Цикли газотурбінних установок
1.1 Принцип роботи
Принцип роботи турбіни можна розглянути на прикладі одного ступеню, зображенного на рис. 1.1.
Робоче тіло з підвищенним початковим тиском та початковою температурою надходить до нерухомого сопла A статора. За умови постійної масової витрати робочого тіла на виході з сопла підтримується постійний тиск <. Під впливом різниці тисків потік робочого тіла з постійною швидкістю (м/с) спрямовується до криволінійних каналів B, утворених робочими лопатками. Протікаючи цими каналами, потік створює зусилля , яке викликає обертання робочого колеса турбіни. Позначивши через (м/с) окружну швидкість руху лопаток і побудувавши трикутник швидкостей на вході у канали робочих лопаток, можна знайти відносну швидкість входу потоку в канали робочих лопаток та її напрямок, який визначається кутом .
Абсолютна швидкість входу потока на лопатки:
, (1.1)
де - ізоентропійний перепад теплоти від початкових параметрів і до , Дж/кг;
=0,94…0,98 - швидкісний коефіцієнт.
Окружна швидкість робочих лопаток визначається за формулою:
, (1.2)
де - середній радіус розташування лопаток щодо вісі вала турбіни, м;
- частота обертання вала турбіни, об/хв.
Зазвичай кут нахилу потоку, який виходить із сопла, до площини робочого колеса приймають 12…18є.
Внаслідок наявності тертя під час руху потока каналом між лопатками відносна швидкість виходу його з каналу буде меншою за і для активних турбін дорівнює
, (1.3)
де коефіцієнт приймається =0,85…0,95.
Кут виходу потока стосовно площини обертання колеса зазвичай приймають меншим на 1…10є, аніж . За відомими значеннями , та будують трикутник швидкостей на виході потока з каналів робочих лопаток.
Проекція сили на напрямок окружної швидкості викликає обертання ротора турбіни. На рис. 1.1 представлене зображення трикутників швидкостей потока. Користуючись цими трикутниками швидкостей, у відповідності з відомим рівнянням кількості руху можна записати, що
, (1.4)
де - масова витрата робочого тіла через турбіну, кг/с;
.
Потужність (Вт), яку розвиває потік робочого тіла на ободі лопаток:
. (1.5)
Якщо робоче тіло розширюється тільки в соплах статора, а в каналах робочих лопаток ротора відбувається лише зміна напряму потока при постійному тиску, то така турбіна (або її ступінь) називається активною. Якщо робоче тіло розширюється й у соплах ротора, й у каналах робочих лопаток ротора, то така турбіна (або ступінь її) називається реактивною.
З рівняння (1.5) випливає, що питома робота (Дж/кг) ступеня
. (1.6)
Відношення питомої роботи до теплопадіння називається відносним коефіцієнтом корисної дії (к. к. д.) ступеня турбіни на лопатках .
Аналізуючи рівняння (1.5), можна показати, що для досягнення високого значення необхідно забезпечити певне співвідношення між окружною швидкістю руху лопаток та абсолютною швидкістю витікання з сопла . Для активних ступенів це відношення складає 0,4…0,5 [2].