Принципи роботи турбін. Типи ступенів
Особливості турбінного двигуна. Турбіна являє собою ротаційний теплової двигун лопаточного типу. Дія турбіни засноване на безперервному перетворенні теплової (потенційної) енергії робочого тіла в кінетичну, з подальшим перетворенням енергії рухомого струменя в механічну енергію обертання вала. Основні особливості турбіни - подвійне перетворення енергії, безперервність робочого процесу, отримання обертового руху без кривошипно-шатунного механізму.
Безперервність робочого процесу в турбіні і ротаційний принцип дії полегшують конструкцію турбін і забезпечують відсутність тертя в частинах (за винятком підшипників валу).
Типи ступенів. За способом перетворення енергії турбіни діляться на активні, реактивні і зі ступенями швидкості. Турбіни, в яких перетворення потенційної енергії в кінетичну відбувається лише в нерухомих апаратах (соплах), називаються активними, а турбіни, де перетворення енергії відбувається також в нерухомих апаратах і на робочих лопатках, - реактивними. У випадках, коли перетворення енергії відбувається в основному в нерухомих апаратах і частково в робочих, турбіна працює з деяким ступенем реактивності.
Комплект, що складається з сопел (направляючих лопаток) і робочих лопаток, називається ступенем турбіни; сукупність ступенів утворює її проточну частину.
На рис. 1.5 схематично представлена одноступінчата активна турбіна. У корпусі 1 розташоване одне або кілька сопел 2, робочі лопатки 3 жорстко закріплені на диску 4, який посаджений на вал 5, що обертається в підшипниках 6. У місці виходу валу з турбіни встановлені ущільнення 7. У нижній частині малюнка дано розгорнуте на горизонтальну площину перетин сопел і робочих лопаток. Як видно з малюнка, осі сопел розташовані під деяким кутом до площини диска.
У верхній частині малюнка представлений графік зміни параметрів робочого тіла (тиску р і абсолютної швидкості с) при проходженні ним проточної частини турбіни. Очевидно, що в соплах мають місце падіння тиску і зростання швидкості пара; на робочих лопатках кінетична енергія пара перетворюється на механічну, в результаті чого зменшується швидкість
Рис. 1.5 Схема одноступеневої активної турбіни
Тиск пара перед робочими лопатками і за ними однаковий. При проходженні пара між робочими лопатками на їх зогнутій поверхні створюється підвищений тиск, на випуклій - знижений. Виникає обертаюче зусилля, яке здійснює механічну роботу.
Рис. 1.6 Схема реактивної ступені й дії сил на робочу лопатку
Принцип дії реактивної ступені показаний на рис. 1.6. Пар надходить у канали між направляючими лопатками 1, нерухомо закріпленими в корпусі 2, і розширюється, однак у меншому ступені, ніж в соплах активної ступені. Розширення пара триває на робочих лопатках 3, закріплених на роторі барабанного типу 4.
Напрямок руху струменю пара, що потрапляє на робочі лопатки, змінюється, в результаті чого створюється активне зусилля Ракт. Завдяки розширенню в робочому каналі виникає реактивна сила Рреакт; її величина і напрямок залежать від форми каналу.
Геометричне складання Ракт и Рреакт дає рівнодіючу силу Р, окружна складова якої Ри обертає, ротор, а осьова Р'а сприймається 7 упорним підшипником (через різницю тисків р1—р2 виникає також осьове зусилля Ра, спрямоване в бік руху потоку).
Активні і реактивні ступені називаються ступенями тиску. Якщо швидкість потоку за робочими лопатками активної ступені велика, то для використання кінетичної енергії робочого тіла встановлюють ще один або два вінця робочих лопаток і між ними розташовують додаткові напрямні апарати, в яких потік не розширюється або розширюється незначно. Подібні ступені носять назву ступенів швидкості. Залежно від числа рядів робочих лопаток розрізняють двох - і трьохвенечні ступені швидкості.
Рис. 1.7 Двохвенечна ступінь швидкості
На рис. 1.7 схематично показана двохвенечна ступінь швидкості. Тут же дано графіки зміни тиску і швидкості потоку уздовж проточної частини. Як видно, є тільки один сопловий апарат 1, в якому робоче тіло сильно розширюється і набуває дуже велику швидкість. Надалі при проходженні скрізь лопатковий апарат його тиск не змінюється. На робочих лопатках 4 і 3 відбувається перетворення кінетичної енергії потоку в механічну енергію ротора і відповідно зменшення швидкості потоку. Проміжний направляючий апарат 2 служить лише для повороту потоку; деяке падіння швидкості в ньому пояснюється наявністю втрат.
