлопаточ­ного канала соплового аппарата поток в нем закручивается и выходит под углом . При окружной скорости w_ul рабочего колеса в рассматриваемом ци­линдрическом сечении в межлопаточные каналы рабочего колеса поток поступает со скоростью , В этих каналах поток принимает направление, близкое к осево­му (обычно 85-90°), причем

< < w_al и основная часть кинетической энергии струи преобразуется в механи­ческую работу колеса.

Аналогичным образом получаются треугольники скоростей осевого компрессора (рис. 2,6), у которого давле­ние в каждом лопаточном ряду повы­шается, а межлопаточные каналы явля­ются диффузорными.

Рабочий процесс в ступенях паровых и газовых турбин. Изменение парамет­ров в ступени турбины в основном определяется соотношением проходных сечений соплового аппарата и рабочего колеса. При некотором соотношении се­чений статическое давление p_l перед рабочим колесом равно давлению p₂ за ним (активная ступень, рис. 3, а) или больше его (реактивная ступень, рис. 3,6). При p_l / p₂ 1,0-1,05 ступень условно также считается активной.

Паровая и газовая турбины — турбины, в которых в качестве рабочего тела используется соответственно пар и газ.

Ступень — это совокупность неподвижного соплового аппарата и вращающегося рабочего колеса (в турбине) или вращаю­щегося рабочего колеса и неподвижного спрямляющего аппа­рата (в компрессоре).

Сопловая и рабочая решетка — совокупность определенным образом расположенных в соответствующем ряду сопловых (или спрямляющих) или рабочих лопаток.

Рис. 1.

Схемы основных типов турбин и

турбокомпрессоров:

а — осевая турбина; б — радиально-оеевая (центростремительная) турбина: в — осевой компрессор; г — центробежный компрессор; ] — ротор; 2 — входной патрубок (улитка): 3 — корпус; 4 — выходной патрубок (улитка); 5 — концевые уплотнения: 6 — подшипниковые узлы; 7 — промежуточные уплотнения; 8 — рабочая лопатка; 9 — сопловая лопатка; 10 — спрямляющая лопатка ,11 — лопаточный диффузор; 12 — безлопаточный диффузор

Рис. 2.

Схемы плоских решеток профилей осевых турбомашин:

а — турбины; б — компрессора

Рис. 3.

Изменения давления р, абсолютной w_a и относительной w_r скоростей и энтальпии I в ступенях осевой турбины:

а — в активной; б — в реактивной