Рабочее тело поступает в турбину и выходит из нее с постоянным расходом, совершая механическую работу.

Из курса физики за 8-й класс вам известна схема действия простейшей паровой турбины: на вал насажен диск, по ободу которого закреплены лопатки. Около лопаток расположены сопла.

Струи пара из сопел оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины во вращательное движение. Частота вращения вала достигает 3000 об/мин, что очень удобно. В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал.Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии. Мощность турбины достигает 1200 МВт.

Специально спрофилированные каналы для разгона рабочей среды и при-дания потоку определенного направления называются соплами(каналы для торможения потока и повышения давления – называются диффузорами).

Процессы, проходящие в турбинах, описываются законами термодинамики для потока в работе, где определено понятие массового расхода рабочего тела.

m	F с	const,
V

где F – площадь поперечного сечения канала;

с – скорость рабочего тела;

V – объем.

Постоянство массового расхода определяет условие неразрывности тече-

ния в стационарных потоках. Первый закон термодинамики для потока звучит так:

теплота, подведенная к потоку рабочего тела извне, расходуется на уве-личение энтальпии рабочего тела, производство технической работы и увели-чение кинетической энергии потока:

где с₁ и с₂- скорости на входе и выходе агрегата (турбины, сопло).

Паровые турбины

Турбина является двигателем, в котором теплота рабочего тела – пара (газа) последовательно преобразуется в кинетическую энергию струи, а затем в механическую работу.

Вытекающий из сопла поток рабочего тела обладает большой кинетиче-ской энергией и действует на лопатки с силой, которая зависит от формы их поверхности (рисунок 8.1).

Расчеты по уравнению количества движения показывают, что при прочих равных условиях (заданной скорости истекания С₀ и расходе рабочего тела m) с наибольшей силой поток будет воздействовать на лопатку, форма которой обеспечивает его поворот на 180⁰. Если позволить лопаткам перемещаться под действием струи (пара), то движение газа по схеме б) обеспечит наибольшую мощность, равную произведению действующей на лопатку силы на скорость ее перемещения.

Рисунок 8.1. Схема действия струи газа на поверхности тел различной формы

Отсюда следует, что для получения максимальной работы поток должен не ударяться о поверхность, а обтекать ее плавно, без завихрения. Но использовать наиболее выгодный профиль лопаток не удается. Практически невозможно при вращательном движении диска с лопатками подать на них газ в направлении, совпадающем с плоскостью вращения.

Поэтому в турбинах струя газа из сопла подается на лопатки под некото-рым углом. Причем невозможно конструктивно сделать этот угол меньше 11-16⁰. В ряде случаев его делают 20-30⁰.

Рассмотренный принцип действия (схемы а), б), в)) потока на поверхно-сти различных форм называют активным. Имеет место реактивныйпринцип,

когда сила создается за счет реакции струи, вытекающей из сопла (рисунок 8.1,г). Реактивная сила, приложенная к цилиндру, направлена в сторону, проти-воположную истечению газов.

Активные турбины

Турбины, в которых весь располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока в соплах, а в каналах между рабочими лопатками расширения не происходит, называются активными или турбинами равного давления.

Рисунок 8.2. Схема ступени турбины

В простейшей рабочей турбине рабочее тело поступает в сопло (или группу сопел), разгоняется в нем до высокой скорости и направляется на рабо-чие лопатки (2). Усилия, вызванные поворотом струи в каналах рабочих лопа-ток (см. рисунок 8.1,в), вращают диск 3 и связанный с ним вал 4. Диск с закрепленными на нем рабочими лопатками и валом называют ротором.Один ряд сопел и один диск с рабочими лопатками составляют ступени. Ступени отделены друг от друга диафрагмами, в которые встроены сопла.

Приращение кинетической энергии на выходе из сопла можно определить по формуле:

В реальных условиях в результате трения и завихрений при течении потока часть кинетической энергии направленного движения молекул превращается

в энергию неупорядоченного движения молекул, что уменьшает скорость потока:

С₁= _cC_1Т,

где _с - коэффициент скорости сопла, для сопловых аппаратов современных

турбин _с = 0,95 0,98.

Одноступенчатая активнаятурбина была построена шведским инжене-ром Ловалем в 1886 году. Одноступенчатые турбины Ловаля имеют ограничен-ную мощность до 1 МВт и низкий КПД.

В одноступенчатой турбине Ловаля весь располагаемый теплоперепад срабатывается в одной ступени и скорости потока в соплах оказываются боль-шими (1400 м/с). Это недопустимо по условиям прочности лопаток. При таких скоростях неизбежны большие потери. Поэтому турбины Ловаля имеют низкий КПД и ограниченную мощность (до 1 МВт).

Все крупные турбины делают многоступенчатыми. Ступени отделены друг о друга диафрагмами, в которые встроены сопла. В таких турбинах дав-

ление падает при проходе пара через сопла и остается постоянным на рабочих лопатках.Абсолютная скорость пара в ступени,называемой ступенью давления, то возрастает в соплах, то снижается на рабочих лопатках (рисунок 8.3).

Объем пара по мере его расширения увеличивается, и геометрические размеры проточной части по ходу пара возрастают. Если общий теплоперепад

(h_o-h_вых) распределить поровну между z ступенями, то скорость истечения пара из сопел каждой ступени, м/с:

где теплоперепад (h_o-h_вых) – разность энтальпий.

Реактивные турбины

Первая модель двигателя, использующего реактивную силу, была постро-ена Героном Александрийским за 120 лет до н.э. При истечении пара из сопел здесь возникают реактивные силы, вращающие систему против часовой стрел-ки. Ступень турбины, по модели Герона, представляла бы собой вращающийся диск с соплами, к которым необходимо организовать непрерывный подвод рабочего тела. Ввиду сложности конструирования таких ступеней, а тем более многоступенчатых турбин, чисто реактивные турбины не создавались.

Рисунок 8.4. Схема первой модели реактивной паровой турбины

Реактивный принцип нашел широкое применение лишь в реактивных двигателях летательных аппаратов (ракет, самолетов).