Файл: Кононов, Н. И. Газовые турбины. Теория и расчет учебное пособие.pdf

Ленинградское высшее военно-морское иняеяеряое училище якени В.й.Ленина

Н.И.КОНОНОВ

ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

(Теория и расчет)

(Учебное пособие)

Ленинград

1974

Г Л А В А I

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

§ I . Принцип действия и конструктивная схема одноступенчатой газовой турбины

Газовая турбина является одним из основных элементов корабельной газотурбинной установки. Она обладает многими положительными качествами, к,лислу. которых относятся; простота конструкции, высокая эко'номшчность, возможность получения большой мощности з одари-, агрегате йри малом весе и габаритах, надежность в эксплуатации и др.

Поэтому газовые турбины широко применяются корабель­ ных установках для привода компрессоров, греб%®с винтов, вспомогательных механизмов и различных агрегатов.

Газовая турбина представляет собой ротативный тепловой двигатель, преобразующий тепловую энергию газа во внешнюю механическую работу. На входе в турбину газ обладает опре­ деленным запасом тепловой (потенциальной) энергии, кото­ рая определяется давлением р0 и температуройТ0 газа.

Непосредственное (прямое) преобразование тепловой энер­ гии газа в механическую работу в турбине невозможно. В турбине тепловая энергия газа должна быть предварительно преобразована ь кинетическую энергию с тем, чтобы в после­ дующем кинетическую энергию преобразовать в механическую

3

работу sa залу турбины. Следовательно, в турбине происхо­ дит двойное и непрерывное преобразование анергии.

В соответствии с двойным преобразованием тепловой энер­ гии газа в турбине необходимо иметь соответствующие рабо­ чие органы, в которых это преобразование энергии соверша­ ется. Такими основными рабочими органами турбины являются сопловые и рабочие лопатки.

Преобразование тепловой энергии газа в кинетическую происходит в сопловых лопатках и может происходить на ра­ бочих лопатках. Преобразование кинетической энергии в ме­ ханическую работу происходит на рабочих лопатках.

Сопловые и рабочие лопатки располагаются внутри коль­ цевого канала. При этом сопловые лопатки являются непод­ вижными, а рабочие лопатки подвижными рабочими органами турбины. Ряд неподвижных лопаток вместе с кольцевыми бан­ дажами, предназначенными для их крепления, называется сопловым аппаратом. Ряд вращающихся лопаток вместе с не­

4

вых лопаток, расположенных и закрепленных ^евду двумя соосными обечайками (цилиндрическими поверхностями). Соп­ ловые аппараты закрепляются в корпусе турбины 2. Рабочие лопатки 3 располагаются по ходу газа за сопловыми лопатка­ ми и закрепляются на внешнем диаметре диска 5. Рабочее колесо жестко крепится к валу турбины 6, который вращает­ ся в опорных подшипниках 7. От рабочих лопаток через диск и вал механическая энергия передается потребителю энергии. Для крепления неподвижных деталей, опор я разделения основных элементов турбины от вневней среды служит корпус турбины. Для предотвращения чрезмерной утечки газа по ва­ лу при необходимости устанавливаются уплотнения 8 г ме­ стах выхода вала через корпус как со стороны впуска газа, так и со стороны выпуска газа. Гаэ подводится к соплам по входному устройству 9 или патрубку и отводится через вы­

ступени. Условимся обозначать сечение на входе ^гйоп^овыЙ

же самое, сечение на выходе из турбинной ступени (из тур­ бины) 2-2. Параметрам газа в различных сечениях будем при­ сваивать индексы, соответствующие обозначению сечения.

Состояние газа на входе в сопловый аппарат (сечение 0-0)

5

характеризуется давлением р0 и температурой Т 0 . В этом сечении газ имеет скорость с0 . Соответствующие пол­ ные параметры газа на вхо­ де, определяющие полную энергию газа, будут р* иТ*.

Рабочий процесс газовой турбины протекает следую­ щим образом. Газ, обладаю­ щий повышенным давлением и температурой, входит в каналы соплового аппарата. Сопловый аппарат выполняет две функции: преобразует часть потенциальной энер­ гии в кинетическую и обес­ печивает необходимое на­ правление потока газа в каналы рабочих лопаток. Лопатки соплового аппарата образуют криволинейные

мекдопаточные каналы. Тече­ ние газа в сопловых каналах сопровождается понижением давления и температуры и соответствующим увеличе­ нием скорости. Поэтому межлопаточные каналы соплово­ го аппарата имеют конфузор-

ную форму. Таким образом, в сопловом аппарате часть по­ тенциальной энергии газа преобразуется в кинетическую и одновременно в результате поворота потока обеспечивается надлежащее его направление. В осевом зазоре между сопло­ вым аппаратом и рабочими лопатками устанавливается давле- н и ер ^ Р о , температура Т,-=Т0 и скорость с ..,» с „ .

