Активная ступень турбины

Рассмотрение условий образования крутящего момента под действием окружного усилия не сопровождалось выявлением источников возникновения этого усилия. В зависимости от особенностей кинематики газового потока и, прежде всего, от профиля рабочих лопаток, равнодействующая сил давления на них может складываться из активной и реактивной составляющих.

Центробежную силу, возникающую при перетекании газа по криволинейному межлопаточному каналу с постоянной скоростью принято называть активной силой .

Когда давления на входе в рабочее колесо и на выходе из него не равны ( < ), поток газа в межлопаточных каналах ускоряется и за счет этого возникает реактивная сила , воздействующая на рабочую лопатку.

Рис. 4.1

Если основная часть крутящего момента создается за счет активной силы, то такая ступень турбины называется активной. Если же основным источником образования крутящего момента является реактивная сила, то ступень турбины называется реактивной. Соответственно различают активный и реактивный процессы расширения газа в турбине.

Активный процесс расширения (рис. 4.1а) отличается тем, что преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую, т.е. срабатывание располагаемого теплоперепада, происходит только в сопловом аппарате. В рабочем колесе происходит преобразование кинетической энергии в механическую работу вращения ротора турбины. Давление газа на входе в рабочее колесо и на выходе из него остается неизменным ( = ). В данном случае окружное усилие, вращающее рабочее колесо, создается за счет поворота потока газа (изменения направления вектора относительной скорости), т.е. за счет его активного воздействия на лопатки. Для активной ступени турбины характерна симметричная форма рабочих лопаток. При этом межлопаточные каналы рабочего колеса имеют равные поперечные сечения на входе и выходе и равные углы и .

Лопатки соплового аппарата образуют сужающиеся каналы, где поток газа ускоряется от до . В рабочем колесе абсолютная скорость снижается до .

Рис. 4.2 Процесс расширения газа в активной ступени турбины

Энергия 1 кг газа превращается в механическую работу, равную . Очевидно, что с увеличением разности возрастает полнота преобразования кинетической энергии в работу и уменьшается доля неиспользованной энергии газов. Чем меньше величина , тем меньше выходные потери, составляющие .

В случае отсутствия потерь в рабочих лопатках при , и данных значениях и , наименьшая выходная скорость получается, если , что видно из совмещенных треугольников скоростей активной ступени. При из треугольника скоростей получаем:

или (4.1)

Рис. 4.3

Формулой 4.1 устанавливается оптимальное соотношение между окружной скоростью U и абсолютной скоростью газа на входе в рабочее колесо С, которое обеспечивает наиболее эффективное использование энергии газов с минимальными выходными потерями. Всякое отклонение вектора от осевого направления вызывает увеличение выходных потерь, т.к. возрастает скорость .

Рис. 4.4

В реактивной ступени турбины расширение газа происходит в сопловом аппарате и в рабочем колесе. Следовательно, преобразование потенциальной энергии в кинетическую (срабатывание располагаемого теплоперепада) происходит последовательно в сопловом аппарате и в рабочем колесе.

Для осуществления реактивного процесса расширения газа рабочие лопатки, как и сопловые, выполняются сужающимися. Давление газа уменьшается от до в сопловом аппарате и от до в рабочем колесе.

В активной ступени, если не принимать во внимание потери при перетекании газа в межлопаточных каналах, .

На рис. 4.2 показан график изменения относительной скорости для действительных условий с учетом потерь, поэтому .

Т.к. часть кинетической энергии превращается в тепловую, то теплосодержание газа на выходе из рабочих лопаток больше теплосодержания на входе . В реактивной ступени (см. рис. 4.1) происходит увеличение относительной скорости газа в рабочем колесе ( ), поэтому < .

Степенью реактивности называется отношение адиабатного теплоперепада в рабочем колесе к полному адиабатному теплоперепаду в турбинной ступени.

(4.2)

Рис. 4.5

На рис. 4.5 в координатах i – S изображен процесс расширения газа в реактивной ступени. Начальные параметры заторможенного потока соответствуют Г*. (Если начальная скорость газа перед сопловым аппаратом , то полный адиабатный теплоперепад отсчитывается от Г до 2 по адиабате Г – 1 – 2 и равен ). В активной ступени (см. рис. 4.1) ; и , а следовательно . Если предположить крайний случай – турбину без соплового аппарата, то расширение газа будет происходить только в рабочем колесе, а следовательно, ; и .

В надувочных газовых турбинах не применяются ни чисто активные, ни чисто реактивные ступени. Активной принято называть ступень, у которой степень реактивности на среднем диаметре рабочего колеса не превышает 0,15. При больших значениях ступень считается реактивной; обычно у реактивных ступеней осевых турбин . При располагаемый теплоперепад распределяется поровну между сопловым аппаратом и рабочим колесом.

Степень реактивности условно относят к среднему диаметру рабочего колеса, т.к. по высоте рабочей лопатки действительная степень реактивности изменяется, возрастая от корня к периферии. Объясняется это тем, что по высоте лопатки давление возрастает незначительно или остается неизменным, в то время как растет существенно (т.к. значительно больше ). Поэтому разность и степень реактивности по высоте лопатки увеличиваются. Величина у корня лопатки всегда меньше, чем на ее периферии. Т.к. возрастание степени реактивности сопровождается увеличением разности давления , то при этом увеличиваются утечки газа через радиальный зазор между рабочим колесом и корпусом турбины. С увеличением растет также осевая составляющая , следовательно, возрастают нагрузки на упорный подшипник турбины.