 |
Пример использования радиальной и осевой турбин во вспомогательных устройствах.
|
|
|
|
Тюмень, 2016
Газовая турбина, тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Горячий газ при повышенном давлении поступает в сопла турбины, где происходит его расширение и соответствующее увеличение скорости. При этом давление и температура газа падают. Таким образом, в соплах турбины совершается преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую.
Рис. 1. Газовая турбина. Принципиальная схема.
Корпус(цилиндр) турбины 1, в котором укреплены направляющие лопатки 2, рабочие лопатки 3, установленные по всей окружности на ободе диска 4, закрепленного на валу 5. Вал турбины вращается в подшипниках 6. В местах выход вала из корпуса установлены концевые уплотнения 7, ограничивающие утечку горячих газов из корпуса турбин
Турбины классифицируются по:
· Направлению газового потока
o Осевые
o Радиальные
o Диагональные
o Тангенциальные
· Количеству ступеней
o Одноступенчатые
o Многоступенчатые
· По способу использования теплоперепада
o Активные
o Реактивные
· По способу подвода газа к рабочему колесу
o Парциальные
o Целостные
Осевая авиационная турбина.
Это единственный тип турбины, применяемый сейчас в маршевых авиационных ГТД. Главным источником механической работы на валу, получаемой от такой турбины в двигателе являются рабочие колеса или точнее рабочие лопатки (РЛ), установленные на этих колесах и взаимодействующие с энергетически заряженным газовым потоком (сжатым и нагретым).
Венцы неподвижных лопаток, установленных перед рабочими, организуют правильное направление потока и участвуют в превращении потенциальной энергии газа в кинетическую, то есть разгоняют его в процессе расширения с падением давления.
|
|
|
Эти лопатки в комплекте с элементами корпуса, на которых они смонтированы, называются сопловым аппаратом (СА). Сопловой аппарат в комплекте с рабочими лопатками составляет ступень турбины.
Работа ступени авиационной турбины
Газ подходит к сопловому аппарату с направлением движения, близким к осевому и скоростью С0 (дозвуковая). Давление в потоке Р0, температура Т0. Проходя межлопаточный канал поток разгоняется до скорости С1 с поворотом до угла α1 = 20°- 30°. При этом давление и температура падают до величин Р1 и Т1 соответственно. Часть потенциальной энергии потока превращается в кинетическую.
Так как рабочие лопатки перемещаются с окружной скоростью U, то в межлопаточный канал РЛ поток входит уже с относительной скоростью W1, которая определяется разностью С1 и U (векторно). Проходя по каналу, поток взаимодействует с лопатками, создавая на них аэродинамические силы Р, окружная составляющая которой Рu и заставляет турбину вращаться.
Из-за сужения канала между лопатками поток разгоняется до скорости W2 (реактивный принцип), при этом также происходит ее поворот (активный принцип). Абсолютная скорость потока С1 уменьшается до С2 – кинетическая энергия потока превращается в механическую на валу турбины. Давление и температура падают до величин Р2 и Т2 соответственно.
Абсолютная скорость потока при прохождении ступени несколько увеличивается от С0 до осевой проекции скорости С2. В современных турбинах эта проекция имеет величину 200 – 360 м/с для ступени.
Ступень профилируется так, чтобы угол α2 был близок к 90°. Отличие обычно составляет 5-10°. Это делается для того, чтобы величина С2 была минимальной. Особенно это важно для последней ступени турбины (на первой или средних ступенях допускается отклонение от прямого угла до 25°). Причина тому – потери с выходной скоростью, которые как раз и зависят от величины скорости С2.
|
|
|
Радиальные турбины
Радиальные турбины достаточно просты, их рабочие колеса имеют малое количество лопаток. Возможные окружные скорости радиальной турбины при одинаковых напряжениях в рабочем колесе, больше, чем у осевой, поэтому на ней могут срабатываться бо́льшие количества энергии (теплоперепады).
Однако, эти турбины имеют малое проходное сечение и не обеспечивают достаточный расход газа при одинаковых размерах по сравнению с осевыми турбинами. Другими словами, они обладают слишком большими относительными диаметральными размерами, что усложняет их компоновку в едином двигателе.
Кроме того затруднено создание многоступенчатых радиальных турбин из-за больших гидравлических потерь, что ограничивает степень расширения газа в них. Также затруднено осуществление охлаждения таких турбин, что снижает величину возможных максимальных температур газа.
Поэтому применение радиальных турбин в авиации ограничено. Они, в основном, используются в маломощных агрегатах с небольшим расходом газа, чаще всего во вспомогательных механизмах и системах или в двигателях авиамоделей и небольших беспилотных самолетов.
Один из немногих примеров использования радиальной турбины в качестве узла маршевого авиационного ВРД – это двигатель первого настоящего реактивного самолета Heinkel He 178 турбореактивный Heinkel HeS 3. На фото хорошо просматриваются элементы ступени такой турбины.
Кроме того, как активные осевые, так и радиальные турбины применяются в системах турбонаддува поршневых авиационных двигателей. Такая практика началась еще до превращения турбины в важнейший узел ГТД и продолжается по сей день.
Пример использования радиальной и осевой турбин во вспомогательных устройствах.
Аналогичные системы с использованием турбокомпрессоров находят применение в автомобилях и вообще в различных системах подачи сжатого воздуха.
В диагональной турби не газ течёт под некоторым углом к оси вращения турбины.
Диагональная турбина представляет собой поворотно-лопастную турбину, лопасти которой расположены под острым (45-60°) углом к оси вращения турбины. Такое расположение лопастей позволяет увеличить их количество (до 10-12 штук) и применять турбину на более высоких напорах[1].
|
|
|
Патент на диагональную турбину был получен американским инженером Д. А. Бигсом в 1932 году, большой вклад в разработку и внедрение турбин данного типа был внесён английским инженером Т. Дериасом (Дериацем) и советским учёным В. С. Квятковским[1].
Диагональные турбины применяются на напорах от 30 до 200 метров, конкурируя на низких напорах с классическими поворотно-лопастными турбинами, а на высоких — с радиально-осевыми турбинами[2]. По сравнению с последними, диагональные турбины имеют несколько более высокий КПД, но конструктивно более сложны и более подвержены износу. Наиболее эффективно применение диагональных турбин на ГЭС, режим работы которых характеризуется большими колебаниями напора и мощности[1]. Также диагональные турбины с зафиксированными лопастями (являющиеся вариантом пропеллерных турбин) используются при сооружении малых ГЭС[3].
|
|
|
