Нагнітачі та ТД. Продовження лекції

 

2. У турбіні перетворення потенційної енергії пара в кінетичну відбувається при  витіканні його з соплового каналу.

     Відомо, що якщо посудину, в якій знаходиться пар під тиском забезпечити трубкою (соплом) циліндричної форми, через яку буде відбуватися витікання пара в простір з меншим тиском, то пар в цій трубці буде втрачати тиск і здобувати швидкість, але тільки до певної межі; в разі сухого насиченого пара біля виходу з трубки тиск його не може бути менше 0,58 (точніше 0,577) початкового тиску. Цей тиск називається критичним тиском. Відповідно цьому тиску ми отримаємо і деяку граничну швидкість витікання, яка називається критичною швидкістю. Для перегрітого пара критичний тиск дорівнює 0,546 від початкового тиску.

     Таким чином, якщо в нашої посудині знаходиться сухий насичений пар при тиску p_o = 10 бар, а випускаємо ми його в атмосферу, то в кінці сопла ми отримаємо тиск p₁ = 10 · 0,58 = 5,8 бар, т. е. ми використовуємо для перетворення в швидкісний напір тільки перепад тисків: Δ p = 10 - 5,8 = 4,2 бар.

     Далі, вийшовши з гирла сопла, пар розширюючись вже в атмосфері, буде клубочитися і збільшення швидкості руху його в напрямку осі сопла майже не відбудеться. Отже, користуватися циліндричним (яке не розширюється) соплом доцільно тільки тоді, коли початковий тиск пара не перевищує приблизно подвійного тиску в просторі, куди він випливає, наприклад, при випуску пари в атмосферу робочий тиск перед соплом не повинен перевищувати 1,8 бар.

    Якщо відношення тисків перед і за трубкою більше, то для повного перетворення енергії тиску в швидкісну енергію потрібно, щоб трубка (сопло) мала після вузького перетину частина, яка розширюється.

    Відмітна особливість сопла, яке  розширюється полягає в тому, що тиск пара біля виходу з сопла може бути доведений до тиску середовища, в яку він випливає.

   При цих умовах пар випливає з сопла з надкритичною швидкістю і йде рівним струменем, вся енергія якого може бути використана на лопатках турбіни. Сопло, яке розширюється дає можливість використовувати будь-які перепади тисків, повністю перетворюючи в межах даного перепаду тиску потенційну енергію пара в кінетичну енергію.

   3. При розширенні пара в сопловому каналі теплова енергія перетворюється в кінетичну. Кінетична енергія виражається рівнянням

                                E =

 де m – маса тіла

     v - швидкість його руху

    Так як кінетична енергія тіла пропорційна квадрату швидкості його руху, то навіть тіла з дуже малою масою, але рухомі з великими швидкостями можуть володіти великою кінетичною енергією. За законом збереження енергії всяке тіло, що рухається з деякою швидкістю і затримане в своєму русі, має віддати при цьому всю ту енергію, яку потрібно було затратити, щоб повідомити йому швидкість, з якою воно рухалося.

    Очевидно, що в паровій турбіні втрата енергії, тобто та частина енергії, що не перетворюється в корисну роботу, повинна бути мінімальною; крім того, струмінь пара не повинен пошкоджувати поверхню лопаток, на які він спрямований. Досягти цього при ударній дії струменя не можна; форма лопаток турбіни повинна бути обрана такою, щоб струмінь пара, що виходить з сопла, плавно надходив на лопатки і передавав їм найбільшу можливу частину своєї енергії.

     Шляхом розрахунку і дослідів було знайдено, що поверхні тіла, на які спрямований струмінь, слід надати таку форму, щоб струмінь здійснював поворот і змінював напрямок свого руху на прямо протилежне

    Закони механіки так пояснюють взаємодію між струменем і предметом. На предмет (лопатку) з боку струменя що рухається діє криволінейно відцентрова сила; вона розподілена по поверхні лопатки, надає на неї тиск і змушує переміщуватися і здійснювати роботу.

     Чинена робота природно залежить від швидкості обтікання лопатки потоком. Ця швидкість в умовах лопатки, яка рухається буде відносної, що дорівнює різниці між швидкостями потоку і лопатки, якщо їх рух відбувається в одному напрямку.

     Величина найбільш ефективної відносної швидкості може бути з'ясована з наступних міркувань.

    Неважко здогадатися, що якщо лопатка рухається під дією будь-якої зовнішньої сили з тією ж самою швидкістю, що і спрямований на неї струмінь пара, то вона не надає струмені якого-небудь опору і не запозичує у нього хоча б частини його швидкісний енергії.

    Уявімо тепер, що лопатка закріплена в нерухомому стані; тоді струмінь пара, спрямований на вигнуту поверхню лопатки, не зробить роботи її пересування, а змінить напрямок свого руху на зворотне і піде з лопатки з тією швидкістю, з якою він на неї вступив.

