3. Активный принцип работы пара в турбине

При расширении пара в сопловом канале тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию скорости.

При ударе струи о плоскую поверхность (Рис.3а) кинетическая энергия частично превратится в полезную работу её пере­мещения, а частично будет затрачена бесполезно на отбрасывание частиц потока в стороны и разрушение поверхности.

О чевидно, что в паровой турбине потеря энергии, т.е. та часть энергии, которая не превращается в полезную работу, должна быть минимальной. Достигнуть этого при ударном действии струи нельзя; форма лопаток турбины должна быть выбрана такой, чтобы струя пара, выходящая из сопла, плавно вступала на лопатки и передавала им наибольшую возможную часть своей энергии.

Путем расчета и опытов было найдено, что поверхности лопатки следует придать такую форму, чтобы струя совершала пово­рот и меняла направление своего движения на прямо противоположное (рис.3б).

В этом случае на лопатку действует со стороны движу­щейся криволинейно струи центробежная си­ла, которая оказывает на нее давление и заставляет пере­мещаться и совершать работу.

Совершаемая работа естественно зависит от скорости обтекания лопатки потоком. Эта скорость в условиях движущейся лопатки будет относительной, равной разности между скоростями потока и лопатки.

Величина наиболее эффективной относительной скорости может быть уяснена из следующих рассуждений.

Нетрудно сообразить, что если лопатка движется под действием какой-либо внешней силы с той же самой скоростью, что и направленная на нее струя пара, то она не оказывает струе какого-либо сопротивления и не заимствует у нее хотя бы части ее скоростной энергии.

Вообразим теперь, что лопатка закреплена и тогда струя пара не совершит ра­боты, а переменит направле­ние своего движения на обратное и уйдет с лопатки с той скоростью, с какой она на нее вступила.

Рассмотрим теперь такой пример: до­пустим, что скорость струи пара равна 500 м/c, а скорость лопатки равна 250 м/c. В этом случае струя вступит на ло­патку с относительной скоростью в 250 м/c и изменив направление своего движения на обратное, уйдет с лопатки со скоростью также 250 м/c относительно лопатки.

Но так как лопатка движется вперед со скоростью 250 м/c, то скорость обратного движения струи равна и противоположна по направлению скорости лопатки и по отноше­нию к какой либо неподвижной точке про­странства будет равна нулю.

Из сказанного можно сделать тот вывод, что для полного использования кинетической энергии пара при активном принципе её передачи скорость движения лопатки должна быть в 2 раза меньше скорости истечения струи пара из сопла.

4. Реактивный принцип работы пара в турбине

Струя пара, вытекающая из сопла со скоростью большей, чем та с которой она в него вступила, оказывает на сопло реактивное воздействие. Использование реактивной силы есть второй способ превращения скорости истечения пара в механическую работу.

Для того чтобы получить максимальное количество работы, мы должны полностью ис­пользовать всю скорость пара. Для этого нужно, чтобы сопловые каналы двигались с той же скоростью, что и вытекающая из них струя пара, но в обратном направлении; тогда скорость пара относительно любой неподвижной точки будет равна нулю, и вся кинетическая энергия пара будет использована.

В конце ХIХ столетия была построена мно­гоступенчатая турбина, у которой расширение пара производилось в каналах, образуемых лопатками неподвижных и подвижных лопа­точных венцов, т. е. как в соплах, так и на ра­бочих лопатках. Именно такая турбина полу­чила развитие под названием реактивной тур­бины.

Рассмотрим подробнее процесс в такой тур­бине. Допустим, что через сопло 1 (рис.4.) подводится пар к лопаткам 2-3 и 4-5, образую­щим криволинейный канал.

В сопле 1 пар ча­стично расширяется, т. е. теряет давление и приобретает скорость. Вступая в канал, обра­зованный лопатками 2-3 и 4-5, струя меняет направление, вследствие чего развивается центробежная сила частиц пара. Допустим, что суммарное усилие, испытываемое лопат­кой от этого активного действия струи выра­зится силой Р_акт, направление которой зави­сит от формы лопатки.

Рис.4.Расширение пара между лопатками реактивной турбины

Однако этим дело не ограничивается: фор­ма лопаток выбрана таким образом, что сече­ние канала между ними сужается в направле­нии выхода пара. Благодаря этому сужению скорость протекающего пара должна возра­стать по направлению от сечения 2-4 к сече­нию 3-5. Повышение скорости может произойти только за счет падения давления, т е. рас­ширения пара. Следовательно, давление пара должно понижаться по мере приближения его к выходу из канала, и в сечении 3 -5 оно ниже, чем в сечении 2-4. В ре­зультате ускорения паровой струи возникает некоторая ре­активная сила, которую мы условно обозначим Р_реакт. Сло­жив по правилам механики силы P_акт и Р_реакт, мы получим равнодействующую силу Р. Однако разность давлений р₁ и р₂ у входа и выхода из ло­паточного канала приводит к появлению дополнительной осевой (аксиальной) силы Р_акс, действующей на лопатку вдоль оси вращения ротора. Сумма сил Р и Р_акс дает ре­зультирующую силу Р_рез, кото­рая собственно и будет производить работу.

Таким образом, реактивный принцип действия турбины предполагает использование одновременно с центробежной движущей силой и реактивной силы формируемой ускоренным истечением потока пара из решётки рабочих лопаток.