ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

КАК РАБОТАЕТ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

Разовая турбина — это такой тепловой двигатель, рабо-

* чие части которого совершают лишь вращательное движение под действием струи газа.

Главной частью турбины служит рабочее колесо — диск, на ободе которого укреплены рабочие лопатки. Под действием газа лопатки двигаются, вращая диск. Послед­ний жестко скреплен с валом. Рабочее колесо вместе с валом называется ротором турбины (рис. 2). Механиче­ская энергия вращающегося ротора турбины передается либо генератору электрического тока, либо гребному винту корабля, воздушному винту самолета и т. д.

Газовая струя может воздействовать на лопатки тур­бин двояко. В соответствии с этим и турбины принято делить на два класса: активные и реактивные турбины.

В активной турбине газ поступает на рабочие лопатки с большой скоростью. Благодаря инерции газ стремится продолжать свое равномерное прямолинейное движение. Но на пути стоит изогнутая лопатка. Она отклоняет струю газа. При повороте быстро движущегося газа он развивает большую центробежную силу [33]). Эта сила и за­ставляет лопатки двигаться. Газ, отклоненный лопатками турбины в сторону, обратную первоначальному напра-

Игтрнитл ргп птгп^рнма пыуп -

Ходя между лопатками турбины, газ теряет часть своей энергии. Эта энергия и идет на вращение рабочего колеса и вала турбины. Следовательно, можно сказать, что чем больше энергия газа, поступающего в рабочее колесо, и чем она меньше при выходе газа из колеса, тем большую полезную работу может совершить турбина.

Отсюда сразу видны те задачи, которые встают при создании активной турбины. Во-первых, надо сообщить газу, поступающему в рабочее колесо, максимальную ско­рость. Во-вторых, надо выбрать такую форму лопаток и задать рабочему колесу такую скорость вращения, чтобы при выходе из колеса газ имел возможно меньшую ско­рость. Ясно также, что следует предельно уменьшить по­тери энергии на трение, на вихреобразование и другие непроизводительные расходы энергии газа.

В реактивной турбине газ поступает на рабочие ло­патки с незначительной скоростью, но под большим да-

Влением. Форма лопаток реактивной турбины подобрана такой, что образующийся между двумя лопатками канал сужается от передней кромки лопаток к задней (рис. 3). Значит, газ, проходя через рабочее колесо, течет по су-

Рис. 3. Лопатки газовой турбины: а — актив­ной, б — реактивной. Вверху — вид сбоку, вни­зу— поперечные сечения лопаток. Черной кра­ской изображены лопатки рабочего колеса, за­штрихованы — неподвижные лопатки напра­вляющего аппарата.

Жающимся каналам. А для того, чтобы весь газ, вошед­ший в широкое входное сечение канала, мог выйти через узкое выходное сечение, он должен двигаться все быстрее. Поэтому при движении газа между лопатками реактивной турбины его скорость сильно возрастает.

Струя газа, выходя из рабочего колеса, создает так называемую реактивную силу. Чем больше скорость

Вытекающих газов, тем большая сила реакции действует на лопатки турбины.

Вот простой пример, поясняющий, что такое реактив­ная сила. В закрытом сосуде находится сильно сжатый газ. Из физики известно, что в этом случае давление газа передается во все стороны с одинаковой силой: оно рав­номерно распределяется по стенкам сосуда, который при этом остается неподвижным. Но стоит нам удалить одну из стенок, как сжатый газ устремится через отверстие наружу. Давление газа на противоположную (по отно­шению к отверстию) стенку уже не будет уравновеши­ваться, и сосуд начнет двигаться.

С подобным же явлением мы сталкиваемся и при вы­стреле из огнестрельного оружия. Каждому, кто стрелял из ружья или пистолета, известно действие отдачи. В мо­мент выстрела пороховые газы с огромной силой равно­мерно давят во все стороны. Давление пороховых газов на пулю выбрасывает ее из ружья, а давление их на дно гильзы (реакция газов) является причиной отдачи.

Турбин, работающих на чисто реактивном принципе, на практике не бывает. В реактивных турбинах исполь­зуется и центробежная сила, которая наряду с силой реакции действует на лопатки, заставляя их вращаться.

Для эффективной работы газовой турбины к ее рабо­чему колесу необходимо подводить газ, имеющий опре­деленную скорость. Для этого поступающий в турбину газ, прежде чем войти в рабочее колесо, проходит через специальный направляющий аппарат (иногда его назы­вают также сопловым аппаратом). Он состоит из ряда неподвижных лопаток, жестко укрепленных на корпусе турбины. Форма и расположение лопаток направляющего аппарата подобраны таким образом, чтобы между лопат­ками образовывались сужающиеся каналы, поворачиваю­щие поток газа в сторону вращения рабочего колеса. Газ, двигаясь по каналам между лопатками направляющего аппарата, увеличивает свою скорость и получает требуе­мое направление движения. Таким образом, задача на­правляющего аппарата — сообщить газу необходимую скорость и нужное направление движения.

В рабочем колесе газ проходит по кольцевому про­странству между ободом колеса и кожухом турбины, то есть там, где расположены лопатки. Поэтому сопловой аппарат также представляет собой кольцевой канал, в ко­тором на равном расстоянии друг от друга установлены направляющие лопатки.

Ротор турбины и сопловой аппарат, заключенные в соответствующий кожух, и образуют газовую турбину.

Турбины различаются также по направлению газо­вого потока. Если газ течет параллельно оси турбины,

То турбина называется аксиальной или осевой, а если перпендикулярно, то радиальной.

Радиальная турбина, в которой газ движется от центра к внешней части колеса, носит название цент­робежной. Именно такой была первая газовая турбина, построенная в конце прошлого века. Если же газ дви­жется от внешней части к центру, то такая турбина называется центростремительной. Подобная турбина
была применена на одном из авиационных двигателей в 1944 году.

Подавляющее же большинство современных газовых турбин относится к осевому типу (рис. 4).

Скорость вращения ротора турбины должна быть со­гласована со скоростью движения газа через рабочее

Колесо. Теория турбин по­казывает, что для того, чтобы осуществить наивы­годнейший режим работы турбины, надо выдержи­вать определенную зави­симость между скоростью движения газа и окруж­ной скоростью лопаток турбины.

Однако скорость вра­щения ротора ограничена механической прочностью диска и лопаток. Поэтому должна быть ограничена и скорость движения газа в рабочем колесе. Этим самым ограничивается ве­личина энергии газа, кото­рую может использовать колесо турбины.

Как же быть, если газ, поступающий в турбину, имеет большой запас энер­гии? В таком случае надо разделить процесс преобразования внутрен­ней энергии газа в меха­ническую энергию враще­ния ротора на несколько этапов, ступеней. Это достигается применением турбины с несколькими рядами рабочих лопаток (рис. 5). Между каждыми двумя рядами рабочих лопаток помещается ряд неподвижных лопаток направляющего аппарата. Газ последовательно проходит сначала через первый ряд на­

Правляющих лопаток в первый ряд рабочих лопаток, затем через вторые ряды направляющих и рабочих ло­паток и т. д.

Каждый ряд лопаток направляющего аппарата и сле­дующий за ним ряд рабочих лопаток называют ступенью турбины. Когда газ проходит через первую ступень, его давление несколько снижается. Во второй ступени проис­ходит дальнейшее снижение давления. И так до тех пор, пока давление газа не упадет до атмосферного.