Воздействие потока рабочего тела на лопатки рабочего колеса турбины

Принцип действия турбины рассмотрим на примере её колеса (схема колеса турбины показана на рис. 3.8). При истечении газа через специальные насадки (сопла) 1 его энергия (теплосодержание), полученная в котле (пар) или камере сгорания (газ), преобразуется в кинетическую энергию струи, которая направлена на рабочие лопатки 2, установленные на ободе диска 3, закреплённого на валу 4. Насадки могут быть объединены в так называемые сопловые решётки, составленные в единую систему, из множества направляющих лопаток. При взаимодействии с рабочими лопатками кинетическая энергия потока рабочего тела преобразуется в механическую работу вращения вала турбины. Совокупность дисков с рабочими лопатками, насаженных на общий вал, образует ротор турбины. Совокупность неподвижных сопловых решёток, закреплённых на неподвижном корпусе, называют статором турбины. Сочетание сопловой решётки и диска с рабочими лопатками, в котором происходит преобразование энергии газа, называется ступенью турбины. Ступени турбины и сами турбины могут быть активными или реактивными.

а) Активные турбины. Ступени, в которых ускорение потока газа происходит только в каналах между неподвижными сопловыми (направляющими) лопатками, называются активными. Давление газа перед и за рабочими лопатками в этом случае одинаково, поэтому их сочетание называют ступенями равного давления.

Рассмотрим схему возникновения силы давления потока газа на поверхность рабочей лопатки ротора турбины (рис. 3.9). Струя газа поступает на рабочую лопатку полукруглой формы со скоростью с₁ (форма лопатки идеализирована). В канале, образованном двумя соседними лопатками, поток газа совершает криволинейное движение и, непрерывно изменяя направления движения, уходит из канала со скоростью с₂.

Движение струи газа по криволинейной поверхности канала между лопатками сопровождается действием центробежных сил его массы на эту поверхность. Центробежные силы выделенных частиц газа а, б и в обозначены на рисунке векторами р, направленными по нормали к поверхности лопатки. Согласно законам механики их можно разложить на составляющие р_а, направленные по направлению окружного движения лопаток, и р_ос – по оси турбины. При этом составляющие р_ос при симметричной форме профиля лопаток взаимно уничтожаются, а составляющие р_а суммируются и совершают работу окружного перемещения лопатки (равнодействующая Р_а выделена стрелкой). Воздействуя на рабочую лопатку, сила Р_а приводит ротор турбины во вращение с совершением механической работы.

Профили реальных рабочих лопаток имеют более сложный контур, но картина возникновения силы, вызывающей вращение вала, остаётся неизменной, это сила активного давления потока пара на лопатки ротора турбины.

б) Реактивные турбины. Ступени, в которых расширение газа совершается как в каналах сопловой решётки, так и между рабочими лопатками ротора, называются реактивными. Давление в реактивной ступени перед рабочими лопатками при ускорении потока больше, чем за ними, и поэтому их называют ступенями избыточного давления.

Рассмотрим характерный профиль каналов реактивной ступени (рис. 3.10). Ускорение потока газа в каналах достигается их сужающимися сечениями. Давление газа на входе в канал сопловой решётки р₀ больше давления на её выходе р₁ (или на входе в канал между рабочими лопатками ротора турбины).

Поток газа, ускоренный в сопловой решётке, поступает на рабочие лопатки реактивной турбины, оказывая на них двойное силовое воздействие. Движущая лопатку сила Р равна сумме активной р_а и реактивной р_р составляющих, обычно примерно равных по значению. Реактивную составляющую воздействия потока на лопатку создаёт разность давлений р₁ и р₂ у входа и выхода из каналов рабочих лопаток, определяющая ускорение потока и эффект реакции на выброс ускоренной массы из канала. Эта же разность давлений создает добавочную силу р_ос, которая действует на лопатку вдоль оси ротора. Поэтому у реактивных турбин, в отличие от активных, всегда имеется значительное осевое давление на ротор, передаваемое на подшипники вала. Осевое давление необходимо уравновешивать различными разгрузочными устройствами.

В случае активной и реактивной природы сил, поток газа, ускоренный в сопловом аппарате, направлен с относительной скоростью w на лопатку, которая закреплена на рабочем колесе турбины (рис. 3.11). Взаимодействуя с криволинейной поверхностью лопатки, поток изменяет направление своего движения и оказывает на неё силовое давление с равнодействующей силой Р, приводящее вал турбины с составляющей силы P_u во вращение и совершение им механической работы. Составляющая силы Р_ос оказывает действие, направленное по оси вала и составляет осевую нагрузку на турбину. В дальнейшем будем обозначать параметры потока газа индексами 1 на входе и 2 на выходе из канала, образованного профилями соседних лопаток.

Сила Р, действующая на лопатку со стороны потока, будет определяться её размерами – шириной, которая характеризуется хордой b, и длиной l (см. рис. 3.11а). Хорда b и угол g постановки лопатки на диске, измеренный относительно плоскости его вращения, определяют ширину В венца рабочего колеса.

Выпуклая поверхность профиля лопатки называется спинкой или стороной разрежения, вогнутая – стороной давления. Очертание профиля должно обеспечивать высокую эффективность обтекания лопатки потоком газа, минимальные потери на трение и удовлетворять требованиям её механической прочности. Выбирая или заново проектируя профиль, определяют такие важные геометрические характеристики, как площадь профиля f, углы b входа и выхода потока на профиль лопатки.