3. Преобразование энергии пара в активной и реактивной турбинных ступенях

а). Преобразование энергии пара в активной турбинной ступени

Пусть изображенные на рис.8 решетки относятся к активной турбинной ступени. Пар поступает в направляющую (сопловую) решетку с давлением Р_о. Скорость пара на входе в сопла близка к нулю. Сопловые каналы выполняются сходящимися, поэтому при течении через направляющую решетку давление пара падает, а скорость возрастает (потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию). На выходе из сопловой решетки давление пара равно Р_d, а его скорость равна С₁. Направление скорости С₁ характеризуется углом α₁, между вектором и плоскостью вращения турбины, впредь которые будем называть:

С₁ – абсолютная скорость выхода пара из направляющего аппарата (из сопел);

α₁ – угол выхода пара из направляющего аппарата (из сопел).

Пройдя осевой зазор δ_α между обеими решетками, пар поступает в рабочую решетку. Но, рассматривая течение пара в рабочих лопатках, следует иметь в виду, что они вращаются вместе с ротором. Применительно к схеме рис.8 это означает, что рабочая решетка движется с окружной скоростью u. Скорость u по отношению к движению пара является переносной скоростью. Вычитая из вектора вектор , получим вектор , определяющий относительную скорость пара на входе в рабочую решетку. Направление скоростиW₁ характеризуется углом β₁.

Заметим, что когда, говорится о течении пара через каналы рабочей решетки, имеет смысл рассматривать только относительное движение пара, т.е. связывать оси координат с вращающимися рабочими лопатками. Если на рабочих лопатках поместить наблюдателя с измерительными приборами, то эти приборы во входном сечении решетки зарегистрируют скоростьW₁ и угол β₁.

Впредь будем называть:

W₁ – относительная скорость входа пара в рабочую решетку;

β₁ – угол входа пара в рабочую решетку.

Треугольник, образованный векторами , и называется входным треугольником скоростей. Отметим, что скоростьС₁ иногда называют абсолютной скоростью пара, подчеркивая, что эта скорость измеряется в координатах, связанных с неподвижной направляющей решеткой. Отметим также, что отсчет углов входного треугольника α₁ и β₁ производится от оси, направление которой совпадает с направлением движения лопаток.

В активной ступени, где импульс потока пара непосредственно передается лопатками, скорость W₁ должна быть достаточно большой, а ее направление – близким к направлению движения лопаток, т.е. угол β₁ должен быть небольшим. Это возможно только в том случае, если скорость пара С₁ существенно больше окружной скорости лопаток. Другими словами, поток пара необходимо «разогнать» в направляющем аппарате до такой скорости, которая обеспечила бы активное воздействие струи пара на движение лопатки.

Построение входного треугольника скоростей позволило перейти от «абсолютного» к относительному движению пара. Пар поступает на рабочие лопатки со скоростью W₁ (в осевом зазоре скорость практически не меняется). Поскольку ступень активная (каналы между рабочими лопатками имеют постоянное сечение), то давление и скорость пара при течении через рабочую решетку не меняется – в относительном движении лопатки неподвижным и пар не совершает работы. Поэтому давление Р₁, за рабочей решеткой равно давлению перед решеткой Р_d, а скорость пара W₂ за рабочей решеткой близка к скорости входа W₁. (В действительности все же скорость W₂ будет незначительно меньше W₁, из–за трения). Но направление потока пара резко изменяется – пар выходит из решетки под углом β₂ к плоскости вращения турбины.

Впредь будем называть:

W₂ – относительная скорость выхода пара из рабочей решетки;

β₂ – угол выхода пара из рабочей решетки.

Для того чтобы вернуться к «абсолютному» движению пара необходимо к вектору относительной скорости прибавить вектор окружной скорости , выполнив сложение, получим скорость пара за ступенью и угол α₂. Треугольник, образованный векторами , и называется выходным треугольником скоростей.

Подчеркнем, что отсчет углов выходного треугольника β₂ и α₂ производится от оси, направление которой противоположно направлению движения лопаток. Поэтому в активной решетке, где каналы имеют постоянное сечение, угол β₂ по своей величине оказывается близким к углу β₁.

