ТУРБИНА
НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ
Газовая турбина предназначена для преобразования кинетической и тепловой энергии газа, выходящего из камеры сгорания, в механическую работу, необходимую для вращения ротора компрессора и агрегатов, устанавливаемых на коробках приводов двигателя.
Турбина является одним из основных узлов двигателя. Она работает в условиях высоких температур, больших нагрузок и потому в значительной степени определяет надежность и ресурс всего двигателя.
Основными узлами турбины (рис. 93) являются сопловой аппарат а и ротор б.
Газ, имеющий высокую температуру и давление, из камер сгорания, проходя через сопловой аппарат, попадает на рабочие лопатки турбины. На рис. 94 показаны изменения давления Р, температуры Т, скорости С газа в ступени турбины и треугольники скоростей.
Лопатки соплового аппарата турбины спроектированы так, что образуемые ими межлопаточные каналы сужаются по направлению движения газа, а скорость газа возрастает. В соответствии с ростом скорости давление газа и его температура снижаются. Таким образом тепловая энергия и энергия давления преобразуются в кинетическую энергию газа. После соплового аппарата газ с большой скоростью направляется на рабочие лопатки турбины и, воздействуя на них, приводит во вращение ротор турбины, который вращается с окружной скоростью U. Поэтому относительная скорость газа на входе в рабочее колесо W3 (скорость относительно лопатки) определяется геометрическим вычитанием вектора окружной скорости U из вектора абсолютной скорости С3′. В рабочем колесе турбины межлопаточные
Рис. 93. Принципиальная схема ступени газовой турбины: а — сопловой аппарат; б — ротор; 1 — корпус соплового аппарата; 2 — лопатка соплового аппарата; 3 — корпус турбины; 4 — лопатка турбины; 5 — диск турбины; 6 — внутренний бандаж соплового аппарата
каналы выполнены сужающимися, что приводит к дальнейшему расширению газа, вследствие чего относительная скорость потока WV возрастает до W3", а давление и температура уменьшаются. Ввиду того что в рабочем колесе значительная часть кинетической энергии газового потока преобразуется в механическую работу, абсолютная скорость С3" на выходе из него меньше скорости С/.
Величину и направление абсолютной скорости газа С3" на выходе из рабочего колеса находят из треугольника скоростей. Она равна геометрической сумме относительной скорости W/’ и окружной скорости U. Чем меньше скорость С3", тем большая часть кинетической энергии газа преобразована в механическую работу на валу турбины.
Суммарное окружное усилие, действующее на лопатки рабочего колеса и создающее крутящий момент, является результатом активного и реактивного воздействия газового потока.
Сущность этого процесса заключается в том, что при обтекании лопаток рабочего колеса газом на каждой лопатке создается активная (аэродинамическая) сила Рл как разность давления газа на вогнутую и выпуклую стороны’лопаток (рис. 95). Величина этого усилия тем больше, чем больше относительная скорость потока и угол его поворота (т. е. угол атаки).
Одновременно на лопатки рабочего колеса действует реактивная сила, возникающая в результате ускорения потока газа в межлопаточном канале рабочего колеса. Разложив эти силы на окружное и осевое направления, получим окружные и осевые их составляющие. Сумма
Рис. 95. Схема действия сил на лопатку турбины
окружных составляющих активной и реактивной сил, приложенная к лопаткам рабочего колеса, создает крутящий момент, под действием которого вращается рабочее колесо и совершается механическая работа.
Величина окружного усилия на рабочих лопатках турбины пропорциональна изменению количества движения газа в межлопаточных каналах рабочего колеса, т. е.
Ри= —
8
где AU/’u — сумма окружных составляющих относительных скоростей газа на входе и выходе из колеса.
Мощность, развиваемая турбиной, равна произведению окружного усилия на окружную скорость NT =