Процессы в турбине. Основные понятия и показатели

Рассмотрим процессы, протекающие в сопловом аппарате и рабочем колесе турбины, по диаграмме в координатах i-S (рис. 7.2). Перед входом в СА (а при отсутствии его – перед улиткой) газы имеют скорость и соответственно удельную кинетическую энергию . Состояние газа характеризуют параметры:

• статические: энтальпия , давление , температура ;

• заторможенного потока, соответственно: , , .

На выходе с РК скорость и энергия , а параметры состояния газа в конце расширения статические (и заторможенного потока): энтальпия , давление , температура .

7.2. Диаграмма процессов расширения газа в турбине

При адиабатном расширении газа в СА (или улитке) и РК турбины его состояние изменяется по прямой линии , а по параметрам заторможенного потока по линии .

В механическую энергию преобразуется удельное количество тепловой энергии (располагаемого теплоперепада):

• по статическим параметрам ;

• по параметрам заторможенного потока

.

После преобразований получим соответствующие уравнения для удельной потенциальной и кинетической энергии эквивалентной теплоперепаду, Дж/кг:

; (7.1)

, (7.2)

где - изобарная теплоёмкость газа; - показатель адиабаты расширения газа в турбине и газовая постоянная.

Таким образом, в СА и РК турбины потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию потока газа, а затем на лопатках РК в механическую энергию на валу ротора турбины, эквивалентную адиабатному теплоперепаду .

В политропном процессе удельная работа расширения газа, например по статическим параметрам, определяется по уравнению

. (7.3)

Соотношение между показателем адиабаты и показателем политропы устанавливает зависимость , где политропный коэффициент .

Конструктивные и эксплуатационные качества турбины характеризуют: степень понижения давления газа, степень реактивности, коэффициент напора, пропускная способность, мощность, КПД и др. показатели.

Отношения давлений и называются степенью понижения давления газа в турбине.

Располагаемый теплоперепад при расширении газа может срабатываться (преобразовываться в кинетическую энергию) или только в сопловом аппарате , или в СА и на лопатках рабочего колеса

.

В зависимости от этого различают активные и реактивные турбины.

Активные – это турбины, в которых расширение газа происходит только в сопловом аппарате. Реактивные – это турбины, в которых расширение газа происходит в СА и РК.

Степенью реактивности турбины называется отношение .

В осевых турбинах 0,5, а в радиально-осевых 0,45…0,55.

В турбокомпрессорах применяют только реактивные турбины, что объясняется их лучшей приспособленностью к работе двигателя на переменных режимах.

Теоретическая скорость движения газа, которую может обеспечить теплоперепад , определяется по уравнению .

Параметры заторможенного потока на входе в турбину могут вычисляться по уравнениям ; ,

где - критерий Маха равный отношению скорости газа перед турбиной к местной скорости звука в газовом потоке .

Коэффициент напора характеризуют возможности турбины по использованию энергии газа. Здесь - окружная скорость на наружном диаметре рабочего колеса турбины.

Важными показателями турбины являются её пропускная способность F и коэффициент полезного действия .

Пропускная способность турбины характеризует гидравлическое сопротивление, вносимое в систему выпуска двигателя турбиной. Она вычисляется по результатам

испытаний турбины по уравнению , (7.4)

где - расход газа, а - плотность газа на выходе из турбины.

Пропускная способность турбины представляет собой эффективное сечение отверстия, гидравлическое сопротивление которого равно суммарному сопротивлению СА и проточной части РК.

КПД турбины характеризует эффективность преобразования в ней тепловой энергии в механическую.

Адиабатный КПД турбины, оценивающий совершенство процессов расширения газа в СА и РК, определяется по уравнению

, (7.5)

где - потери энергии в СА, оцениваемые уменьшением кинетической энергии газа на выходе из СА при действительном перепаде давлений; - потери при входе газа в межлопаточный канал РК; - потери кинетической энергии с выходной скоростью ;

- потери на трение диска; - потери из-за утечек рабочего тела через уплотнения.

Эффективный КПД учитывает дополнительно механические потери в турбине , где механический КПД .

Мощность турбины рассчитывается по уравнению . (7.6)

7 .3. Осевые турбины

Схема осевой турбины и планы скоростей газа приведены на рис. 7.3 (фрагмент).

Рис. 7.3. Схема осевой турбины

Газ, имеющий запас тепловой энергии, соответствующий теплоперепаду , через входное газоподводящее устройство (ГПУ) поступает на лопатки соплового аппарата (СА) с абсолютной скоростью . В межлопаточных каналах СА потенциальная энергия давления газа преобразуется (обычно частично) в кинетическую энергию. При этом срабатывается теплоперепад , давление и температура газа снижаются, соответственно увеличивается скорость потока газа на выходе до значения .

На лопатки рабочего колеса (РК) турбины газ поступает с абсолютной скоростью и относительной . Из плана скоростей следует , где - вектор окружной скорости на среднем диаметре рабочего колеса турбины. Проекция абсолютной скорости на направление окружной скорости всегда больше окружной скорости .

В межлопаточных каналах РК происходит дальнейшее уменьшение температуры и давления газа. При этом срабатывается теплоперепад . Поворот газового потока в межлопаточном канале РК создает центробеж- ную силу, которая действует на лопатки. Такое воздействие потока на лопатки РК называется активным. Кроме того, при расширении потока газа в межлопаточном канале, вследствие различия скоростей газа на выпуклой и обратной поверхностях лопаток, возникает дополнительная сила, действующая на лопатки РК. Выход газа из рабочего колеса со скоростью создаёт воздействие, которое называется реактивным. Оба воздействия потока и создают крутящий момент на валу турбины.

Оптимальное соотношение средних диаметров турбины и центробежного компрессора в выполненных конструкциях турбокомпрессоров находится в пределах .

Дата добавления: 2014-10-17