ТЕПЛОТЕХНИКА

ПАРОВЫЕ И ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

Турбиной называется лопаточный двигатель, преобразующий энергию потока пара, газа или воды, протекающего через сопловой аппарат и рабочие лопатки ротора (лопасти рабочего колеса) в механическую энергию. В зависимости от характера рабочего тела различают паровые, газовые и гидравлические турбины.

В настоящее время в ЭХТС находят применение паровые и газовые турбины. Паровые турбины, работающие на энергетическом паре, полу­чаемом с ТЭЦ либо с котлов-утилизаторов, используются в качестве привода турбокомпрессоров и турбонасосов. Газовые турбины рабо­тают на технологических и отбросных газах химических производств, имеющих избыточное давление, и также используются в качестве при­вода турбокомпрессоров и турбонасосов.

Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые. Односту­пенчатая турбина состоит из статора (соплового аппарата) и ротора — рабочего колеса, имеющего на периферии лопатки, образующие каналы, по которым движется рабочее тело. Многоступенчатая турбина пред­ставляет собой несколько последовательно соединенных одноступенча­тых турбин, которые называются ступенями. Принцип работы турбины рассмотрим на примере одной ступени, изображенной на рис. 6.1. Рабочее тело с повышенным начальным давлением р0 и начальной температурой Т0 подводится к неподвижному соплу А статора. При постоянном массовом расходе рабочего тела на выходе из сопла поддерживается постоянное давление Pi < р0. Под влия­нием разности давлений по­ток рабочего тела с пос­тоянной скоростью (м/с) направляется в криволиней­ные каналы В, образован­ные рабочими лопатками. Протекая по этим каналам, поток создает усилие Р, вра­щающее рабочее колесо тур­бины. Обозначив через и (м/с) окружную скорость движения лопаток и построив треугольник скоростей на входе в каналы рабочих
лопаток, можно найти относительную скорость входа Wi потока в каналы рабочих лопаток и ее направление, которое определяется углом pi.

В соответствии с формулами (1.161) и (1.179) найдем абсолют­ную скорость входа потока на лопатки:

С1 = срШ]/%, (6.1)

Где hо — изоэнтропийный перепад теплоты от начальных параметров Ро и Т0 до ри Дж/кг; ф = 0,94...0,98 - скоростной коэффициент.

Окружная скорость рабочих лопаток определяется по формуле

И = 2яги/60, (6.2)

Где г — средний радиус расположения лопаток по оси вала турбины, м; п — частота вращения вала турбины, об/мин.

Обычно угол наклона выходящего из сопла потока к плоскости вращения рабочего колеса at принимают равным 12... 18°.

Вследствие наличия трения при движении потока по каналу между лопатками относительная скорость выхода его из канала vv2 будет меньше Wi и для активных турбин равна w2 = |/wb где коэффициент |/ принимается равным 0,85...0,95.

Угол (32 выхода потока по отношению к плоскости вращения рабочего колеса обычно принимают меньше Рі на 1...Ю0. По извест­ным значениям и, w2 и р2 строится треугольник скоростей на выходе потока из каналов рабочих лопаток.

Проекция силы Р на направление окружной скорости Ри вызывает вращение ротора турбины. На рис. 6.1 представлено изображение треугольников скоростей потока. Используя эти треугольники скоростей, в соответствии с известным уравнением количества движения можно написать, что

Ри = Тс (Сі cos ai — С2 cos a2) = mc (cj cos a! + C2 cos a2), (6.3)

Где mc — массовый расход рабочего тела через турбину, кг/с, а2 = тс — а2.

Мощность (Вт), развиваемая потоком рабочего тела на ободе лопаток:

Nu = Рии = тси (Сі cos a! + с2 cos a2). (6.4)

Если рабочее тело расширяется только в соплах статора, а в кана­лах рабочих лопаток ротора происходит лишь изменение направления потока при постоянном давлении, то такая турбина (или ступень ее) называется активной. Если рабочее тело расширяется и в соплах ротора и в каналах рабочих лопаток ротора, то такая турбина (или ступень ее) называется реактивной.

Из уравнения (6.4) следует, что удельная работа (Дж/кг) ступени /л = Рии/тс. Отношение удельной работы к располагаемому теплопаде - ггию й0 называется относительным к. п. д. ступени турбины на ло­патках Г)ол.

Анализируя уравнение (6.4), можно показать, что для достижения Высокого значения Тіол необходимо обеспечить определенное соотноше - ниє между окружной скоростью движения лопаток и и абсолютной скоростью истечения из сопла с^ Для активных ступеней это отно­шение составляет и/сT =0,4...0,5.