5. Что такое турбинная ступень? Из каких элементов она состоит?

Под турбинной ступенью понимается совокупность неподвижного ряда сопловых лопаток и подвижного ряда рабочих лопаток. Сопловые решётки крепятся в неподвижной диафрагме.

В каждой решетки лопатки одинаковы, установлены под одним и тем же углом и расположены относительно друг друга на одинаковом расстоянии. Все турбинные решетки – кольцевые. Профили решеток образуют каналы различной формы (сужающиеся, расширяющиеся и постоянного сечения). Передняя часть профиля называется входной кромкой, выходная – выходной кромкой. Выпуклая поверхность профиля называется спинкой или стороной разряжения, вогнутая поверхность – корытцем или стороной давления.

Диафрагма представляет собой пластину, состоящую из двух половин; она разделяет области двух давлений и должна быть очень жёсткой. Рабочие лопатки закрепляются на дисках, которые потом насаживают на вал. Проточная часть осевой ступени и развёртка цилиндрического сечения по среднему диаметру ступени представлена на рис. 2.4.

В каналах сопловых лопаток происходит ускорение потока пара или газа, а в рабочих лопатках энергия движущегося пара или газа преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины.

5. Какие силы действуют на рабочие лопатки, что такое степень реактивности.

Аэродинамические силы, действующие на рабочие лопатки при обтекании их рабочим телом, возникают вследствие поворота потока в каналах и его ускорения. Для их определения рассмотрим поток в рабочих лопатках, в котором выделим неподвижный контур 1–1–2–2–1 , условно охватывающий одну лопатку (рис. 2.7).

Рис. 2.7. К выводу уравнения изменения количества движения для турбинной ступени

На выделенную часть потока со стороны лопаток действует сила реакции лопаток, со стороны отброшенной части потока – силы давления на поверхности 1–1, 2–2, 1–2. Силы давления на левой и правой поверхностях контура 1–2 равны по значению и противоположно направлены и поэтому взаимно уравновешиваются.

На основании закона механики импульс сил, действующих на выделенную неподвижным контуром часть потока, равен изменению количества движения рабочего тела, протекающего через контур. Уравнение, соответствующее этому закону, запишем в векторной форме: .

В этом уравнении первый член представляет собой импульс силы, действующей со стороны лопаток, второй член – импульс сил давления на поверхности Ω 1–1 и 2–2; в правой части записано изменение количества движения массы dm, вытекающей через сечение 2–2 и втекающей через сечение 1–1 за время dt. Под Ω понимается площадь, ометаемая рабочими лопатками при движении в активном потоке рабочего тела. При подводе рабочего тела по всей окружности рабочего колеса Ω = dl2.

Со стороны потока рабочего тела на рабочие лопатки турбиной ступени осевого типа действует окружное усилие, равное: Ru = G(c1cos1 – c2cos2). Направление окружного усилия Ru совпадает с направлением окружной скорости рабочих лопаток. Поэтому окружное усилие Ru определяет работу, совершаемую потоком на рабочих лопатках и, следовательно, на роторе турбины.

Сила реакции лопаток на окружное усилие равна:

.

Кроме того, перпендикулярно вектору окружной скорости на рабочие лопатки действует осевое усилие, которое можно определить по формуле:

Ra = G(c1sin1 – c2sin2) + (p1 – p2).

Так как осевое усилие направлено перпендикулярно вектору окружной скорости оно не производит работы. Составляющая Ra должна учитываться при расчёте осевых усилий, воспринимаемых упорным подшипником ротора турбины.

Сила реакции лопаток на осевое усилие определяется по формуле:

Ra = G(c2sin2 – c1sin1) + (p2 – p1).

Соотношения между скоростями и углами потока в турбинной ступени в большой степени зависят от степени реактивности . Под степенью реактивности ступени понимается отношение располагаемого теплоперепада рабочих лопаток к сумме располагаемых теплоперепадов сопловых и рабочих лопаток:

. (2.19)

Чем выше степень реактивности, тем больше ускоряется поток в рабочих лопатках и, следовательно, относительная скорость на выходе w2t увеличивается по сравнению со скоростью w1.

Ступень со степенью реактивности равной нулю называется активной.