     Розглянемо тепер такий приклад: припустимо, що швидкість підтікання струмені пари дорівнює 500 м / c, а швидкість лопатки дорівнює 250 м / c. В цьому випадку струмінь вступить на лопатку з відносною швидкістю в 250 м / c і, змінивши напрямок свого руху на зворотне, піде з лопатки зі швидкістю також 250 м / c щодо лопатки.

    Але так як лопатка рухається вперед зі швидкістю 250 м / c, то швидкість зворотного руху струменя дорівнює і протилежна за напрямком швидкості лопатки і по відношенню до будь-якої нерухомої точки простору буде дорівнювати нулю.

    Зі сказаного можна зробити той висновок, що для повного використання кінетичної енергії пара при активному принципі її передачі швидкість руху лопатки повинна бути в 2 рази менше швидкості витікання струменя пара з сопла.

    4. Струмінь рідини, пари або газу випливає з сопла зі швидкістю більшою, ніж та з якої він в нього вступив, знаходиться під дією сили, спрямованої в бік руху струменя. За законами механіки наявність цієї сили викликає появу іншої - протидіючої сили, рівної і протилежно спрямованої тієї, яка діє на струмінь; ця протидіюча сила прикладена до сопла і називається реактивною силою або просто реакцією струменя.

    Використання реактивної сили є другий спосіб перетворення швидкості витікання пара (кінетичної енергії) в механічну роботу.

    Для того щоб отримати максимальну кількість роботи, ми повинні повністю використовувати всю швидкість пара. Для цього потрібно, щоб соплові канали рухалися з тією ж швидкістю, що і струмінь пара, який витікає з них, але в зворотному напрямку; тоді швидкість пара щодо будь-якої нерухомої точки дорівнюватиме нулю, і вся кінетична енергія пара буде використана.

    У турбінах, які працюють по реактивному принципом, розширення пара відбувається між робочими лопатками. Якщо припустимо, як і раніше, що напрямок потоку пара при вході і виході з лопаток збігається або прямо протилежно напрямку окружної швидкості, то для повного використання кінетичної енергії швидкість руху лопаток на середньої окружності повинна бути дорівнювати відносній швидкості виходу пари з робочих лопаток.

     В кінці ХІХ століття була побудована багатоступенева турбіна, у якій розширення пара вироблялося в каналах, утворених лопатками нерухомих і рухомих лопаточних вінців, т. е. як в соплах, так і на робочих лопатках. Саме така турбіна отримала розвиток під назвою реактивної турбіни.

Розглянемо докладніше процес в такий турбіні. Припустимо, що через сопло 1 підводиться пар до лопаток 2-3 і 4-5, що створює криволінійний канал.

    У соплі 1 пар частково розширюється, т. е. втрачає тиск і набуває швидкість.

   Вступаючи в канал, утворений лопатками 2-3 і 4-5, струмінь змінює напрямок, внаслідок чого розвивається відцентрова сила частинок пара. Припустимо, що сумарне зусилля, що випробовується лопаткою від цієї активної дії струменя виразиться силою Р_акт, напрямок якої залежить від форми лопатки. Однак цим справа не обмежується: форма лопаток обрана таким чином, що перетин каналу між ними звужується в напрямку виходу пара. Завдяки цьому звуженню швидкість пари, яка протікає повинна зростати в напрямку від перетину 2-4 до перетину 3-5. Підвищення швидкості може відбутися тільки за рахунок падіння тиску, т е. розширення пара.

    Отже, тиск пара має знижуватися в міру наближення його до виходу з каналу, і в перетині 3 -5 він нижче, ніж в перетині 2-4. В результаті прискорення парового струменя виникає деяка реактивна сила, яку ми умовно позначимо Р_реакт. Направлення цієї сили також залежить від форми лопатки. Склавши за правилами механіки сили P_акт і Р_реакт, ми отримаємо рівнодіюча силу Р. Однак різниця тисків р₁ і р₂ біля входу і виходу з лопаточного каналу призводить до появи додаткової осьової (аксіальній) сили Р_акс, що діє на лопатку уздовж осі обертання ротора. Сума сил Р і Р_акс дає результуючу силу Р_рез, яка власне і буде виробляти роботу.

    Таким чином, реактивний принцип дії турбіни передбачає використання одночасно з відцентрової рушійної сили і реактивної сили,яка формується прискореним закінченням потоку пара з решітки робочих лопаток.

5. Основною частиною турбіни є ротор, що складається з вала 1 з насадженим на ньому робочим колесом 2, на якому укріплені робочі лопатки 3 зігнутої форми. Перед диском з робочими лопатками є сопло 4, з якого пар надходить на робочі лопатки турбіни.

 

    Пар після виходу з нерухомих сопел з абсолютної швидкістю с₁ надходить на робочі лопатки. Відповідно до форми каналів робочих лопаток і втратами на останніх, напрямок і швидкість пара змінюються і пар залишає лопатки з абсолютною швидкістю с₂. Потік пара через канали лопаток надає  останнім відцентрове рушійне зусилля.

