Принцип действия турбин и лопаточных компрессоров

Турбинные двигатели отличаются тем, что они кинетическую энергию рабочего тела преобразуют в механическую работу, поэтому потенциальная энергия газа должна быть предварительно преобразована в кинетическую. С этой целью рабочее тело (газ или пар) расширяется в соплах турбины, где он приобретает определенную скорость и затем, проходя по каналам между лопатками рабочего колеса, отдает часть энергии. Последний приводится во вращение и совершает механическую работу. В общем случае, преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую может происходить не только в соплах, но и в каналах рабочего колеса.

Типичная схема турбины приведена на рис.1.1. Газ входит в решетку 5 сопловых лопаток и расширяется в ней от начального давления Ро до давления Р₁ (рис.1.2), которое в частном случае может равняться давлению на выходе из турбины Р₂. При расширении газа в соплах скорость его возрастает от начальной С₀ до С₁. Это преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую подчиняется уравнению энергии. Для энергетически изолированного процесса течения:

, (1.1)

где разность начальной и конечной энтальпий рабочего тела или тепловой перепад в соплах.

В правой части формулы (1.1) показано приращение кинетической энергии 1 кг газа, эквивалентное тепловому перепаду.

Выражение

представляет собой начальную энтальпию заторможенного потока рабочего тела, поэтому выражение (1.1) можно переписать:

. (1.2)

Уравнение (1.2) можно использовать для определения скорости истечения из сопел С₁. С этой скоростью, направленной под углом α₁ (рис.1.2) к фронтальной плоскости сопловой решетки, рабочее тело попадает на решетку рабочих лопаток, движущихся относительно сопловой решетки с окружной скоростью u. Вектор относительной скорости w₁ потока при входе в рабочие лопатки находят вычитая из вектора абсолютной скорости c₁ вектор окружности скорости u (скорость переносного движения).

Из межлопаточных каналов рабочего колеса рабочее тело выходит с относительной скоростью w₂, которая может быть больше или меньше w₁. При проходе через каналы рабочей решетки газ меняет свое направление. Вследствие поворота струи, а также (в большинстве случаев) её ускорения возникает сила, приложенная к лопаткам, которая при вращении диска совершает механическую работу. Возникновение этой силы объясняется тем, что на обеих сторонах профиля лопатки образуется разное давление.

Если поток газа направлен параллельно оси вращения турбины, то такая турбина называется осевой (рис.1.1). В радиальных турбинах газ движется, в основном, по радиусу турбины, как показано, например, на рис.1.3 представляющем схему центростремительной турбины. Рабочее тело движется от периферии к центру, расширяясь сначала в сопловом аппарате, а затем между рабочими лопатками, которые на рисунке изображены радиальными. Последние могут быть изогнутыми, причем угол β₁, в этом случае не равен 90°. На выходе рабочие лопатки загнуты так, что абсолютная скорость c₂ имеет осевое направление. Так как из турбины, показанной на схеме (рис.1.3) рабочее тело выходит в осевом направлении, то такую турбину называют радиально-осевой.

Рис.1.1 Схема одноступенчатой осевой турбины:

1 - вал;

2 - подшипник;

3 - диск;

4 - рабочие лопатки;

5 - решетка сопловых лопаток;

6 - корпус турбины.

Рис. 1.2 Развертка на плоскости цилиндрического сечения проточной части турбины

Радиальные турбины могут быть и центробежными, в которых рабочее тело движется от центра к периферии. Центростремительные турбины способны срабатывать больший тепловой перепад, а их КПД при прочих равных условиях выше КПД центробежных.

Для сжатия рабочего тела используются лопаточные компрессоры, которые могут быть осевыми и центробежными. В осевых компрессорах рабочее тело движется по цилиндрическим поверхностям, соосным с осью вращения ротора компрессора, в центробежных компрессорах рабочее тело движется от центра к периферии.

Схема осевой компрессорной ступени показана на рис.1.4. В процессе взаимодействия рабочих лопаток и газа происходит преобразование механической энергии, подводимой к ротору компрессора в потенциальную и кинетическую энергию рабочего тела. Вследствие диффузорности межлопаточных каналов рабочего колеса относительная скорость потока уменьшается, а потенциальная энергия давления увеличивается. В диффузорных каналах направляющего аппарата идёт процесс преобразования части кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления. В результате' такого преобразования скорость потока уменьшается и в выходном сечении скорость мало отличается по величине и направлению от скорости входа в компрессорную ступень

Схема центробежного компрессора представлена на рис.1.5. Газ через входной патрубок 1 поступает в межлопаточное пространство рабочего колеса, где в процессе взаимодействия с лопатками происходит преобразование механической энергии, подводимой к валу компрессора 6 в энергию потока.

Рис.1.3 Схема радиальной центростремительной турбины.

Рис.1.4 Схема осевой компрессорной ступени:

1 - Рабочие лопатки;

2,3 - соответственно направляющие и рабочие лопатки соседних ступеней;

4 - направляющие лопатки.

Рис. 1.5 Схема центробежного компрессора:

1 - входной патрубок;

2 - рабочие лопатки колеса;

3 - корпус;

4 - лопатки диффузора;

5 - камера спирального отвода (улитка),

6 - вал компрессора.

В результате такого взаимодействия кинетическая и потенциальная энергии потока увеличиваются. Преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию давления происходит в лопаточном диффузоре 4 или в безлопаточном (щелевом) диффузоре. Для равномерного отвода потока газа используется спиральная камера 5.

В целях упрощения технологии изготовления рабочего колеса и создания различных модификаций его входную часть с отогнутыми кромками рабочих лопаток выполняют обычно отдельно и насаживают на вал с помощью шпонки. Эту часть колеса называют вращающимся направляющим аппаратом.

Входные кромки рабочих лопаток можно не отгибать, если перед рабочим колесом поместить неподвижный направляющий аппарат и обеспечить с его помощью закрутку потока в окружном направлении для обеспечения безударного входа в рабочее колесо. Лопатки неподвижного направляющего аппарата могут быть поворотными. В этом случае безударный вход потока может обеспечиваться и на частичных режимах, что повышает КПД компрессора и увеличивает устойчивую зону его работы.

Судовые компрессоры преимущественно строят с вращающимся направляющим аппаратом и осевым входом потока в рабочее колесо, как более простые по конструкции. Такие компрессоры называют осерадиальными.

В выходом сечении рабочего колеса, в общем случае, рабочие колеса могут иметь лопатки загнутые вперед (в сторону вращения рабочего колеса), радиальные и лопатки загнутые назад (в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса). В компрессорах применяют рабочие колеса с радиальными лопатками и лопатками, загнутыми назад. Рабочие колеса с лопатками, загнутыми вперед, используют в вентиляторах.

Рис.1.8 Конструктивные типы рабочих колес:

а - закрытое колесо;

б - полузакрытое колесо.

По конструкции различают рабочие колеса закрытого типа с покрывающим диском (рис.1.6, а) и полузакрытого типа без покрывающего диска (рис.1.6, в). В закрытых колесах поток воздуха изолирован от воздействия неподвижной стенки корпуса, поэтому потери в рабочем канале будут наименьшими. Однако такие колеса более сложны в изготовлении и в них ограничивается допустимая окружная скорость. В судовых компрессорах, в основном, применяют колеса полузакрытого типа с фрезерованными заодно с колесом рабочими лопатками, более простые в изготовлении. В таких колесах допускается большая скорость на наружном диаметре.