Газовая динамика турбины

Газовая турбина – двигатель, в лопаточном аппарате которого преобразуется Е_п в Е_к, которая затем преобразуется при непрерывном вращении рабочего колеса и передается на вал.

Турбина, в которой поток рабочего тела движется параллельно валу, называется аксиальной.

Турбина, в которой поток рабочего тела движется перпендикулярно валу, называется радиальной.

Основными элементами газовой турбины являются турбинная ступень – совокупность последовательно расположенных НА и вращающихся рабочих решеток.Состав ступени турбины приведен на рис. 22.

 

Рис. 22. Состав ступени турбины

 

Решетка – совокупность лопаток (рабочих или направляющих), расположенных с одним и тем же шагом под одинаковым углом.

Сосуд, из которого вытекает жидкость, испытывает силу реакции в направлении противоположном вектору ускорения вытекающей струи.

Точно также в рабочем лопаточном аппарате, вследствие ускорения в нем потока, возникает сила реакции. Если поток в рабочем колесе получает ускорение в направлении обратном вектору окружной скорости, то сила реакции действует в сторону вращения.

Таким образом, вращающий момент на рабочем колесе появляется как вследствие изменения направления скорости потока, так и благодаря силам реакции, возникающей под влиянием изменения величины относительной скорости.

Форма профиля выбирается в соответствии с треугольником скоростей при выходе из рабочего колеса.

По принципу преобразования энергии турбины подразделяются на:

– ступени или турбины в целом, в которых давление изменяется и в соплах и на рабочих лопатках, – называются реактивными;

– ступени или турбины в целом, в которых давление потока продуктов сгорания на рабочих лопатках остается неизменным, называются активными.

Принципиальные схемы турбин и их газовая динамика приведены на рис. 23.

 

Рис. 23. Принципиальные схемы турбин и их газовая динамика

 

Межлопаточный канал – пространство между соседними профилями.

На рис. 24 показано распределение скоростей в турбине.

Направляющий аппарат (сопловой аппарат) служит для создания определенного направления потока по α₁. Рабочее колесо (РК) обтекается со скоростью W₁ направленной под углом β₁. Продукты сгорания поступают на НА со скоростью С₀, так как межлопаточные каналы выполнены конфузорными, в результате расширения скорость потока возрастает, то есть Е_п преобразуется в Е_к в пределах НА.

На рабочем колесе часть Е_к преобразуется в механическую работу, в результате которой абсолютная скорость уменьшается до С₂, а относительная скорость W₁ за счет конфузорности возрастает до W₂. По закону сохранения энергии она переходит из одной в другую. При обтекании лопаток рабочего колеса вследствие несимметричности профилей на вогнутой поверхности, возникает повышение давления, а на выпуклой – понижение.

 

Рис. 24. Распределение скоростей в турбине

 

В направляющем аппарате за счет конфузорности абсолютная скорость возрастает до С₁, соответственно потенциальная энергия переходит в кинетическую. Далее поток продуктов сгорания поступает в рабочее колесо, где С₁ падает до С₂ за счет совершения некоторой работы вращения, а W₁ возрастает до W₂ за счет конфузорности канала.

Вращение рабочего колеса осуществляется как за счет поворота потока, так и за счет силы реакции, возникающей от относительной скорости и направленной противоположно ей:

Уравнение Бернулли:

где	P	–	статическое давление,
		–	динамическое давление.
		–	подъемная сила.

Уравнение подъемной силы:

где	Су	–	коэффициент подъёмной силы;
	S	–	площадь лопатки.

 

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое газовая турбина? Из чего состоит?

2. Как и для чего осуществляется охлаждение деталей турбины?

3. Что вы можете рассказать о газовой динамике турбины?