Теоретическое введение

Турби́на (от лат. turbo вихрь, вращение) — двигатель с вращательным движением рабочего органа (ротора), преобразующий потенциальную энергию, кинетическую энергию, внутреннюю энергию рабочего тела, пара, газа, воды, в механическую работу. Струя рабочего тела воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение.

Рис. 1. Вид на лопатки турбины, закреплённые на роторе турбокомпрессора.

Н а рис. 3. (а) показана схема простой одноступен­чатой турбины. Основными частями её являются; корпус (цилиндр) турбины 1, в котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатка 3, установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Вал турбины вращается в подшипниках 6. В местах выхода вала из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих газов из корпуса турбин. Все вращающиеся части, турбины (рабочие лопатки, диск, вал) составляют её ротор. Корпус с неподвижными направляющими лопатками и уплотнениями образует статор турбины. Диск с лопатками образует рабочее колесо.

С

Рис. 2. ГТУ с турбиной высокого давления (ТВД) и силовой турбиной (СТ)

овокупность ряда направлявших и рабочих лопаток называет­ся турбинной ступенью. На рис. 3. (б) вверху изображена схема та­кой турбинной ступени и внизу дано сечение направляющих и рабо­чих лопаток цилиндрической поверхности а-а, развернутой затем на плоскость чертежа. Направляющие лопатки 1 образуют в сечении суживающиеся каналы, называемые соплами. Каналы, образованные рабочими лопатками 2, также обычно имеют суживающуюся форму.

Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение и соответствующее увеличе­ние скорости. При этом давление и температура газа падают. Та­ким образом, в соплах турбины совершается преобразование потен­циальной энергии газа в кинетическую энергию. После выхода из сопел газ попадает в межлопаточные каналы рабочих лопаток, где изменяет свое направление.

а) б) в)

Рис. 3. а) Схема одноступенчатой турбины: 1 – корпус, 2 – направляющие лопатки, 3 – рабочие лопатки, 4 – обод диска, 5 – вал, 6 – подшипники, 7 – концевые уплотнения; б) Схема турбинной ступени: 1 – направляющие лопатки, 2 – рабочие лопатки; в) Схема многоступенчатой турбины: 1-подшипники; 2-концевые уплотнения; 3-входной патрубок; 4, 5-направляющие лопатки; 6-рабочие лопатки; 7-ротор; 8-выходной патрубок турбины.

При обтекании газом рабочих лопаток давление на их вогнутой поверхности оказывается большим, чем на выпуклой, и под влиянием этой разности давлений происходит вращение рабочего колеса (направление вращение на рис. 3. (б) показано стрелкой u). Таким образов, часть кинетической энергии газа преобразуется на рабочих лопатках в механическую энергию и передается через диск на вал турбины. Работа турбинной ступени может быть эффективной только при определенном соотноше­нии между скоростью с₁ выхода газа из сопловых каналов и ок­ружной скоростью U на рабочих лопатках. В зависимости от типа ступени отношение скоростей выбирается обычно в интервале: 0,4…0,9.

При высокой начальной температура газа и большой степени понижения давления в ступени скорость с₁ истечения га­за из сопел также получается большой. В этом случае, чтобы вы­держать необходимое отношение , требуется иметь большую окружную скорость рабочего колеса. Величина последней может оказаться недопустимей по соображениям прочности рабочих лопа­ток или диска турбины. В таких случаях турбины выполняются многоступенчатыми.

Схема многоступенчатой турбины показана на рис. 3. (в). Турбина состоит из ряда по­следовательно расположенных отдельных ступеней, в кото­рых происходит постепенное расширение газа. Падение да­вления, приходящееся на каж­дую ступень, а, следовательно, и скорость с₁ в каждой сту­пени такой турбины, меньше, чем в одноступенчатой. Число ступеней может быть выбрано таким, чтобы при заданной окружной скорости и было получено желаемое отношение

В

Рис. 4. Характеристика турбины при различных режимах

Т₃

Т₃ < T’₃

T₃ << T’₃

отличие от компрессора, для которого частота вращения является одним из важнейших параметров переменного режима, так как она влияет на расход воздуха и напор компрессора, в турбине при варьировании числа оборотов происходят сравнительно небольшие изменения. Главные изменения режима работы турбины возникают при колебаниях термодинамических параметров, особенно давления перед или за турбиной, и в первую очередь они отражаются на расходе. Для турбин приводных ГТУ, в которых каждый отсек турбины приводит компрессорную машину, связь между расходом и термодинамическими параметрами с достаточной для инженерных целей точностью описывается следующим уравнением:

, (1)

где G, T₃ и π_т – соответственно расход продуктов сгорания через турбину, температура продуктов сгорания перед турбиной и степень расширения турбины при номинальном режиме работы установки; параметры, отмеченные символом «’» характеризуют расчетный режим работы ГТУ.

Графически характеристика турбины представляет собой семейство кривых с постоянными значениями T₃ (рис. 4.).