9. Преобразование энергии в турбинной ступени

Под турбинной ступенью понимается совокуп­ность неподвижного ряда сопловых лопаток, в ка­налах которых ускоряется поток пара, и подвижного ряда рабочих лопаток, в которых энер­гия движущегося пара преобразуется в ме­ханическую работу.

Рис.10.Проточная часть ступени и развёртка цилиндрического сечения

На рис.10. представлен схематический чер­теж турбинной ступени в продоль­ном разрезе вдоль оси ротора и развертка цилиндрического сечения по диаметру d.

В каналах сопловых лопаток пар расширяется от давления перед сопловыми лопатками р_о до давления в зазоре между сопловыми и рабочими лопатками р₁. На выходе из сопловых лопаток пар приобретает в процессе расширения скорость с₁, направленную под углом к вектору окружной скорости рабочих лопаток. Направление потока под углом задается соответствующей фор­мой и установкой сопловых лопаток.

Рабочие лопатки перемеща­ются перед соплами с окружной скоростью и. Зна­чение этой скорости зависит от диаметра d, на ко­тором расположены рабочие лопатки, и от частоты вращения ротора п.. На входе в рабочие лопатки пар в относительном движении перемещается с относительной скоростью w₁.

Вектор относительной скорости , определяется геометрическим вычитанием из абсо­лютной скорости окружной скорости . Векторы , и скоростей образуют треугольник скоростей на входе в рабочие лопатки (входной треугольник).

Угол между векторами относительной и окружной скоростей обозначают Направление входных кромок рабочих лопаток при изго­товлении определяется направлением относитель­ной скорости, т.е. углом .

При течении в каналах рабочих лопаток происходит дальнейшее расшире­ние пара от давления р₁ до давления р₂ за рабочими лопатками, а также поворот потока. За счет поворота потока в кана­лах рабочих лопаток создается активная часть уси­лия, а за счет ускорения потока в каналах рабочих лопаток – реактивная часть усилия, действующего на рабочие лопатки.

На выходе из каналов рабочих лопаток относи­тельная скорость рабочего тела обозначается и определяется кинетической энергией в относитель­ном движении на входе в каналы рабочей решетки и энергией при расширении рабочего тела от давления р₁ до давления р₂. Сложив векторы относительной и окружной скоростей, получим вектор абсолютной скорости .

Угол вектора ско­рости c направлением, обратным обозначают , а его значение определяется формой профиля рабочей лопатки и ее установкой на роторе; при этом направлением выходной кромки рабочей ло­патки определяется направление относительной ско­рости потока на выходе из рабочих лопаток. Угол вектора скорости с направлением, обратным обозначают . Треугольник скоростей, образованный векторами , и называют выходным.

Рис.11. Тепловой процесс ступени на h-s диаграмме

Процесс течения пара в турбинной сту­пени изображен на рис.11. в h,s-диаграмме.

Расши­рение рабочего тела в сопловых каналах ступени от состояния перед ступенью, определяемого точкой 0, до точки 1_t соответствует теоретическому процессу течения в соплах. Реальный процесс в соплах сопровождается потерями энергии ∆H_с, которые в виде теплоты вновь возвращаются в поток и повышают энтальпию за соплами. Действительное состояние рабочего те­ла за соплами изображается точкой 1. Разность эн­тальпий в сумме с кинетической энергией на входе в сопла составляет располагаемую энергию в соплах , равную кинетической энергии потока на выходе из сопл при истечении без потерь энергии. В соответствии с уравнением сохранения энергии теоретическая скорость потока на выходе из сопл определяется по следующей формуле:

(2)

Действительная скорость истечения из-за потерь энергии в соплах меньше и равна

(3)

где – коэффициент потерь.

Теоретический процесс расширения рабочего тела в рабочих лопатках изображается линией от точки 1 до точки 2t, разность энтальпий этих точек обозначает­ся Нор и называется располагаемым теплоперепа­дом рабочих лопаток. С учётом потерь энергии в рабочих лопатках ∆H_p процесс завершиться в точке 2.

По аналогии с формулой (2) полу­чим выражение для определения теоретической скорости потока в относительном движении на вы­ходе из рабочих лопаток

(4)

Действительная скорость на выходе из рабочих лопаток будет меньше :

(5)

где - коэффициент потерь скорости на рабочих лопатках.

Значения абсолютной скорости с₂ угла определяют из геометрических характеристик вы­ходного треугольника.

Рис.12. Треугольники скоростей турбиной ступени

Изображенные на рис.10 треугольники скоро­стей на входе и выходе из рабочих лопаток при рас­чете турбинной ступени обычно совмещают верши­нами в одну точку (рис.12). Для построения треугольников скоростей угол вектора скорости выбирают в интервале от 11 до 25⁰. Окружную скорость рабочих лопаток рассчитывают по формуле

(6)

где d – средний диаметр ступени, м; n – частота вращения ротора, с^-1.

Из геометрических характеристик входного тре­угольника скоростей определяют относительную скорость и угол , из выходного треугольника – абсолютную скорость с₂ и угол α₂.