Осевые турбины. Особенности устройства и работы осевых турбин. Достоинства и недостатки осевых и радиальных турбин

Конструктивные схемы ГТД Их классификация. Принцип действия радиальных и осевых турбин

Тема 1.2 Конструктивные схемы ГТД

Лекция №2

Основные вопросы:

1. Конструктивные схемы ГТД Их классификация. Принцип действия радиальных и осевых турбин.

2. Осевые турбины. Особенности устройства и работы осевых турбин. Достоинства и недостатки осевых и радиальных турбин

Турбомашины – это роторные лопаточные устройства непрерывного действия, в которых рабочее тело (воздух, газообразные продукты сгорания топлива, пар и др.) движется в межлопаточных каналах, осуществляя обмен энергиями в результате взаимодействия с поверхностью лопаток. Турбомашины делятся на два вида – турбины (вырабатывают механическую энергию) и компрессоры (потребляют механическую энергию).

Турбомашины делятся на четыре типа:

· радиальные;

· осевые;

· одноступенчатые;

· многоступенчатые.

При этом турбины и компрессоры могут как радиальными, так и осевыми, как одноступенчатыми, так и многоступенчатыми.

Рис. 1. Виды и типы турбомашин.

Рассмотрим особенности устройства и работы радиальной турбины, широко применяемой например в наддувочных турбокомпрессорах. Схема устройства радиальной турбины изображена на рис. 7.1. Из подводящего патрубка 1 газы поступают в сопловой аппарат 2 и далее в рабочее колесо 3, представляющее собой крыльчатку с радиальными лопатками. Выходные кромки рабочих лопаток загнуты таким образом, чтобы направление вектора абсолютной скорости газа на выходе было близко к осевому (поэтому более строго было бы называть такие турбины радиально-осевыми). Окружные скорости на входе в рабочее колесо и₁ и на выходе из него и ₂ имеют разные значения. Так как диаметр рабочего колеса на входе d₁ больше среднего диаметра на выходе d₂ то при одном и том же числе оборотов п

Рис. 7.1

Относительная скорость газа изменяется не только вследствие расширения, но и под действием сил инерции, которые в центростремительной турбине замедляют скорость перетекания газа в межлопаточных каналах рабочего колеса. Для преодоления тормозящего влияния центробежных сил при движении газа от периферии к центру рабочего колеса центростремительные турбины всегда выполняются реактивными, со средней степенью реактивности ρ = 0,45÷0,55. Малые перепады давления газа в рабочем колесе (при малых ρ) могут оказаться недостаточными для преодоления центробежных сил, и тогда относительная скорость газа на выходе может стать равной нулю. Момент сил, действующих на рабочие лопатки турбины,

,

где и - соответственно радиусы входной и выходной кромок рабочего колеса (см. рис. 7.1); .

Работа газа

,

где - угловая скорость вращения ротора турбины.

При

Подставив (7.3) в (7.2), получим формулу для определения работы

,

Здесь характеризует использование кинетической энергий газа, образованной в сопловом аппарате; соответствует работе, полученной вследствие ускорения газа в рабочем колесе; соответствует работе центробежной силы, действующей на 1 кг газа при изменении окружной скорости от и₁ до и₂.

В центростремительной турбине и₁ > и₂, поэтому работа центробежной силы суммируется с первым и вторым членами формулы (7.4) и увеличивает работу L_u. В центробежной турбине и₂ > и₁ поэтому L_е имеет положительный знак и уменьшает суммарную работу турбины L_u.

Так как в качестве наддувочных турбин применяются как осевые, так и радиальные, следует учитывать их относительные преимущества и недостатки.

Преимущества осевых турбин по сравнению с радиальными:

· более высокий к.п.д. при повышенных расходах газа и диаметрах рабочего колеса (d > 150 мм);

· меньшие окружные скорости при равных оборотах вала вследствие применения рабочего колеса меньших размеров для достижения одинаковой мощности;

· лучшая вибрационная прочность рабочих лопаток, что особенно важно при использовании потока газов с переменным давлением перед сопловым аппаратом;

· легкость ротора и простота конструкции корпуса турбины.

Недостатки осевых турбин:

· меньший к.п.д. при малых размерах рабочего колеса (d_K < 150 мм). Чем меньше объемный расход газа, тем меньше высота лопаток осевой, турбины, больше потери и меньше к.п.д. При увеличении расхода газа и размеров турбины уменьшаются относительные потери, поэтому к.п.д. осевой турбины становится больше, чем к.п.д. радиальной турбины;

· сложность конструктивного выполнения системы регулирования соплового аппарата.

