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.