Из треугольников скоростей видно, что абсолютная скорость пара и его кинетическая энергия при течении через рабочую решетку резко уменьшается: от скорости С₁ перед рабочими лопатками до скорости С₂ за рабочими лопатками, т.к. на рабочих лопатках осуществляется преобразование кинетической энергии пара в механическую работу вращения вала турбины.

Обычно при построении треугольников скоростей их вершины совмещают в одной точке, называемой полюсом. На рис.8 показано такое построение, причем форма треугольников характерна именно для активной ступени. Подчеркнем особенности треугольников скоростей активной ступени:

• величина скорости пара W₂ на выходе из рабочей решетки близка к скорости пара на входе W₁;

• угол выхода потока β₂. близок к углу входа β₁., т.к. рабочие лопатки симметричны;

• скорость пара С₁ существенно больше окружной скорости лопаток u

• скорость С1 больше чемW2 .

Таким образом, в активных ступенях четко выражены два этапа преобразования энергии пара. В направляющем аппарате осуществляется преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую; давление пара падает, а скорость возрастает. На рабочих лопатках потенциальная энергия пара не изменяется, а кинетическая энергия преобразуется в механическую работу; давление пара остается неизменным, а его скорость (в «абсолютном» движении) падает от значения С₁ до значения С₂.

б). Преобразование энергии пара в реактивной ступени

Теперь рассмотрим особенности преобразования энергии в реактивной ступени.

На рис. 10 показаны направляющая и рабочая решетки реактивной ступени. Направляющая решетка неподвижна, а рабочая перемещается с окружной скоростью u.

Процесс течения пара через направляющую решетку происходит так же, как и в случае активной ступени: давление падает от Р_о до Р_d, а скорость возрастает до С₁. Построив входной треугольник скоростей, можно определить относительную скорость W₁ на входе в рабочую решетку и угол входа β_1.

Вреактивной ступени пар поступает на рабочие лопатки с небольшой относительной скоростью, «активное» воздействие пара на лопатки практически отсутствует. Поэтому скорость параС₁ не должна быть очень большой – достаточно «разогнать» пар в направляющем аппарате до скорости, приблизительно равной скорости лопаток и обеспечить плавный вход пара в рабочую решетку под углом β₁.

На рабочих лопатках расширение пара продолжается. Давление пара падает отР₀ до Р₁, и за счет этого скорость пара в относительном движении увеличивается от W₁ до W₂. Пар выходит из рабочей решетки со сравнительно большой скоростью, поэтому кроме аэродинамических сил появляется реактивная сила, заставляющая ротор турбины вращаться. При этом направление потока почти противоположно направлению движения лопаток, т.е. угол β₂ должен быть небольшим.

Построив выходной треугольник скоростей, определим абсолютную скорость пара на выходе из ступени С₂ и угол α₂.

На рис.11 показаны характерные треугольники скоростей реактивной ступени. Подчеркнем их особенности:

• скорость пара на выходе из рабочей решетки W₂ значительно больше скорости W₁;

• скорости W₂≈С_1.;

• угол выхода пара из рабочей решетки β₂ малый, обычно угол β₂ равен углу α₁; т.к. профили направляющих и рабочих лопаток одинаковы;

• скорость пара С₁ по величине близка к окружной скорости рабочих лопаток u.

Таким образом, процесс преобразования энергии в реактивной ступени имеет свои особенности. В направляющем аппарате некоторая часть потенциальной энергии пара преобразуется в кинетическую энергию; давление падает, а скорость возрастает. На рабочих лопатках продолжается процесс преобразования потенциальной энергии пара в кинетическую: давление падает от Р_d до Р₁, а скорость (в относительном движении) увеличивается от значения W₁ до значения W₂. Одновременно на рабочих лопатках осуществляется преобразование кинетической энергии в механическую работу; скорость пара в абсолютном движении падает от значения С₁ до значения С₂.

Лекция №3
Тема:	Определение скоростей выхода пара из каналов турбинной решетки(ТР). Форма каналов ТР.
Учебная цель:	Дать систематизированные основы научных знаний о порядке определения скоростей выхода пара из каналов турбинной решетки
Учебные вопросы:	Определение скорости выхода пара из каналов направляющих аппаратов и рабочей решетки. Работа на окружности. Понятие о степени реакции Форма каналов турбинной решетки.
Литература:	[1. c. 29÷42