6

По выходе из соплового аппарата поток газа с большой скоростью поступает в рабочее колесо. При протекании через каналы рабочих лопаток газ изменяет направление и величину скорости своего движения, оказывая на рабочие лопатки силовое воздействие. При этом часть своей энергии газ отдает рабочему колесу, который таким образом приво­ дится во вращение и совершает механичеокую работу.

При течении газа в каналах его давление может сохра­ няться неизменным иди понижаться. Если давление газа за рабочими лопатками равняется давлению перед ними, т .е .

(э,=Рг. * то в каналах рабочих лопаток происходит только изменение направления потока газа. Температура газа на выходе из рабочего колеса практически сохраняется равной Ч, . Так как часть кинетической энергии газа на рабочем колесе преобразована в механическую работу, то скорость газа на выходе из ступени сг будет заметно меньше о4 . Турбина, в которой газ расширяется только в сопловом ап­ парате, а при течении в каналах рабочих лопаток расшире­ ния не происходит, работает по активному принципу. Меха­ ническая работа в этом случае получается за счет части кинетической энергии, приобретенной потоком в сопловом аппарате.

Если в каналах рабочих лопаток помимо изменения направ­ ления продолжается расширение газа, то это приводит к до—i полнительному переходу его потенциальной энергии в кинети­ ческую и увеличению относительной скорости rasa на выходе из каналов рабочих лопаток. Часть этой энергии также ис­ пользуется для совершения механической работы. В резуль­ тате таких преобразований энергии газ покидает рабочее ко>- лесо со значительно меньшей скоростью, а также с более низким давлением и температурой, чем входит в него из соплового аппарата. Турбина, в которой расширение rasa происходит одинаково как в сопловом аппарате, так и на рабочих лопатках, работает по реактивному принципу. В та-; ких турбинах будет разность давлений по сторонам рабочих

7

лопаток. Характер изменения давлений, темпеоатур и скоро­ сти по проточной части турбин, работающих по активному и реактивному принципу, представлены на рис. 2 б,в.

§2. Конструктивные схемы многоступенчатых турбин

иизменение параметров газа в них

Турбинные ступени,расположенные последовательно одна за другой на одном .;алу и в одном корпусе, образуют много­ ступенчатую турбину. К многоступенчатым турбинам относят­ ся турбины со ступенями давления и турбины со ступенями скорости.

Весь перепад давлений, приходящийся на турбину, можно последовательно сработать в нескольких ступенек, располо­ женных одна 8а другой. Каждый ряд сопел и следующих за ними рабочих лопаток, представляющих одноступенчатую тур-^- бину, называется ступенью давления. Если в турбине имею­ щийсяперепад давления используется последовательно в нескольких ступенях, то она называется турбиной со ступе­ нями давления.

На р и с гЗ .а изображена схема проточной части трехсту­ пенчатой турбины с диско-барабанной конструкцией ротора. Турбина состоит из трех облопаченных дисков, насаженных на один вал и заключенных в общий корпус. В корпуое за­ креплены сопла первой ступени. Между дисками установлены неподвижные диафрагмы с соплами или направляющими лопат­ ками. Они разделяют внутреннее пространство корпуса на три камеры. Диафрагмы представляют собой круглые пластины, чаще всего из двух половин, в которых закреплены сопла и имеется центральное отверстие для прохода вала. Чтобы уменьшить протечки газа из одной камеры в другую, в диаф­ рагмах имеются лабиринтовые уплотнения. Аналогичные уплот­ нения могут быть в местах выхода вала из корпуоа турбины.

8

При барабанной конструкции ротора сопла крепятся я кор­ пусу, а рабочие лопатки в кольцевых фасонных павах бара­ бана.

Газ подводится к соплам первой ступени, проходит по­ следовательно через сопла и рабочие лопатки всех ступеней. Характер изменения давления и скорости газа по проточной части многоступенчатой турбины изобравен на рис. 3 ,6 . При­ менение многоступенчатых турбин обусловливается более вы­ соким значением к .п .д . по сравнению с одноступенчатой.

Турбины со ступенями скорости занимают особое место, так как они представляют собой одну ступень давления, что характерно для одноступенчатой турбины. Но преобразование кинетичеокой энергии в механическую происходит в несколь­ ких рядах рабочих лопаток, что характерно для многоступен­ чатых турбин. При больших скоростях гага на выходе ив соп­ лового аппарата и малой окружной скорости возрастает зна­ чение выходной скорости газа и соответствующей ей кинети­ ческой энергии. Эту энергию можно использовать на втором

9