Лекция-5

Принцип работы паровых и газовых турбин. Принцип действия и устройство турбин. Основы теории турбинной ступени. Потери и КПД ступени. Многоступенчатые турбины. Предельная мощность турбины. Классификация паровых турбин

Газовая турбина, как тепловой двигатель, объединяет харак­терные особенности паровой турбины и двигателя внутреннего сго­рания, в котором энергия топлива при его горении превращается непосредственно в механическую работу. Рабочим телом газовых турбин, работающих по открытому циклу, являются продукты сгорания топлива, а рабочим телом газовых турбин, работающих по закрытому циклу,— чистый воздух или газ, непрерывно цирку­лирующий в системе. На судах применяют газотурбинные уста­новки (ГТУ), работающие по открытому циклу, со сгоранием топ­лива при постоянном давлении (р = const) и ГТУ, работающие по закрытому циклу.

В настоящее время судовые ГТУ выполняют двух типов: 1) турбокомпрессорные и 2) со свободно-поршневыми генераторами газа (СПГГ).

ирующий в системе. На судах применяют газотурбинные уста­новки (ГТУ), работающие по открытому циклу, со сгоранием топ­лива при постоянном давлении (р = const) и ГТУ, работающие по закрытому циклу.

В настоящее время судовые ГТУ выполняют двух типов: 1) турбокомпрессорные и 2) со свободно-поршневыми генераторами газа (СПГГ).

На рис. 1 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при р = const и регенерацией тепла. Воздух, сжатый в компрессоре 1, проходит через регенератор 2 в камеру сгорания 3, где подогревается за счет тепла отработавших газов, покидающих турбину 4 со сравнительно высокой температурой. Действительный цикл этой установки показан на диаграмме S—Т (рис. 103): процесс сжатия воздуха в компрессоре 1 — 2; нагрев воздуха в регенераторе, сопровождаемый падением давления от р ₂до р ₄ 2 — 3; подвод тепла в процессе сгорания топлива 3 — 4; действительный процесс расширения газа в турбинах 4—5; охлаж­дение газов в регенераторе, со­провождаемое потерей давле­ния р₅—р₁ 5—6; выпуск га­зов— отвод тепла 6—1. Коли­чество тепла, полученное воз­духом в регенераторе, изобра­жается площадью 2'—2—3—3', а количество тепла, отданного отходящими газами в регенераторе, площадью 6'—6—5—5'. Эти площади равны между собой.

В ГТУ закрытого цикла отработавшее рабочее тело не посту­пает в атмосферу, а после предварительного охлаждения вновь направляется в компрессор. Следовательно, в цикле циркулирует рабочее тело, не загрязненное продуктами сгорания. Это улуч­шает условия работы проточных частей турбин в результате чего повышается надежность работы установки и увеличивается ее мо­торесурс. Продукты сгорания не смешиваются с рабочим телом и поэтому для сжигания пригодно топливо любого вида.

На рис. показана принципиальная схема всережимной су­довой ГТУ закрытого цикла. Воздух после предварительного ох­лаждения в воздухоохладителе 4 поступает в компрессор 5, кото­рый приводится во вращение турбиной высокого давления 7. Из компрессора воздух направляется в регенератор 3, а затем в воздухонагреватель 6, выполняющий ту же роль, что и камера сго­рания в установках открытого типа. Из воздухонагревателя рабо­чий воздух при температуре 700° С поступает в турбину высокого давления 7, которая вращает компрессор, а затем в турбину низ­кого давления 2, которая через редуктор 1 приводит в действие винт регулируемого шага. Пусковой электродвигатель 8 предназ­начен для запуска установки в работу. К недостаткам ГТУ закры­того цикла следует отнести громоздкость теплообменников.

Особый интерес представляют ГТУ закрытого цикла с ядерным реактором. В этих установках в качестве рабочего тела газовых турбин (теплоносителя) применяют гелий, азот, углекислый газ. Эти газы не активируются в ядерном реакторе. Нагретый в реакторе до высокой температуры газ непосредственно направляется на работу в газовую турбину.

Основными достоинствами газовых турбин по сравнению с па­ровыми являются: малые вес и габариты, так как отсутствуют ко­тельная и конденсационная установка со вспомогательными меха­низмами и устройствами; быстрый пуск в ход и развитие полной мощности в течение 10—15 мин\ весьма малый расход охлаждаю­щей воды; простота обслуживания.

Основные преимущества газовых турбин по сравнению с дви­гателями внутреннего сгорания являются: отсутствие кривошипно-шатунного механизма и связанных с ним инерционных сил; малые вес и габариты при больших мощностях (ГТУ по весу легче в 2— 2,5 раза и по длине короче в 1,5—2 раза, чем дизели); возмож­ность работы на низкосортном топливе; меньшие эксплуатацион­ные расходы. Недостатки газовых турбин следующие: небольшой срок службы при высоких температурах газа (так,, при темпера­туре газа 1173° К срок службы 500—1000 ч); меньшая, чем у ди­зелей, экономичность; значительная шумность при работе.

Проточная часть, состоящая из одного ряда сопел и одного ряда рабочих лопаток, образует простейшую турбинную ступень.
В активном варианте ступени расширение рабочего вещества (падение давления) имеет место только в соплах; на рабочих лопатках давление остается постоянным.

В турбинах и реактивных двигателях преобразование тепловой энергии в механическую совершается при участии внешней кинетической энергии струи газа. В турбинах кинетическая энергия струи газа или пара вызывает вращающий момент колеса, в реактивных двигателях — реактивную силу на выходе из сопла. Соплом называют канал, в котором при прохождении газа происходит его расширение с увеличением скорости прохождения и уменьшением давления, преобразование потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую.

Процесс перехода потенциальной энергии газа в кинетическую при движении его через сопло можно объяснить с помощью первого закона термодинамики.

Обозначим давление, удельный объем, удельную внутреннюю энергию и скорость газа на входе в сопло с площадью поперечного

Для получения сверхзвуковых скоростей турбины снабжают комбинированными соплами, состоящими из суживающейся, а затем расширяющейся частей (сопла Лаваля), в которых газ продолжает расширяться в расширяющейся части, вследствие чего скорость его истечения превышает критическое значение.