   Таким чином, ми бачимо, що активна турбіна має таку характерну особливість: падіння тиску пари відбувається тільки в соплі (або в соплах, якщо їх кілька); тиск пари при вході на лопатки і виході з них однаковий .

    Для ефективного використання кінетичної енергії пара швидкість u на середньої окружності лопаточного вінця повинна бути, тільки в 2 рази менше швидкості с₁  витікання пари з сопла.

    Так, для можливої ​​швидкості витікання пари  c₁ = 1 200 м / с швидкість u на середньої окружності лопаточного вінця повинна дорівнювати 600 м / с. Таку високу окружну швидкість здійснити в турбіні неможливо, тому що не існують матеріали, які можуть витримати колосальні напруги від відцентрової сили, що розвивається при окружних швидкостях значно перевищують 400 м / с. Відступ же від найвигіднішого відносини u / c₁ викликає сильне зниження ККД турбіни.

   Таким чином, в одноступінчастій турбіни можна використовувати з хорошим ККД лише порівняно невеликий теплоперепад.

   Підвищення економічності турбіни, що працює при великому теплоперепаді з помірними окружними швидкостями, можна досягти шляхом:

- застосування ступенів швидкості;

- застосування ступенів тиску.

      6. У реактивної турбіни, що складається з ряду ступенів, рухомі робочі лопатки зміцнюються на роторі. У проміжках між вінцями цих лопаток розташовані вінці нерухомих лопаток, закріплених в корпусі турбіни і утворюють соплові канали. Профілі рухомих і нерухомих лопаток зазвичай виконують абсолютно однаковими.

     Свіжий пар з тиском р_о надходить в кільцеподібну камеру 7, звідки йде на нерухомі (напрямні) лопатки першого ступеня. У міжлопаточних каналах пар розширюється і тиск його декілька знижується, а швидкість зростає від с₀ до с₁. Потім пара потрапляє в перший ряд рухомих (робочих) лопаток. Між робочими лопатками теж відбувається розширення пара, т. е. тиск його продовжує знижуватися; відносна швидкість пара зростає, але абсолютна швидкість пара с₂ при виході буде менше с₁, так як робота виходить за рахунок зменшення кінетичної енергії.

    Зі швидкістю с₂ пар надходить у другий ряд напрямних лопаток. Тут знову відбувається його розширення і зростання швидкості до с₁. На робочих лопатках другої ступені швидкість пара знову падає до с₂ і т.д.

 

    Обсяг пара в міру зниження його тиску зростає, тому доводиться поступово збільшувати довжину лопаток, щоб отримати збільшуючий перетин міжлопаточних каналів. Починаючи з того місця, де довжина лопаток виходить вже досить великою, збільшений діаметр барабана, на якому вони закріплені. Це дозволяє розмістити більшу кількість лопаток на колі ротора і тим самим збільшити сумарний перетин каналів не за рахунок висоти лопаток.

    При проходженні пара від одного кінця турбіни до іншого тиск його падає від тиску при вході в турбіну до протитиску конденсатора.

    Так як на кожному ряді лопаток виникає осьове зусилля і є різниця тисків, діюча на кільцеві уступи барабана, то в загальному на вал турбіни передається значний осьовий тиск, спрямований в бік випускання пари. Тому реактивні турбіни доводиться постачати для компенсації осьового зусилля турбіни спеціальними розвантажувальними пристосуваннями, в даному випадку це розвантажувальний поршень 8. Простір перед розвантажувальним поршнем з'єднаний за допомогою трубопроводу 9 з випускним патрубком турбіни, внаслідок чого тиск спрямований в бік переднього підшипника турбіни. Це зусилля врівноважує осьовий тиск, що виникає в проточній частині та спрямоване в бік випуску пара.

    Турбіни з одними тільки реактивними ступенями в даний час не будують.

    Причина цього криється в тому, що при високих початкових тисках пара лопатки перших ступенів виходять занадто короткими, внаслідок чого розміри радіальних зазорів виходять великими в порівнянні з висотою лопаток. У зв'язку з цим ККД частини високого тиску виявляється невисоким через підвищених втрат на витоку через радіальні зазори. Крім того, в чисто реактивній турбіни не можна застосовувати більш досконалий сопловий паророзподіл. Тому зазвичай вдаються до комбінування активної частини високого тиску з реактивними ступенями.

     Для розглянутих машин термін «реактивна турбіна» є умовним. Насправді ж вона працює приблизно на 50% по реактивному принципу і на 50% - по активному.

   Відношення, яке припадає на частку робочих лопаток частини наявного адіабатичного теплоперепада ступені h₂ до загального адіабатичного теплоперепаду ступені (через h₁ позначається теплоперепад, що припадає на частку напрямних лопаток) називається ступенем реактивності ступені й позначається грецькою буквою ρ

ρ =

Таким чином, для кожного ступеня розглянутої реактивної турбіни α = 0,5, так як перепад тепла ділиться приблизно порівну між напрямними і робочими лопатками. Для чисто активної турбіни ρ = 0, так як весь перепад тепла перетворюється в кінетичну енергію в соплах.