Тема 5 Газовые турбины

Газовая турбина – это лопаточная машина, в которой потенциальная энергия сжатого и подогретого газа преобразуется в механическую работу на валу ротора.

Газовая турбина состоит из двух основных элементов: соплового аппарата с направляющими лопатками; вращающегося рабочего колеса с рабочими лопатками.

Принцип работы газовой турбины: если направить газовую струю (рабочее тело) из сопла, на лопатки насаженные на диск, то диск начнет вращаться под действием струи. При обтекании газом (рабочим телом) лопаток рабочего колеса, вследствие несимметричности профилей, с обеих сторон лопатки образуются разные давления. На выгнутой части из-за притормаживания потока возникает повышенное давление; на выпуклой части вследствие срыва потока – пониженное давление. Возникает активная сила, действующая на лопатку с вогнутой стороны, которая заставляет лопатку и рабочее колесо перемещаться по окружности и совершать работу.

Совокупность каналов, образуемых направляющими и рабочими лопатками, называют проточной частью турбины. Смежные (рядом стоящие) ряды сопел и рабочих лопаток образуют одну ступень давления. Турбина, состоящая из одного ряда сопловых лопаток и одного ряда рабочих лопаток, называется одноступенчатой.

Турбины, в которых поток газа движется параллельно валу, называют аксиальными, а турбины, в которых поток движется перпендикулярно к валу радиальными.

Активная турбина. Лопатки активной турбины построены так, что образующийся между двумя лопатками канал от входа к выходу не изменяется. В сопловом аппарате канал между лопатками сужается. При постоянно расходе газа за счет сужения канала в пределах сопла скорость потока возрастает, а давление уменьшается. Следовательно, в пределах сопла потенциальная энергия потока газа частично превращается в кинетическую энергию.

При выходе из сопла поток газа попадает на рабочие лопатки под таким углом наклона, который обеспечивает плавное скольжение потока в межлопаточных каналах. При движении потока вдоль изогнутого контура рабочих лопаток возникают элементарные силы, результирующая которых представляет собой усилие, вращающее лопатки, т.е. механическую работу. Механическая работа потока газа на лопатках определяется только вращающим усилием и частотой вращения.

При вращательном движении рабочих лопаток скорость газ при выходе из них меньше скорости на входе. Это означает, что на рабочих лопатках происходит второе превращение энергии – кинетическая энергия потока газа частично переходит с механическую энергию вращения лопаток. Чем больше энергия газа, поступающего в рабочее колесо, и чем она меньше при выходе газа из колеса, тем большую работу газ произведет на турбине.

Принципиальная схема активной турбины и графики изменения скоростей и давлений показаны на рисунке 16.

Рисунок 16 – Принципиальная схема активной турбины и графики
изменения скоростей и давлений

Реактивная турбина. В реальных ГТУ, эксплуатируемых на КС, используют в основном комбинированные ступени, т.е. ступени с определенной степенью реакции. Поток газа воздействует на рабочие лопатки реактивной турбины не только по причине изменения скорости, приобретенной в соплах (активное усилие), но также и вследствие реакции потока. Это воздействие в них при уменьшении давления и увеличении за счет этого относительной скорости (реактивное усилие). Лопатки реактивной турбины построены так, что образующийся между двумя лопатками канал от входа к выходу сужается (канал имеет конфузорность). В каналах турбины происходит дальнейшее расширение газа и возрастание скорости потока. Кроме усилия, которое здесь, как и в активной турбине, возникает от изменения

Принципиальная схема реактивной турбины и графики изменения скоростей и давлений показаны на рисунке 17.

Рисунок 17 – Принципиальная схема реактивной турбины и графики
изменения скоростей и давлений

Газовая турбина состоит из следующих обязательных элементов:

– одной или нескольких турбин, приводящих во вращение один или несколько осевых компрессоров (для обозначения таких турбин применяется термин «турбина газогенератора»);

– свободной (силовой) турбины, приводящей во вращение ротор нагнетателя.

Между всеми турбинами существует только газодинамическая связь.