Понятие об элементарной плоской турбинной ступени. Геометрические характеристики турбинной решетки.

а). Преобразование энергии пара в активной турбинной ступени

Пусть изображенные на рис.8 решетки относятся к активной турбинной ступени. Пар поступает в направляющую (сопловую) решетку с давлением Р_о. Скорость пара на входе в сопла близка к нулю. Сопловые каналы выполняются сходящимися, поэтому при течении через направляющую решетку давление пара падает, а скорость возрастает (потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию). На выходе из сопловой решетки давление пара равно Р_d, а его скорость равна С₁. Направление скорости С₁ характеризуется углом α₁, между вектором и плоскостью вращения турбины, впредь которые будем называть:

С₁ – абсолютная скорость выхода пара из направляющего аппарата (из сопел);

α₁ – угол выхода пара из направляющего аппарата (из сопел).

Пройдя осевой зазор δ_αмежду обеими решетками, пар поступает в рабочую решетку. Но, рассматривая течение пара в рабочих лопатках, следует иметь в виду, что они вращаются вместе с ротором. Применительно к схеме рис.8 это означает, что рабочая решетка движется с окружной скоростью u. Скорость u по отношению к движению пара является переносной скоростью. Вычитая из вектора вектор , получим вектор , определяющий относительную скорость пара на входе в рабочую решетку. Направление скорости W₁ характеризуется углом β₁.

Заметим, что когда, говорится о течении пара через каналы рабочей решетки, имеет смысл рассматривать только относительное движение пара, т.е. связывать оси координат с вращающимися рабочими лопатками. Если на рабочих лопатках поместить наблюдателя с измерительными приборами, то эти приборы во входном сечении решетки зарегистрируют скорость W₁ и угол β₁.

Впредь будем называть:

W₁ – относительная скорость входа пара в рабочую решетку;

β₁ – угол входа пара в рабочую решетку.

Треугольник, образованный векторами , и называется входным треугольником скоростей. Отметим, что скорость С₁ иногда называют абсолютной скоростью пара, подчеркивая, что эта скорость измеряется в координатах, связанных с неподвижной направляющей решеткой. Отметим также, что отсчет углов входного треугольника α₁ и β₁ производится от оси, направление которой совпадает с направлением движения лопаток.

В активной ступени, где импульс потока пара непосредственно передается лопатками, скорость W₁ должна быть достаточно большой, а ее направление – близким к направлению движения лопаток, т.е. угол β₁ должен быть небольшим. Это возможно только в том случае, если скорость пара С₁ существенно больше окружной скорости лопаток. Другими словами, поток пара необходимо «разогнать» в направляющем аппарате до такой скорости, которая обеспечила бы активное воздействие струи пара на движение лопатки.

Построение входного треугольника скоростей позволило перейти от «абсолютного» к относительному движению пара. Пар поступает на рабочие лопатки со скоростью W₁ (в осевом зазоре скорость практически не меняется). Поскольку ступень активная (каналы между рабочими лопатками имеют постоянное сечение), то давление и скорость пара при течении через рабочую решетку не меняется – в относительном движении лопатки неподвижным и пар не совершает работы. Поэтому давление Р₁, за рабочей решеткой равно давлению перед решеткой Р_d, а скорость пара W₂ за рабочей решеткой близка к скорости входа W₁. (В действительности все же скорость W₂ будет незначительно меньше W₁, из–за трения). Но направление потока пара резко изменяется – пар выходит из решетки под углом β₂ к плоскости вращения турбины.

Впредь будем называть:

W₂ – относительная скорость выхода пара из рабочей решетки;

β₂ – угол выхода пара из рабочей решетки.

Для того чтобы вернуться к «абсолютному» движению пара необходимо к вектору относительной скорости прибавить вектор окружной скорости , выполнив сложение, получим скорость пара за ступенью и угол α₂. Треугольник, образованный векторами , и называется выходным треугольником скоростей.

Подчеркнем, что отсчет углов выходного треугольника β₂ и α₂ производится от оси, направление которой противоположно направлению движения лопаток. Поэтому в активной решетке, где каналы имеют постоянное сечение, угол β₂ по своей величине оказывается близким к углу β₁.

Из треугольников скоростей видно, что абсолютная скорость пара и его кинетическая энергия при течении через рабочую решетку резко уменьшается: от скорости С₁ перед рабочими лопатками до скорости С₂ за рабочими лопатками, т.к. на рабочих лопатках осуществляется преобразование кинетической энергии пара в механическую работу вращения вала турбины.

Обычно при построении треугольников скоростей их вершины совмещают в одной точке, называемой полюсом. На рис.8 показано такое построение, причем форма треугольников характерна именно для активной ступени. Подчеркнем особенности треугольников скоростей активной ступени:

– величина скорости пара W₂ на выходе из рабочей решетки близка к скорости пара на входе W₁;

– угол выхода потока β₂. близок к углу входа β₁., т.к. рабочие лопатки симметричны;

– скорость пара С₁ существенно больше окружной скорости лопаток u

– скорость С1 больше чемW2 .

Таким образом, в активных ступенях четко выражены два этапа преобразования энергии пара. В направляющем аппарате осуществляется преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую; давление пара падает, а скорость возрастает. На рабочих лопатках потенциальная энергия пара не изменяется, а кинетическая энергия преобразуется в механическую работу; давление пара остается неизменным, а его скорость (в «абсолютном» движении) падает от значения С₁ до значения С₂.