Принцип действия и устройство газовой турбины

Газовая турбина агрегата наддува является первичным двигателем для приведения в действие компрессора, который обеспечивает подачу воздуха в ресивер и далее в цилиндры двигателя. В газовой турбине энергия выпускных газов преобразуется в механическую работу. В отличии от поршневых тепловых двигателей, в турбине тепловая энергия газа сначала преобразуется в кинетическую энергию, а затем превращается в механическую работу на валу турбины.

Для обеспечения необходимых условий и определенной последовательности преобразования энергии газовая турбина оборудуется специфическими конструктивными элементами – сопловым аппаратом и рабочим колесом. Рабочее колесо состоит из диска и укрепленных на нем рабочих лопаток. Ротор турбины представляет собой сочетание рабочего колеса и вала, вращающегося в подшипниках. Последовательно расположенные в корпусе турбины неподвижный сопловой аппарат и вращающийся ротор составляют ступень турбины и образуют ее проточную часть.

Рис. 3.1

Движение газа в ступени показано на рис.3.1а.

Если рассечь лопатки соплового аппарата и рабочего колеса цилиндрической поверхностью и развернуть сечение на плоскости, получится развертка проточной части на плоскости.

Лопатки соплового аппарата образуют сужающиеся каналы, при протекании по которым скорость газа возрастает от до , а следовательно возрастает кинетическая энергия газа на величину . Давление и температура газа соответственно уменьшаются от до и от до . Т.о. в сопловом аппарате осуществляется преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую.

Далее поток газа с параметрами направляется в рабочее колесо, где продолжается расширяться, перетекая по сужающимся каналам, которые образуются рабочими лопатками. При этом происходит дальнейшее снижение температуры и абсолютной скорости газа. Часть кинетической энергии, приобретенной газом в сопловом аппарате, преобразуется в механическую работу вращения ротора, поэтому абсолютная скорость газа на выходе из рабочего колеса значительно меньше его скорости на входе в рабочее колесо.

Таким образом, в рабочем колесе турбины осуществляется преобразование кинетической энергии газа в механическую работу.

3.2 Кинематика газового потока в проточной части турбины.
Треугольники скоростей

Направление движения газового потока на выходе из соплового аппарата определяется выходными кромками сопловых лопаток. Угол между вектором абсолютной скорости газа на выходе из соплового аппарата и плоскостью вращения ротора турбины I – I обозначается .

Вектор можно разложить на две составляющие, одна из которых равна окружной скорости

где - диаметр рабочего колеса; n – частота вращения ротора турбины, об./мин.

Вторая составляющая представляет собой относительную скорость газа на выходе из соплового аппарата , т.е. скорость движения газового потока относительно вращающегося рабочего колеса. Вектор относительной скорости образует с плоскостью вращения угол . В дальнейшем мы обнаружим значительное влияние направления газового потока при входе на рабочее колесо на эффективность преобразования кинетической энергии в механическую работу.

Рис. 3.2

Рис. 3.3

Графическое изображение векторов абсолютной скорости газа С, относительной скорости W и окружной скорости U называют треугольником скоростей. Из рис. 3.2 видно, что при протекании по межлопаточным каналам соплового аппарата происходит поворот газового потока, обусловленный криволинейным профилем лопаток. Соответственно меняется направление вектора абсолютной скорости. Для обеспечения безударного входа газового потока в рабочее колесо нужно, чтобы входные кромки рабочих лопаток соответствовали углу , вектора относительной скорости газа W, на выходе из соплового аппарата.

Абсолютная скорость вектора , поэтому величина и направление относительной скорости газа при входе на рабочие лопатки зависят не только от абсолютной скорости газа, но и от величины окружной скорости :

Следовательно, при определенной величине скорости газа , профилей лопаток соплового аппарата и рабочего колеса плавное обтекание рабочих лопаток оказывается возможным при определенной окружной скорости ротора турбины , когда направление вектора относительной скорости (угол ) совпадает с направлением входных кромок рабочих лопаток.

Величину абсолютной скорости можно определить, воспользовавшись уравнением энергии для случая изолированного потока газа (сжимаемой жидкости)

или

(3.1)

Левая часть уравнения представляет собой разность теплосодержаний газа на входе в сопловый аппарат ( ) и на выходе из него ( ). Правая часть выражает приращение кинетической энергии одного килограмма газа, эквивалентное величине теплоперепада . Уравнение 3.1 можно видоизменить, выразив начальное теплосодержание газа через параметры заторможенного потока

(3.2)

Из уравнения 3.2 следует, что энтальпия заторможенного потока равна сумме статической энтальпии и динамической составляющей . С учетом 3.2

откуда

(3.3)

Параметры газа перед сопловым аппаратом турбины ( ) с учетом кинетической энергии называют параметрами торможения, или полными параметрами. Для получения давления и температуры заторможенного потока надо обеспечить полное «торможение» скоростей газа – до нуля. При этом кинетическая энергия газа преобразуется в энергию давления, которая суммируется со статическими (термодинамическими) значениями. Поэтому параметры торможения больше их термодинамических значений на величину динамической составляющей

где	- число Маха;
	- абсолютная скорость газа;
	- скорость звука;
	k – показатель адиабаты;
	- изобарная теплоемкость,

Все расчеты турбины обычно проводят с учетом параметров заторможенного потока газа перед сопловым аппаратом, хотя количественно, при реальных соотношениях температуры, давления и скорости выпускных газов они мало отличаются от соответствующих термодинамических параметров.

Лопатки рабочего колеса спрофилированы таким образом, что образуются криволинейные межлопаточные каналы, протекая по которым газ продолжает расширяться. Из треугольника скоростей на выходе из рабочего колеса следует, что абсолютная скорость газа за рабочими лопатками равна векторной сумме окружной скорости U и относительной скорости

причем , т.к. часть кинетической энергии газа, равная на входе в рабочее колесо величине , превращается в работу вращения ротора турбины. Уменьшение абсолютной скорости газа от до сопровождается увеличением относительной скорости , направление вектора которой определяется углом между плоскостью вращения рабочего колеса и выходными кромками рабочих лопаток. При этом всегда меньше .

Из сопоставления рисунков явствует, что в рабочем колесе, как и в сопловом аппарате, происходит изменение параметров газа и направления его движения, причем последнее обусловлено профилем и взаимным расположением рабочих лопаток.

Угол между вектором и плоскостью вращения обозначается .