Тема №2: Понятие ступени осевой турбины

При создании своих турбин Лаваль и Парсонс шли разными путями.

Отличительной особенностью турбин Лаваля было то, что расширение пара происходило только в соплах. Преобразование кинетической энергии струй пара на выходе из сопел в механическую энергию вращения ротора осуществлялось без дальнейшего расширения пара, а только за счет изменения направления потока в каналах рабочих лопаток (лопаток, закрепленных на колесе). Турбины, работающие по такому принципу получили название активных или импульсных.

Паровая турбина, предложенная Парсонсом существенно отличалась от турбины Лаваля.

Расширение пара в ней происходило не в одной сопловой группе, а в ряде следующих друг за другом ступеней, каждая из которых состояла из неподвижных закрепленных в корпусе сопловых и рабочих лопаток, расположенных на роторе и вращающихся вместе с ним.

В каждой ступени срабатывался таким образом перепад давления, составляющий лишь часть полного перепада на турбину.

Именно это позволило работать с меньшими скоростями потока и частотами вращения ротора.

Кроме того, расширение пара в турбине Парсонса происходило не только в сопловой, но и в рабочей решетках. Поэтому рабочее колесо передавало усилие на ротор не только вследствие изменения направления потока пара, но и благодаря ускорению пара в каналах рабочего колеса, т.е. вследствие возникновения реактивного усилия.

Турбины такого типа (расширение пара в равной степени происходит в сопловом аппарате и рабочем колесе) получили название реактивных.

В настоящее время разница между активными и реактивными турбинами стерлась – и те и другие делаются многоступенчатыми. Однако конструктивные отличия сохраняются (об этом мы поговорим позже).

Как уже должно стать понятным, процесс расширения пара в турбине происходит в ряде последовательно расположенных друг за другом ступеней. Таким образом, ступень является важнейшим и основным элементом турбомашины.

Задачей инженера, проектирующего турбину, является такая организация потока в каждой отдельной ступени, при которой потери будут наименьшими, и тем самым обеспечить высокий КПД турбины в целом.

Это невозможно сделать без глубоких знаний процессов, происходящих в ступени турбомашины.

Изучением этих процессов мы и займемся в первой части нашего курса.

Преобразование энергии в турбинной ступени

Разберемся для начала с принципом работы турбинной ступени и процессами преобразования энергии, которые в ней протекают.

Турбинная ступень образуется из неподвижной (сопловой) и вращающейся (рабочей) лопаточных решеток, расположенных друг за другом по ходу движения рабочего тела.

В каждой решетке лопатки одинаковы, установлены под одним углом и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.

Далее мы будем рассматривать ступени только осевых турбомашин, которые получили наибольшее распространение при относительно больших мощностях агрегатов.

На рис. 2.1 снизу представлена схема осевой турбинной ступени.

У турбинной ступени принято различать следующие сечения ступени: 0–0 –перед СА; 1–1 – за СА; 1’–1’ – перед рабочим колесом, 2–2 – за рабочим колесом или за ступенью. Параметры потока (давления, температуры, скорости и др.) в этих сечениях отличаются индексами, соответствующими номеру сечения.

Каждый венец лопаток в ступени выполняет свои функции.

В сопловом аппарате (СА) потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию потока . Другими словами в сопловом аппарате увеличивается скорость потока за счет снижения давления и температуры рабочего тела.

В рабочем колесе ступени за счет обмена импульсами движения между потоком рабочего тела и лопаточным аппаратом рабочего колеса накопленная кинетическая энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения ротора . Кроме того, в РК продолжается преобразование потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую энергию потока. Естественно, что оба эти процесс происходят одновременно.

Как видим, принцип преобразования энергии в турбинной ступени довольно прост. Вместе с тем, при более детальном рассмотрении процессов, протекающих в ступени, возникают некоторые нюансы, связанные с тем, что один венец лопаток неподвижен (СА), а другой вращается вместе с ротором (РК).

Кинематика турбинной ступени

Если мысленно рассечь лопатки ступени цилиндрической поверхностью А–А (рис. 2.1) и развернуть на плоскость, то сечения лопаток представляются в виде рядов профилей, образующих решетки профилей соплового аппарата и рабочего колеса (рис. 2.2).

Подвод рабочего тела к сопловому аппарату, как правило, выполняется осевым, т.е. поточный угол a₀, под которым направлена скорость С ₀, равен 90°. Скорость С ₀ – это скорость рабочего тела на входе в сопловой аппарат ступени.

