Паровые и газовые турбины

ДЕЙСТВИЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА НА ЛОПАТКИ

Турбомашина (турбина) является двигателем, в котором теплота рабоче­го тела — пара или газа — последова­тельно преобразуется в кинетическую энергию струи, а затем в механическую работу.

Вытекающий из сопла поток рабоче­го тела, обладающий значительной кине­тической энергией, действует на лопатки с силой, которая зависит от формы их поверхности (рис. 20.1).

Расчеты по уравнению количества движения показывают, что при прочих равных условиях, например при задан­ной скорости истечения со и расходе ра­бочего тела /п, с наибольшей силой поток будет воздействовать на лопатку, форма которой обеспечивает его поворот на 180° (рис. 20.1, б). Если позволить ло­паткам перемещаться под действием струи, то движение газа по схеме (рис. 20.1, б) обеспечит при одинаковой во всех схемах скорости и наибольшую мощность, равную произведению дей­ствующей на лопатку силы на скорость ее перемещения. Отсюда, в частности, следует, что для получения максималь­ной работы поток должен не ударяться о поверхность, а обтекать ее плавно, без завихрений.

Но использовать наиболее выгодный (с точки зрения получения максимальной мощности) профиль лопаток для тепло­вого двигателя непрерывного действия, например турбомашины, невозможно, так как практически не удается при вра­щательном движении диска с лопатками подать на них газ в направлении, со­впадающем с плоскостью вращения. По­этому в турбинах струя газа, вытекаю­щего из неподвижного сопла, подается на лопатки, изогнутые под некоторым углом к плоскости вращения (рис. 20.1, в), причем по конструктивным соображениям этот угол не удается сде­лать меньше 11 —16° (в ряде случаев его принимают равным 20—30°).

Рассмотренный принцип действия по­тока на поверхности различных форм называется активным, в отличие от реактивного, когда сила создается за счет реакции струи, вытекающей из сопла (рис. 20.1, г). Реактивная сила, приложенная к цилиндру, направлена согласно третьему закону Ньютона в сто­рону, противоположную истечению га­зов. С такой же силой действует струя на поверхность (активный принцип, рис. 20.1, а), но при реактивном способе конструкция теплового двигателя полу­чается более рациональной, так как со­вмещаются сопловой и двигательный ап­параты.

АКТИВНЫЕ ТУРБИНЫ

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

В простейшей активной турбине ра­бочее тело поступает в сопло / (или группу сопл), разгоняется в нем до высо­кой скорости и направляется на рабочие лопатки 2 (рис. 20.2). Усилия, вызванные поворотом струи в каналах рабочих ло­паток (см. рис. 20.1, в), вращают диск 3 и связанный с ним вал 4. Диск с закрепленными на нем рабочими ло­патками и валом называется рото­ром. Один ряд сопл и один диск с рабо­чими лопатками составляют ступень.

Приращение кинетической энергии на выходе из сопла можно определить по формуле (5.11):

(20.1)

где Со, ho — скорость и энтальпия потока перед соплом; c\^, h\_T — теоретическая скорость и энтальпия потока на выходе из сопла.

Если принять, что перед соплами ско­рость со = 0, получим

(20.2)

где А/г_т — располагаемый теплоперепад, соответствующий скорости ci_t.

В реальных условиях в результате трения и завихрений при течении потока часть кинетической энергии направлен­ного движения молекул превращается в энергию неупорядоченного движения молекул, что повышает энтальпию рабо­чего тела за соплом, уменьшает распола­гаемый теплоперепад и скорость потока:

(20.3)

где φ_с — коэффициент скорости сопла, для сопловых аппаратов современных турбин φ_с = 0,95 — 0,98.

На лопатках рабочего колеса кинети­ческая энергия потока преобразуется в работу. При входе на лопатку окружная составляющая скорости потока со­впадает с направлением движения ло­патки, а при выходе — противоположна ей (рис. 20.2). Поэтому абсолютная ско­рость потока на выходе много меньше, чем на входе.

Движущийся поток действует на ра­бочие лопатки с силой Р. Проекция этой силы на ось машины Р_г (осевая сила) воспринимается упорными подшипника­ми, предотвращающими смещение рото­ра вдоль оси, а проекция на направление окружной скорости Р_и (окружная сила) вызывает вращение ротора

Одноступенчатая активная турбина была построена Лавалем в 1883г. (рис. 20.3).

