1. Активные паровые турбины. Реактивные паровые турбины, степень реактивности.

Турбина– двигатель в котором теплота рабочего тела последовательно преобразуется в кинетическую энергию струи, а затем в механическую работу. Вытекающий из сопла поток рабочего тела ,обладающий значительной кинетической энергией, действует на лопатки с силой которая зависит в большей степени от формы их поверхности. Расчеты показывают что при прочих равных условиях, например, при заданной скорости истечения и расходе рабочего тела с наибольшей силой поток будет действовать на лопатку форма которой будет обеспечивать поворот его на 180 градусов.(рис 1.1)

Если позволить лопаткам перемещаться под действием струи с одинаковой скоростью, то движение газа обеспечивает и наибольшую мощность, т.е для получения механической работы поток должен не ударятся об лопатку ,а обтекать ее плавно без завихрений ,но использовать наиболее выгодный профиль лопаток для турбомашины невозможно, т.к практически невозможно при вращательном движении диска с лопатками подать на них газ в направлении совпадающим с плоскостью вращения. Поэтому в турбинах струя газа вытекающая из неподвижного сопла подается на лопатки изогнутые под некоторым углом и по конструктивным соображениям этот угол =11-16градусов,а иногда 20-30градусов.

Рассмотренный принцип действия потока на поверхность лопаток – активный. В отличии от реактивного ,когда сила создается за счет реакции струи вытекающей из сопла.

Реактивная сила направлена согласно 3-му закону Ньютона в сторону противоположную истечению газа.

Турбины, где весь располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока в соплах, а в каналах расширение тела не происходит (p=const)называются активными турбинами.

В простейшей активной турбине (рис12.2)

рабочее тело поступает в сопло 1,разгоняется в нем до высокой скорости и направляется на рабочие лопатки 2. усилие вызванное потоком вращает диск 3 и связанный с ним вал 4. Диск с закрепленными на нем лопатками и валом – называется ротор.

Один ряд сопл и 1диск с рабочими лопатками составляют ступень турбины.

В реальных условиях при расширении рабочего тела появляются потери на трение и вихревое движение. Эти потери превращаются в теплоту и повышенную энтальпию рабочего тела за соплом в результате уменьшается располагаемый теплоперепад и скорость потока. На лопатках рабочего колеса кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу. Скорость потока относительно стенок канала, вращающихся рабочих лопаток называется относительной скоростью.

КПД ступени является важным показателем, т.к определяет общи кпд турбины. КПД ступени есть отношение полезной работы ступени к располагаемому теплоперепаду или кинетической энергии потока перед ступенью:

ή _ст =l_ст /∆h_ст

В одноступенчатой активной ступени (рис 12.4)

пар поступает в одно или несколько сопл ,приобретает в них значительную скорость и направляет на рабочие лопатки 5. отработанный пар удаляется ч/з выхлопной патрубок 8. ротор турбины состоит из закрепленных на нем лопаток и вала 1 и заключен в корпус 6. в месте прохода вала ч/з корпус установлены передние 2 и задние7 лабиринты уплотнения. Т.к весь теплоперепад срабатывается в одной ступени ,то скорости потока в соплах оказываются большими.

Наивысший кпд , когда окружная скорость активной турбины = половине скорости потока.

Вследствие больших центробежных сил на лопатках по условиям прочности можно допустить вдвое меньшую окружную скорость ,поэтому одноступенчатая турбина Лаваля имеет низкий кпд и мощность. Активный принцип обеспечивает мах. возможное понижение температуры перед рабочими лопатками за счет его расширения. А это облегчает условия работы лопаток. КПД активной турбины можно увеличить уменьшив окружную скорость до 300м/с и использовать рабочее колесо с 2мя рядами лопаток(рис12.5) – двухвенчатый диск Кертиса .(рис 1.4)

Неподвижные направляющие лопатки изменяют направление скорости потока ,что позволяет перераспределять кинетическую энергию между 2мя венцами рабочего колеса и дает возможность повысить начальную скорость и кпд ступени. Двухвенчатый диск Кертиса используется как первая ступень современных многоступенчатых турбин. Активные турбины со ступенями давления применяются в качестве привода(рис.21.6).

включает 1 – сопло,2 – входной патрубок,3 – рабочая лопатка первой ступени,4 – сопла, 5 – рабочая лопатка второй ступени,6 – сопла,7 – рабочая лопатка третей ступени,8 – выхлопной патрубок,9 – диафрагма.

Ступени отделены друг от друга диафрагмами в которых встроены сопла. В таких турбинах давление уменьшается в сопловых каналах и остается постоянным в каналах между рабочими лопатками.

Абсолютная скорость пара ступени называемой ступенью давления увеличивается в соплах и уменьшается на рабочих лопатках. Т.к объем пара в ступени увеличивается , то геометрические размеры проточной части по ходу пара увеличивается.

Применение ступеней давления позволяет достичь умеренных значений скорости потока и обеспечить высокий кпд.

Реактивные паровые турбины

Ступень турбины представляет собой вращающийся диск с соплами из-за сложности конструирования, особенно многоступенчатых турбин чисто реактивные турбины не создавались. Реактивный принцип используют в летательных аппаратах. (рис 12.7)

Практически реактивными называются турбины у которых располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока не только в соплах, но и на рабочих лопатках.

Отношение теплоперепада на рабочих лопатках к располагаемому теплоперепаду называется степенью реактивности.

При степени реактивности равной нулю – то это чисто активная ступень. Весь располагаемый теплоперепад, а следовательно и перепад давления срабатывается в сопловом аппарате, превращаясь в скоростной напор. При степени реактивности равной 1 весь располагаемый теплоперепад срабатывался бы на рабочих лопатках – это чисто реактивная ступень.

Современные мощные паровые турбины выполняют многоступенчатыми с определенной степенью реактивности. В каждой ступени такой турбины расширение рабочего тела происходит не только в сопловых каналах, но и на рабочих лопатках. В ступени срабатывается лишь часть общего перепада давления на Турине и при большом числе ступеней разность давления в отдельных ступенях получается небольшой, а скорость потока умеренной. Реактивность на лопатках постепенно увеличивается от ступени к ступени. На первых ступенях степень реактивности принимаем 0,06-0,15, а на последних 0,5.