Изогнутые межлопаточные каналы СА формируют сужающийся (конфузорный) канал ( > ) и тем самым обеспечивают увеличение скорости от до . Само сужение канала возможно только при условии, что a₁<a₀. Поэтому этом поток в СА не только ускоряется, но и разворачивается. Таким образом на выходе из соплового аппарата скорость потока будет равна и направлена под углом a₁.

Скорость выхода пара из сопловой решетки наглядно изображается вектором С ₁. Однако на профили движущейся рабочей решетки пар будет поступать не под углом a₁ а под другим углом, так как решетка вращается с окружной скоростью U. В результате пар натекает на рабочие лопатки под углом b₁ с относительной скоростью W ₁, равной разности векторов скоростей С ₁ и U.

Здесь используется правило теоретической механики, согласно которому абсолютная скорость () равна сумме относительной () и переносной скоростей ():

.

Построенные таким образом векторы образуют треугольник, часто называемый входным треугольником скоростей.

Для безударного обтекания потоком лопаток и во избежание срывов потока передние кромки РЛ необходимо ориентировать по направлению скорости .

Пар, поступив в каналы рабочей решетки, взаимодействует с ее профилями, создавая окружную силу, вращающую диск.

Каналы рабочего колеса также выполняются сужающимися – это позволяет реализовать дальнейшее преобразование потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую энергию потока. Сужения канала можно добиться только при условии, что > , что возможно если задние кромки необходимо направить таким образом, чтобы .

Таким образом, в каналах РК поток рабочего тела разворачивается и ускоряется от скорости на входе до скорости на выходе из РК.

Покидает пар рабочую решетку с относительной скоростью W ₂, под углом выхода b₂.

Рис. 2.2. Плоские решетки профилей лопаточных венцов ступени: схема течения продуктов сгорания в ступени турбины и основные геометрические характеристики профилей лопаток:

, , , − площадь проходного сечения на входе и выходе межлопаточного канала в СА и РК соответственно

Абсолютная скорость выхода пара С ₂ представляет собой сумму векторов W ₂ и U. Она будет составлять угол a₂ с плоскостью вращения. Полученный треугольник векторов скоростей называют выходным треугольником скоростей.

Здесь также используется правило теоретической механики, согласно которому абсолютная скорость () равна сумме относительной () и переносной скоростей ():

Полученные таким образом треугольники скоростей обычно совмещают и кратко называют треугольниками скоростей (рис. 2.3). Они позволяют лучше понять, каким образом в ступени внутренняя энергия пара превращается в работу.

Рис. 2.3. План (треугольники) скоростей осевой турбинной ступени

Таким образом, поток рабочего тела в турбинной ступени характеризуется рядом кинематических характеристик:

– абсолютная скорость потока на входе в ступень (СА);

a₀ – угол, с которым поток входит в ступень (СА) в абсолютном движении;

– абсолютная скорость потока на выходе из СА;

a₁ – угол выхода потока из СА в абсолютном движении;

– относительная скорость потока на входе в РК;

b₁ – угол входа потока в РК в относительном движении;

– относительная скорость потока на выходе из РК;

b₂ – угол выхода потока из РК в относительном движении;

– абсолютная скорость потока на выходе из ступени;

a₂ – угол выхода потока из ступени в абсолютном движении;

-- окружная скорость рабочего колеса. Здесь -- диаметр, котором определяется скорость, -- частота вращения ротора.

Следует подчеркнуть, что абсолютные кинематические параметры потока определяются относительно неподвижного соплового аппарата.

Если те же самые скорости измерить относительно вращающегося рабочего колеса, то мы будем иметь относительные кинематические параметры.

Для треугольников турбинной ступени существуют соотношения, которые не могут быть нарушены, т.к. в противном случае ступень перестает выполнять свои функции:

и

.

Помимо приведенных выше кинематических параметров в теории турбомашин очень широкое распространение нашли проекции скоростей.

Всего выделяют два вида проекции: окружные (на ось u) и осевые (на ось a), см. рис. 2.3.

Окружные проекции используются при вычислениях мощностных показателей ступени (см. ниже). Приведем основные уравнения для их вычисления:

;

;

;

.

При этом окружные проекции обладают следующими свойствами:

;

.

Осевые проекции характеризуют расход рабочего тела через сечения ступени. Приведем основные уравнения для их вычисления:

;

.

В общем случае .

Треугольники скоростей занимают особое место в теории ступени турбомашин – по их характеру можно получить практически полную информацию о характеристиках ступени. А именно:

- вычислить работу, совершаемую ступенью, и ее мощность;

- вычислить КПД ступени;

- определить к какому типу относиться ступень: активному или реактивному;

- определить степень оптимальности той работы, которая приходится на данную ступень (недогружена или перегружена ступень);

- можно оценить форму профилей сопловой и рабочей лопатки.