16.3. Реактивная турбина

Для реактивных турбин самым выгодным соотношением является и/с₁=cosα, что обусловит увеличение окружной скорости в два раза по отношению к активной турбине. Поэтому такие турбины выполняются многоступенчатыми.

В реактивных турбинах площади межлопастных каналов рабочего колеса и направляющего аппарата не остаются постоянными, а сужаются при протекании потока от входа до выхода (рис.61.). Газ с давлением р₀ попадает в направляющий аппарат ступени. Здесь давление несколько падает, а скорость с₀ возрастает до с₁. Сужающийся канал играет роль сопла. Попадая на лопасть рабочего колеса газ продолжает терять давление при снижении абсолютной скорости от с₁ до с₂. Относительная скорость возрастает от w₁ до w₂.

При уменьшении абсолютной скорости (абсолютной кинетической энергии) и возрастании относительной скорости (относительной кинетической энергии) совершается работа вращения вала турбины. Далее газ со скоростью с₂ направляется в второй ряд лоп астей направляющего аппарата, где снова повторяется его расширение и возрастание скорости до с₁. На лопастях рабочего колеса абсолютная скорость понижается от с₁ до с₂, а относительная –увеличивается и т.д.

Таким образом, работа газа в ступени определяется суммой изменений абсолютной и относительной кинетической энергии

, Дж/кг.

Если теплоперепад (энтальпию) в соплах принять за h₁, а теплоперепад в рабочих колесах за h₂, то отношение адиабатного теплоперепада h₂ к полному адиабатному перепаду ступени h₀= h₁+ h₂ представляет степень реактивности колеса турбины В активных турбинах h₂=0 и ρ_к=0.

В действительных турбинах активный принцип всегда сопровождается реактивным действием и реактивный принцип – активным действием. Активными считаются турбины с ρ_к≤ 0,4. Турбины с ρ_к> 0,4 являются реактивными. Для реактивных турбин ρ_к обычно находится в пределах 0,8-0,94. Для активных турбин ρ_к – 0,05-0,25.

16.4.Простая газотурбинная установка непрерывного горения

В зависимости от способов организации подвода теплоты к рабочему телу и организации процессов сжатия и расширения, газотурбинные установки могут быть выполнены по открытому (разомкнутому), закрытому (замкнутому) и полузамкнутому циклам.

В ГТУ открытого цикла, представляющих наибольший промышленный интерес и получивших наибольшее распространение, наружный воздух, пройдя систему очистных фильтров, процесс сжатия в компрессоре, систему подвода тепла в камере сгорания и процесс расширения образовавшихся продуктов сгорания в газовой турбине, через выхлопную трубу выбрасывается в атмосферу и его уже нельзя вернуть в установку вновь в качестве рабочего тела.

Принципиальная схема простой газотурбинной установки пока­зана на рис.62. Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы,сжимает его до опреде­ленного давления и по­дает в камеру сгорания 2. Сюда же непрерывно поступает жидкое или газообразное топливо. Сгорание топлива при такой схеме происходит непрерывно, при посто­янном давлении, поэто­му такие ГТУ называют­ся газотурбинными уста­новками непрерывного сгорания или ГТУ со сгоранием при постоян­ном давлении.

Горячие газы, образовавшиеся в камере сгорания в результа­те сжигания топлива, поступают в турбину 3. В турбине газ расширяется, и его внутренняя энергия преобразуется в механическую работу. Отработавшие газы выходят из турбины в окружающую сре­ду (в атмосферу).

Часть мощности, развиваемой газовой турбиной, затрачивает­ся на вращение компрессора, а оставшаяся часть (полезная мощность) отдается потребителю. Мощность, потребляемая компрессором, относительно велика и в простых схемах при умеренной температу­ре рабочей среды может в 2-3 раза превышать полезную мощность ГТУ. Это означает, что полная мощность собственно газовой турбины должна быть значительно больше полезной мощности ГТУ.

Т ак как газовая турбина может работать только при наличии сжатого воздуха, получаемого только от компрессора, приводимого во вращение турбиной, очевидно, что пуск ГТУ должен осуществляться от постороннего источника энергии (пускового мотора), с помощью которого компрессор вращается до тех пор, пока из каме­ры сгорания не начнет поступать газ определённых параметров и в количестве, достаточном для начала работы газовой турбины.

Из приведенного описания ясно, что газотурбинная установка состоит из трех основных элементов: газовой турбины, компрес­сора и камеры сгорания.

Камера сгорания. Назначение камеры сгорания заключается в повышения температуры рабочего тела за счет сгорания топлива в среде сжатого воздуха. Схема камеры сгорания показана на рис.63.

Сгорание топлива, впрыскиваемого через форсунку 1, происхо­дит в зоне горения камеры, ограниченной жаровой трубой 2. В эту зону поступает только такое количество воздуха, которое необхо­димо для полного и интенсивного сгорания топлива (этот воздух называемся первичным).

Поступающий в зону горения воздух проходит через завихритель 3, который способствует хорошему перемешиванию топлива с воздухом. В зоне горения температура газов достигает 1300...2000 °С. По условиям прочности лопаток газовых турбин такая температура недопустима. Поэтому получающиеся в зоне горения камеры горячие газы разбавляются холодным воздухом, который на­зывается вторичным. Вторичный воздух протекает по кольцевому пространству между жаровой трубкой 2 и корпусом 4. Часть этого воздуха поступает к продуктам сгорания через окна 5, а осталь­ная часть смешивается с горячими глазами после жаровой трубы. Таким образом, компрессор должен подавать в камеру сгорания в несколько раз больше воздуха, чем необходимо для сжигания топли­ва, а поступающие в турбину продукты сгорания получаются сильно разбавленными воздухом и охлажденными.