16. Газотурбинные установки

Газотурбинные установки нашли весьма широкое применение в промышленности. Это тяговые установки судов, самолетов, мощные приводы магистральных газоперекачивающих компрессоров и т.д.

16.1. Турбина

Турбина представляет собой роторный лопастной двигатель, в котором полная энергия газа сначала преобразуется в кинетическую энергию газа, вытекающего с большой скоростью из сопел, а затем, в лопастях ротора, в механическую энергию на валу ротора.

На рис.56. схематически показан канал протекания газа в ступени турбины. Сопло представляет собой сужающийся канал, в котором скорость течения увеличивается.

Сопло расположено под углом α₁ к фронту решетки лопастей рабочего колеса АВ. Из него поток газа вытекает с абсолютной скоростью с₁. окружная скорость проходящих лопастей и. Относительная скорость w₁, представляющая геометрическую разность абсолютной и окружной скоростей направлена к фронту решетки при безударном входе под углом β₁.

16.2. Активная турбина

В активных турбинах канал между лопастями имеет постоянное сечение по длине лопасти. В случае идеального рабочего колеса расширения газа не будет, поэтому относительные скорости на входе и выходе из колеса окажутся одинаковыми w₁= w₂. (в действительности, из-за трения потока о лопасти, скорость потока на выходе w₂ несколько ниже, чем на входе. Это обстоятельство учитывается коэффициентом скорости ψ, т.е. w₂= ψ w₁, где ψ=0,8-0,9.

Н аправления относительной скорости w₂ и окружной и известны и позволяют построить план скоростей на выходе из колеса. Величина абсолютной скорости с₂ определяется углом α₂, а вектор относительной скорости – под углом β₂. Обычно β₁=β₂.

Путем совмещения планов скоростей (рис.26.) получим, что наибольшая работа, получаемая с турбины Дж/кг будет при угле α₂ =π/2, а вектор скорости с₂ окажется наименьшим (рис.57б). Из прямоугольного треугольника видно, что 2u=c₁cosα₁ или

Теоретически это соотношение будет максимальным при α₁=0, но это невозможно. На практике угол α₁ для турбин принимают 14-20⁰, что дает выгоднейшее соотношение и/с₁ =0,45-0,49.

Ступень турбины, работающая на данном принципе, называется активной турбиной, поскольку все преобразование энергии происходит на самом рабочем колесе (рис.58).

В такой турбине, при одноступенчатом исполнении, скорость на выходе с₂ оказывается очень высокой. Так, при начальной скорости с₁ =1200м/с, окружная скорость рабочего колеса составит примерно 600 м/с, что соответствует частоте вращения вала 20-30 тыс. об/мин.

Для снижения оборотов ротора турбины используют многоступенчатое исполнение.

Многоступенчатые турбины выполняются в двух вариантах: со ступенями скорости и ступенями давления.

Схема активной турбины со ступенями давления приведена на рис.59.

Здесь на одном рабочем колесе1 расположены два ряда лопастей 3 и 5, между которыми располагаются неподвижные лопасти, образующие направляющий аппарат 4.

И з сопла 2 (или нескольких сопел, расположенных по окружности)движется газ со скоростью с₀. В самом сопле газ теряет давление от р₀ до р₁ и увеличивает скорость от с₀ до с₁. С этой скоростью газ поступает на первый ряд лопастей (первую ступень), где кинетическая энергия преобразуется в работу. Скорость газа при этом уменьшается от с₁ до с₁′, с которой газ поступает в лопасти направляющего аппарата. В направляющем аппарате происходит изменение направления движения потока. Со скоростью с₁′ газ проступает во второй ряд лопастей рабочего колеса, на которой скорость газа уменьшается до значения с₂ с совершением полезной работы.

При совмещении треугольников скоростей (рис.60.) углы β₁=β₂, β₁′=β₂′, α₂= α₁′. Тогда или, в общем случае,

(155)

где z - число ступеней.

В реальных условиях для одноступенчатой турбины и/с₁=0,3-0,35, для двухступенчатой турбины и/с₁=0,22, для трехступенчатой - и/с₁=0,15.

График изменения параметров газа приведен на рис.59.

Однако, с увеличением числа ступеней растут потери и падает КПД, поэтому такие турбины с числом ступеней более трех не выпускаются.

Такие турбины используются для приводов насосов и вентиляторов.

В турбинах со ступенями давления между рядами рабочих колес устанавливаются сопла в которых газ, прошедший предыдущую ступень, теряет давление и увеличивает скорость движения. С этой скоростью газ поступает на следующее колесо и совершает работу. Пройдя лопатку колеса газ теряет скорость до значения с₂. Проходя следующее сопло газ снова приобретает скорость с₁, теряя давление. График изменения состояния газа приведен на рис.59.

В зависимости от величины полного теплоперепада (энтальпии) число ступеней z принимается от 6 до 25-30. Такие активные турбины строятся на мощности от 30 до 50 тыс. кВт.

Таким образом, разница между ступенями скорости и ступенями давления в том, что в ступени скорости весь располагаемый перепад давлений срабатывается в соплах, а скорости на выходе из каждой ступени уменьшаются, а в ступенях давления абсолютные скорости на входе в каждую ступень остаются приблизительно постоянными, а давление по ступеням уменьшается.