Преимущества радиальных центростремительных турбин (по сравнению с осевыми):

· больший к.п.д. турбины при относительно малых расходах газа (Q_Г<2 м³/сек) и размерах рабочего колеса (d < 150 mm);

· простота конструкции и надежность рабочего колеса, выполняемого в виде единой отливки;

· возможность выполнения регулируемого соплового аппарата по сравнительно простой конструктивной схеме;

· возможность получения равных мощностей при меньшем числе оборотов.

Недостатки радиальных центростремительных турбин:

· повышенные размеры рабочего колеса, что приводит к росту окружной скорости при равном числе оборотов и к снижению надежности и срока службы подшипников;

· сравнительно низкий к.п.д. при больших расходах газа и мощности турбины.

Осевые турбины применяют в тех случаях, когда надо обеспечить значительные расходы газа и мощность при большом сроке службы. Радиальные центростремительные турбины целесообразно использовать для малых расходов газа и мощностей. Отечественный типоразмерный ряд турбокомпрессоров (ГОСТ 9658-66) предусматривает применение осевых турбин, начиная с диаметра d = 18 см и до d = 64 см (ТК) и радиальных центростремительных турбин от d = 7 см до d = 23 см (ТКР).

Классификация ГТД может производиться по их конструктивным особенностям.

Корабельные ГТД могут иметь в своём составе несколько компрессоров и турбин, а также теплообменные аппараты: охладитель воздуха между компрессорами и подогреватель воздуха перед камерой сгорания, использующий теплоту выхлопных газов (регенератор). Поэтому, часто двигатели различают по числу основных турбомашин на однокомпрессорные и двухкомпрессорные. Больше двух компрессоров в ГТД не применяется.

Применение нескольких компрессоров имеет целью увеличить давление воздуха перед камерой сгорания, что позволяет при высоких температурах газа достичь хорошей экономичности двигателей. Два компрессора, последовательно сжимающих воздух, требуют, чтобы их вращали отдельные турбины, так как в противном случае компрессоры работают неустойчиво. Третью турбину добавляют для вращения потребителя мощности, например, гребного винта. Вращать одновременно компрессор и гребной винт не всегда удобно для обеспечения устойчивости работы компрессора.

Вспомогательные газотурбинные двигатели чаще всего выполняют однокомпрессорными с турбиной, которая одновременно вращает компрессор и электрогенератор. Такая простая конструкция оказывается удобной для получения от генератора стабильного напряжения при резких колебаниях нагрузки.

Главные газотурбинные двигатели обычно имеют два компрессора и три турбины, последовательно размещённые вдоль общей оси. Двухкомпрессорные газотурбинные двигатели сложнее по конструкции, но зато более экономичны на пониженной мощности.

2. Особенности устройства и работы осевых турбин. Достоинства и недостатки осевых и радиальных турбин

Преимущества осевых турбин по сравнению с радиальными:

· более высокий к.п.д. при повышенных расходах газа и диаметрах рабочего колеса (d > 150 мм);

· меньшие окружные скорости при равных оборотах вала вследствие применения рабочего колеса меньших размеров для достижения одинаковой мощности;

· лучшая вибрационная прочность рабочих лопаток, что особенно важно при использовании потока газов с переменным давлением перед сопловым аппаратом;

· легкость ротора и простота конструкции корпуса турбины.

Недостатки осевых турбин:

· меньший к.п.д. при малых размерах рабочего колеса (d_K < 150 мм). Чем меньше объемный расход газа, тем меньше высота лопаток осевой, турбины, больше потери и меньше к.п.д. При увеличении расхода газа и размеров турбины уменьшаются относительные потери, поэтому к.п.д. осевой турбины становится больше, чем к.п.д. радиальной турбины;

· сложность конструктивного выполнения системы регулирования соплового аппарата.

Преимущества радиальных центростремительных турбин (по сравнению с осевыми):

· больший к.п.д. турбины при относительно малых расходах газа (Q_Г<2 м³/сек) и размерах рабочего колеса (d < 150 mm);

· простота конструкции и надежность рабочего колеса, выполняемого в виде единой отливки;

· возможность выполнения регулируемого соплового аппарата по сравнительно простой конструктивной схеме;

· возможность получения равных мощностей при меньшем числе оборотов.

Недостатки радиальных центростремительных турбин:

· повышенные размеры рабочего колеса, что приводит к росту окружной скорости при равном числе оборотов и к снижению надежности и срока службы подшипников;

· сравнительно низкий к.п.д. при больших расходах газа и мощности турбины.

Осевые турбины применяют в тех случаях, когда надо обеспечить значительные расходы газа и мощность при большом сроке службы. Радиальные центростремительные турбины целесообразно использовать для малых расходов газа и мощностей. Отечественный типоразмерный ряд турбокомпрессоров (ГОСТ 9658-66) предусматривает применение осевых турбин, начиная с диаметра d = 18 см и до d = 64 см (ТК) и радиальных центростремительных турбин от d = 7 см до d = 23 см (ТКР).

Дата добавления: 2014-01-05