Пар поступает в одно или несколько сопл 4, приобретает в них значительную скорость и направляется на рабочие ло­патки 5. Отработанный пар удаляется через выхлопной патрубок 8. Ротор тур­бины, состоящий из диска 3, закреплен­ных на нем лопаток и вала 1, заключен в корпус 6. В месте прохода вала через корпус установлены переднее 2 и за­днее 7 лабиринтовые уплотнения, предот­вращающие утечки пара. Так как весь располагаемый теплоперепад срабатыва­ется в одной ступени, то скорости потока в соплах оказываются большими. При расширении, например, перегретого па­ра, имеющего параметры 1 МПа и 500 °С, до давления 10 кПа теплоперепад округленно равен 980 кДж/кг, что соответствует скорости потока 1400 м/с. При таких скоростях потока неизбежны большие потери и, самое главное, недо­пустимые по условиям прочности лопа­ток окружные скорости в них. Поэтому одноступенчатые турбины Лаваля имеют ограниченную мощность (до 1 МВт) и низкий КПД. Все крупные турбины делают многоступенчатыми. На рис. 20.4 показана схема активной многоступенчатой турбины, которая включает несколько последовательно расположенных по ходу пара ступеней, сидящих на одном валу. Ступени отделе­ны друг от друга диафрагмами, в которые встроены сопла.

В таких турбинах давление 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. Так как объем пара по мере его расширения увеличивается, то геометрические размеры проточной части по ходу пара возрастают. Если общий телоперепад (h₀-h_вых) распределить по­ровну между 2 ступенями давления, то скорость истечения пара из сопл каж­дой ступени, м/с, Отсюда следует, что применением ступе­ней давления можно достичь умеренных значений с₁, обеспечив высокий КПД.

РЕАКТИВНЫЕ ТУРБИНЫ

Первая модель двигателя, использу­ющего реактивную силу, была построена Героном Александрийским за 120 лет до н э (рис. 20.5).

При истечении пара из сопл здесь возникают реактивные силы, вращаю­щие систему против часовой стрелки. 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 Реактивный принцип нашел широкое применение лишь в реактивных двигателях летатель­ных аппаратов (ракет, самолетов и др.).

Практически реактивными называ­ются турбины, у которых располагаемый теплоперепад преобразуется в кинетическую энергию потока не только в соплах, но и на рабочих лопатках.

Отношение теплоперепада на рабо­чих лопатках Δh_л к располагаемому теплоперепаду Δh_т называется степенью ре­активности:

Ω=Δh_л/Δh_т (20.4)

При Q = 0 (чисто активная ступень) весь располагаемый теплоперепад, а сле­довательно, и перепад давлений сраба­тывается в сопловом аппарате, превра­щаясь в скоростной напор. Именно такая ступень рассмотрена на рис. 20.2, 20.3. При Q=l (чисто реактивная ступень) весь располагаемый теплоперепад сраба­тывался бы на рабочих лопатках.Современные мощные турбины вы­полняют многоступенчатыми с опреде­ленной степенью реактивности, чаще и на рабочих лопатках. Ступень сраба­тывает лишь часть общего перепада дав­ления на турбине, и при большом их числе разность давлений в отдельной ступени получается небольшой, а скоро­сти потока — умеренными. При степени реактивности и = 0,5 сопловые и рабочие лопатки имеют одинаковую форму. Более того, один и тот же профиль лопаток может быть использован во всех ступе­нях турбины, и только длина лопаток изменяется в соответствии с увеличением объема рабочего вещества по мере пони­жения давления. Это удобно с точки зре­ния их изготовления.

На левой половине рисунка 20.6 пока­зан корпус или цилиндр высокого дав­ления (ЦВД) конденсационной трехкорпусной трубины мощностью 300 МВт на сверхкритические параметры пара с про­межуточным перегревом пара до 565 °С. ЦВД представляет собой двухстенную литую конструкцию. Пар сначала поступает в сопловую коробку 4, расположен­ную во внутреннем корпусе 3, проходит через ступень 6 с двумя лопатками и пять ступеней давления справа налево Выходя из внутреннего корпуса, пар по­ворачивается на 180°, проходит между внутренним и наружным / корпусами и поступает далее на шесть ступеней давления При этом он омывает и охлаж­дает внутренний корпус, а также частич­но разгружает его стенки, испытываю­щие внутреннее давление Во внутреннем корпусе диафрагмы 2 крепятся непосред­ственно в стенке, а в наружном — в про­межуточных обоймах 5 Обоймы позво­ляют организовать отборы пара для ре­генерации

После промежуточного перегрева в котле пар с параметрами 3,53 МПа и 565 °С поступает в корпус среднего, а затем низкого давления (справа)