12.3. Многоступенчатые турбины

Чтобы турбины со значительным тепловым перепадом могли экономично работать при умеренной окружной скорости, применяют многоступенчатое расширение газа. По конструкции это могут быть ступени скорости и ступени давления.

Одноступенчатая турбина способна работать при малом отношении и/с₁, но при этом увеличивается выходная скорость с₂, и следовательно, увеличиваются выходные потери, уменьшается КПД турбины. Увеличенную выходную скорость с₂ можно использовать на втором венце рабочих лопаток, для чего перед ними необходимо поставить ряд направляющих лопаток, которые повернут струю газа и подадут ее на рабочие лопатки второй ступени под необходимым углом. Если на выходе из второй ступени скорость газа оказывается еще значительной, можно поставить третью ступень для дальнейшего уменьшения выходной скорости. Такая конструкция турбины позволяет свести к минимуму выходные потери.

Рабочие лопатки ступеней скорости (рис. 12.8) размещают обычно на одном диске, называемым диском или колесом Кертиса. В соплах 1 газ расширяется до конечного значения Р₁ = Р₂ и поступает на рабочие лопатки 2 первой ступени. Из каналов рабочих лопаток газ выходит с большой скоростью с₂. Неподвижные направляющие лопатки 3 подводят газ ко второму венцу рабочих лопаток 4 под необходимым углом.

Ч исло ступеней скорости ограничивается обычно двумя, так как при увеличении числа ступеней уменьшается КПД турбины. Ступени скорости выполняются только активными.

Определим оптимальное отношение и/с₁ турбины со ступенями скорости. Предположим, что турбина работает без потерь и лопатки симметричны, т.е. ; ; . Треугольники скоростей (рис. 12.9) при образуют прямоугольный треугольник со сторонами с₁, 4и, . Тогда 4и = с₁cosα₁, или в общем случае

,

где z – число ступеней. Таким образом, при данном тепловом перепаде окружная скорость колеса Кертиса обратно пропорциональна числу ступеней. Канал для прохода газов многоступенчатой турбины со ступенями скорости на всем своем протяжении имеет одинаковое проходное сечение.

Другим методом уменьшения окружной скорости турбины является применение ступеней давления.

Если весь располагаемый теплоперепад i₀ – i₁ разделить между несколькими последовательно установленными одноступенчатыми турбинами, то скорость газа в каждой из них определяется по формуле

,

где Z – число элементарных турбин или ступеней давления.

При сохранении оптимального отношения и/с₁ (например, 0,5cosα₁), окружная скорость лопаток в раз меньше, чем в одноступенчатой турбине. Окружная скорость турбины со ступенями давления обратно пропорциональна квадратному корню из числа ступеней. В турбине со ступенями давления диски размещены на общем валу и заключены в общем корпусе. Канал для прохода газов многоступенчатой турбины со ступенями давления расширяется.

Таким образом, для достижения одинаковых окружных скоростей при прочих равных условиях число ступеней давления должно быть больше числа ступеней скорости. Турбины со ступенями давления могут выполняться как активными, так и реактивными.