Багатоступінчасті турбіни. Незважаючи на простоту пристрою, одноступінчаті турбіни не набули великого поширення через неможливість досягти високого ККД при великих перепадах тиску, а також внаслідок великої частоти обертання вала і неможливості отримання значних потужностей. У суднових умовах одноступінчасті турбіни застосовують лише для приводу допоміжних механізмів.
Щоб уникнути великої частоти обертання і окружних швидкостей і зберегти найвигідніші відносини між окружною швидкістю робочих лопаток і швидкістю потоку, сучасні турбіни виконують багатоступінчатими - зі ступенями тиску, ступенями швидкості і різними комбінаціями цих ступенів.
Рис. 1.8 Схема активної турбіни з трьома ступенями
Схема активної турбіни з трьома ступенями показана на рис. 1.8; тут же дана схема зміни тиску і швидкості потоку. Ротор турбіни 5 складається з трьох дисків, викуваних заодно з валом, і обертається в опорних підшипниках 1; осьове зусилля сприймається упорним підшипником 2. У місці виходу валу з корпусу встановлені зовнішні ущільнення 3.
Сопла першої ступені розташовані в корпусі турбіни 4, сопла другої і третьої ступенів - в діафрагмах 6. Щоб уникнути протікання пари в місці проходу вала в діафрагмах встановлені ущільнення (внутрішні).
Робоче тіло, частково розширившись в соплах першої ступені, потрапляє на її робочі лопатки і віддає їм кінетичну енергію; при цьому тиск залишається постійним по обидві сторони диска, а швидкість зменшується. Після першої ступені робоче тіло потрапляє в сопла другої ступені, де відбувається подальше його розширення і збільшення швидкості, потім на робочі лопатки другої ступені і т. д.
Таким чином, розширення робочого тіла здійснюється в три прийоми, на трьох ступінях, завдяки чому ця турбіна більш економічна, ніж одноступінчата.
У турбінах зі ступенями тиску обсяг пара по мірі його розширення зростає, тому висоту сопел і робочих лопаток від ступені до ступені поступово збільшують.
За способом підведення пара до перших ступенів турбіни поділяються на однопроточні (пар по проточної частини рухається в одному напрямку) і двохпроточні, з розбіжним або зустрічним рухом пара.
Рис. 1.9 Схема реактивної турбіни з однопроточним рухом пара
Схема реактивної турбіни з однопроточним рухом пара представлена на рис. 1.9. В якості першої ступені (регулювальної) служить двохвенечна ступінь швидкості 1. У корпусі турбіни 2 укріплені нерухомі направляючі лопатки 3. На барабанному роторі 4 розміщені робочі лопатки 5. У місці виходу валу з корпусу встановлені ущільнення 6.
Ротор обертається в опорних підшипниках 7. Після регулювальної ступені пар проходить через реактивну проточну частину, розширюючись як на направляючих, так і на робочих лопатках.
Різниця статичних тисків пара перед робочими лопатками і за ними, а також сила взаємодії потоку зі стінками лопаток (рис. 1.5) створюють осьове зусилля, яке прагне зрушити ротор у бік руху пара. Для розвантаження цього зусилля у реактивних турбін встановлений розвантажувальний поршень - так званий думміс 9.
Принцип його дії полягає в тому, що простір перед ним сполучається з порожниною відпрацьованого пара або ступеню низького тиску. Створюється різниця тиску, що діє в бік, зворотній напрямку руху пара. Завдяки такому пристрою частково знімається осьове зусилля, прикладене до ротора і сприймається упорним підшипником 8.
Для врівноваження осьових сил, зменшення висоти лопаток останніх ступенів і діаметра турбіни реактивні турбіни великої потужності часто виконують двохпроточними; в них осьові сили врівноважуються, і необхідність в думмісі відпадає (рис. 1.10).
Рис. 1.10 Схема двухпроточной турбины
Використання активної ступені або двохвенечної ступені швидкості в якості першої ступені реактивної турбіни дозволяє досягти більш економічного кількісного регулювання потужності і зменшити габарити турбіни.
Турбіни, що складаються тільки із ступенів швидкості, не знайшли застосування як головні, незважаючи на такі переваги, як мала маса і габарити. Причиною є менша економічність ступенів швидкості в порівнянні з ступенями тиску. Газові турбіни мають зазвичай активні ступені з деяким ступенем реактивності і реактивні ступені.