2.Устройство и принцип действия ступени турбины активного и реактивного типа.

Схематический продольный разрез одноступенчатой активной турбины показан на рис, 12а, а профили направляющих аппаратов и рабочих лопаток, развернутые на плоскость - на рис. 12 б.

Диск 3 турбины с рабочими лопатками 2 (см. рис. 12 а), на­саженный на вал 4, размещен в корпусе 5. Свежий пар (газ) поступает в направляющий аппарат 1, а отработавший пар (газ) выходит через патрубок 6.

Пар, который входит в направляющий аппарат (сопло) с начальной скоростью c_вх, в результате расширения выходит из направляющего аппарата со значительной абсолютной скоростью c₁ (см. рис. 12 б). При этом вектор скорости c₁ наклонен под углом α₁ к плоскости вращения диска. Лопатки движутся с окружной скоростью (м/с)

U=πdn/60

где d - диаметр ступени, измеряемый по середине высоты лопаток, м; п - частота вращения вала турбины, об/мин. Относительная скорость ω1 входа пара на рабочие лопатки равна геометрической разности скоростей с1 и и1; ее находят построением треугольника скоростей входа пара на лопатки. Относительная скорость входа пара на лопатки направлена под углом β1 к плоскости вращения диска. Очевидно, что этот угол должны иметь лопатки, чтобы пар входил в их каналы без удара. Пройдя канал без расширения, пар выходит из него под углом β2 к плоскости вращения диска с относительной скоростью w2,которая вследствие потерь на внутреннее трение при

д вижении пара, несколько меньше

относительной скорости ω₁ входа.

Давление

Скорость

Абсолютную скорость с₂ выхода пара из канала лопаток (гео­метрическая сумма величин ω₂ и и) и угол выхода α₂ определяют построением треугольника скоростей выхода. Угол β₂ наклона от­носительной скорости выхода оп­ределяется профилем' лопатки. Для лопаток симметричного профиля угол β₂ равен углу β₁. Так как относительная скорость пара при движении по каналу лопаток из­меняется незначительно, то канал лопаток активной ступени имеет приблизительно равные площади проходных сечений при входе и выходе пара,

В верхней части рис. 12 а представлены график изменения давления пара и график абсолютной скорости пара в активной сту­пени.

В ступени реактивной турбины в направляющих аппаратах, образованных неподвижными направляющими лопатками, происходит расширение пара до некоторого промежуточного давления. Таким образом, в кинетическую энергию превращается лишь некоторая часть располагаемого в ступени теплового (адиабатного) перепада, равная (1—ρ) h_о (где ρ - доля теплового перепада ступени, приходящегося на рабочие ло­патки). Величина ρ называется степенью реакции.

Давление

Рис. 12. Одноступенчатая турбина и профиль проточной части активной ступени

На рабочих лопатках пар продолжает расширяться, а давление падает до конечного. При этом скорость пара относительно лопаток увеличивается от значения ω₁ до некоторой большей

величины ω ₂, с которой пар покидает лопатки.

На рис. 13 показан в S—j-диаграмме процесс работы пара в реактивной ступени. Точка А на диаграмме соответствует начальному состоянию пара

Рис. 13. Диаграмма расширения Рис. 14. Профиль проточной

пара в реактивной ступени части реактивной ступени

перед направляющими лопатками, определяемому давлением р₀ и температурой t_o.

В каналах направляющих лопаток пар расширяется до про­межуточного давления р₁ и выходит из направляющих лопаток с абсолютной скоростью c₁ (м/с), определяемой из выражения

На рис. 14 показаны профили направляющих и рабочих лопаток реактивной ступени и треугольники скоростей. Треугольник скоростей входа при заданном угле α₁ выхода пара из каналов направляющих лопаток позволяет определить относительную скорость ω ₁ и угол β₁ входа пара на рабочие лопатки. Энтальпия пара при входе на рабочие лопатки вследствие потерь в направляющем аппарате определяется точкой D₁ на S—i-диаграмме (см. рис. 13).

В каналах рабочих лопаток происходит дальнейшее расширение пара, для чего канал делают суживающимся подобно каналам направляющих лопаток; при этом угол выхода β ₂ меньше угла входа β₁.

Расширение пара в каналах рабочих лопаток до конечного давления р₂ обеспечивает увеличение относительной скорости до значения ω ₂, которое превышает скорость ω₁.

Из треугольника скоростей выхода пара видно, что, хотя относительная скорость увеличивается, абсолютная скорость его падает до величины с₂. Степень реакции обычно составляет около 0,5, т. е. около половины всего располагаемого в ступени перепада теплоты перерабатывается в кинетическую энергию в каналах направляющих лопаток, а половина - в каналах рабочих лопаток. Это позволяет иметь приблизительно одинаковые профили каналов направляющего аппарата и каналов между рабочими лопатками. Ступени, работающие со степенью реакции 0,5, называются конгруэнтными.

Ступени, работающие со степенью реакции 0,1—0,15, обычно считают активными. В рабочих лопатках реактивной турбины всегда возникает осевое усилие, создаваемое разностью давлений по обе стороны лопаток.

Для наиболее полного использования на рабочих лопатках кинетической энергии пара нужно стремиться к достижению минимально возможной абсолютной скорости с₂ при выходе пара с рабочих лопаток. Для этого необходимы определенные соотношения между скоростью пара при входе на рабочие лопатки и окружной скоростью. В одноступенчатых турбинах, где используется значительный перепад теплоты, для соблюдения наивыгоднейшего отношения окружной скорости к абсолютной скорости с₁, равного для активных турбин 0,25—0,35, необходимы большие окружные скорости.

При больших окружных скоростях в одноступенчатых турбинах требуются большие диаметры дисков (часто недостижимые по конструктивным условиям) или большая частота вращения (до 20—30 тыс. об/мин). Турбины с такой частотой вращения невозможно использовать для непосредственного привода вала гребного винта или генераторов электрического тока.

Кроме того, изготовление турбинных дисков, работающих с высокими окружными скоростями и определяющих чрезмерные инерционные усилия, является сложным и дорогостоящим. В настоящее время в судовых турбинах окружные скорости, как правило, не превышают 250 м/с и лишь в некоторых конструкциях достигают 400 м/с и более.