5. Устройство простейшей активной турбины

Схема активной турбины совместно с диаграммой изменения параметров потока пара показана на рис.5.

Ротор турбины образован диском 2 с рабочими лопатками 3 и валом 4. Корпус турбины 5 снабжён соплом 4 и имеет выпускной патрубок. Пар по выходе из неподвижных сопел с абсолютной скоростью с₁ поступает на рабо­чие лопатки. В соответствии с формой кана­лов рабочих лопаток и потерями на послед­них, направление и скорость пара изменяются и пар покидает лопатки с абсолютной ско­ростью с₂. Поток пара через кана­лы лопаток оказывает центробежное движущее усилие.

Таким образом, мы видим, что активная турбина имеет следующую характерную особенность: падение давления пара происходит только в сопле (или в соплах, если их несколько); давление пара при входе на лопатки и выходе с них одинаково.

Рис.5. Турбина с одной ступенью скорости

Для эффективного использования кине­тической энергии пара скорость и на средней окружности лопаточного венца должна быть, как мы показали раннее, в 2 раза меньше скорости истечения пара из сопла.

Так, для возможной скорости истечения пара =1 200 м/с ско­рость и на средней окружности лопаточного венца должна равняться 600 м/с. Такую вы­сокую окружную скорость осуществить в тур­бине невозможно, так как не суще­ствуют материалы могущие выдержать ко­лоссальные напряжения от центробежной силы, развивающейся при окружных скоростях значительно превышающих 400 м/с.

Отступление же от наивыгоднейшего отношения u/c₁ вызывает сильное снижение КПД турбины.

Таким образом, в одноступенчатой турбине можно использовать с хорошим КПД лишь сравнительно небольшой теплоперепад.

Повышение экономичности турбины, рабо­тающей при большими теплоперепадами возможно путем применения ступеней скорости или ступеней давления.

6. Устройство активной турбина со ступенями скорости

Допустим, что диск турбины представленной на рис. 5 вращается, но медленно, так что скорость лопаток значи­тельно меньше половины скорости пара. В этом случае пар, вступив на движущиеся лопатки, совершит некоторую работу, отдаст часть своей кинетической энергии и уйдет с лопаток, обладая еще значительной ско­ростью.

Естественно напрашивается мысль использовать оставшуюся скорость дальше; если направить пар на второй ряд лопаток, установив его, например, на том же самом диске, то пар отдаст им часть оставшейся кинетической энергии.

Сущность происходящего явления легче понять, если рассмотреть рис.6.

Рис.6. Пример использования кинетической энергии струи в одной (А) и двух (Б) ступенях скорости

Изо­браженная на рисунке тележка А движется со скоростью, равной половине скорости подхода струи, и струя, отдавая ей всю свою энергию, уходит с вогнутой поверхности со скоростью в направлении движения тележки, равной нулю (относительно какой-либо непо­движной точки пространства).

Тележка Б движется со ско­ростью, равной четверти скорости подхода струи. По выходе с верхней вогнутой поверх­ности струя будет иметь скорость, равную половине начальной; затем, не теряя скорость, она меняет направление на неподвижной на­правляющей лопатке 2 и подходит, таким образом, к поверхности 3 со скоростью, уже удовлетворяющей выведенному нами выше условию, т. е. в 2 раза большей, чем скорость тележки. На поверхности 3 струя отдаёт оста­ток своей скоростной энергии.

Рис.7. Турбина с двумя ступенями скорости

Таким образом, благодаря применению, двух ступеней скорости тележка Б может двигаться в 2 раза мед­леннее тележки А, используя весь скоростной напор струи.

В турбине деление скорости на ступени производится следующим образом (рис.7). Пар с давлением подводится к соплу 4 откуда вытекая со скоростью с₁ вступает в первый ряд рабочих лопаток 3, где часть его скоростной энергии превращается в работу. Выйдя со скоростью с₂ из первого ряда рабочих лопаток, пар попадает в кольцо с неподвижными направляющими лопатками 7, в которых направление пара меняется в соответствии с профилем второго ряда рабочих лопаток.

Во втором ряду рабочих лопаток, куда пар входит скоростью несколько меньшей, чем с₂ вследствие потерь в направляющих ло­патках, превра­щается в работу еще часть скоростной энергии­ потока; покидая рабочие лопатки второго ряда, пар имеет незначительную скорость .

Теоретически при двух ступенях скорости наивыгоднейшая окружная скорость u будет в два раза меньше, чем для одноступенчатой турбины, использующей тот же теплоперепад.