Газовая динамика турбины

Газовая турбина – двигатель, в лопаточном аппарате которого преобразуется Еп в Ек, 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 Еп преобразуется в Ек в пределах НА.

На рабочем колесе часть Ек 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?