Осевая турбина — это турбина , в которой поток рабочей жидкости параллелен валу, в отличие от радиальных турбин , где жидкость движется вокруг вала, как в водяной мельнице . Осевая турбина имеет конструкцию, аналогичную осевому компрессору , но работает в обратном направлении, преобразуя поток жидкости во вращающуюся механическую энергию.
Набор статических направляющих лопаток или сопловых лопаток ускоряет жидкость, создает завихрение и направляет ее к следующему ряду лопаток турбины, установленных на роторе турбины.
Углы в абсолютной системе обозначаются буквой «альфа» (α), а углы в относительной системе — буквой «бета» (β). На рисунке показаны осевые и тангенциальные составляющие как абсолютной, так и относительной скорости. Также показаны статические и стагнационные значения давления и энтальпии в абсолютной и относительной системах.
Часто предполагается, что осевая составляющая скорости остается постоянной на протяжении всей ступени. Из этого условия мы получаем:
c x = c 1 cos α 1 = c 2 cos α 2 := w 2 cos β 2 = c 3 cos α 3 = w 3 cos α 3
Кроме того, для постоянной осевой скорости получается полезное соотношение:
загар α 2 + загар α 3 = загар β 2 + загар β 3
Одноступенчатая импульсная турбина представлена на рисунке.
Статическое давление через ротор импульсной машины не изменяется. Изменение давления и скорости жидкости через ступень также показано на рисунке.
Абсолютная скорость жидкости увеличивается соответственно перепаду давления через сопловой ряд, в котором происходит единственное преобразование энергии. Передача энергии происходит только поперек лопаточного ряда несущего винта. Следовательно, абсолютная скорость жидкости при этом уменьшается, как показано на рисунке. При отсутствии перепада давления на лопатках ротора относительные скорости на их входе и выходе одинаковы для потока без трения. Для достижения этого условия углы лопастей несущего винта должны быть равными. Таким образом, коэффициент использования определяется выражением
Когда имеющийся перепад давления велик, его нельзя полностью использовать в одной ступени турбины. Одноступенчатый двигатель, использующий большой перепад давления, будет иметь непрактично высокую окружную скорость своего ротора. Это приведет либо к большему диаметру, либо к очень высокой скорости вращения. Поэтому в машинах с большими перепадами давления используется более одной ступени.
Один из методов использования многоступенчатого расширения в импульсных турбинах заключается в создании высокой скорости жидкости за счет ее расширения за счет большого перепада давления в ряду лопаток сопла. Эта высокоскоростная жидкость затем передает свою энергию в несколько этапов, используя множество рядов лопаток ротора, разделенных рядами неподвижных направляющих лопаток. Импульсная турбина с компаундированием скорости показана на рисунке.
Уменьшение абсолютной скорости жидкости поперек двух лопаточных рядов несущего винта (R 1 и R 2 ) происходит за счет переноса энергии; небольшое снижение скорости жидкости через неподвижные направляющие лопатки (F) обусловлено потерями. Поскольку турбина импульсного типа, давление жидкости после ее расширения в сопловом ряду остается постоянным. Такая ступень называется скоростной или ступенью Кертиса, при этом каждая турбина Кертиса (лопатка, движущаяся сопла, фиксирующая лопатку, движущаяся лопасть) считается одной ступенью.
На этапах с усложнением скорости возникают две основные проблемы:
Чтобы избежать этих проблем, используется другой метод использования соотношения, при котором общий перепад давления делится на несколько ступеней импульса. Они известны как стадии компаундирования под давлением или стадии Рато. Из-за сравнительно меньшего перепада давления лопаточные лопатки соплового аппарата являются дозвуковыми (М < 1). Следовательно, такая ступень не страдает недостатками скоростных ступеней.
На рисунке показано изменение давления и скорости пара на двух ступенях давления импульсной турбины. Лопасти сопла на каждой ступени принимают поток в осевом направлении.
Некоторые проектировщики используют ступени давления вплоть до последней ступени. Это дает турбину меньшей длины по сравнению с турбиной реакционного типа, но с ухудшением эффективности.
На рисунке показаны две стадии реакции и изменение давления и скорости газа в них. Давление газа непрерывно снижается как над неподвижными, так и над подвижными рядами лопаток. Поскольку перепад давления на каждой ступени меньше по сравнению с импульсными ступенями, скорости газа относительно низкие. Кроме того, поток повсюду ускоряется. Эти факторы делают стадии реакции аэродинамически более эффективными, хотя потери на утечку на наконечниках увеличиваются из-за относительно более высокого перепада давления на лопастях несущего винта.
Многоступенчатые реактивные турбины используют большой перепад давления за счет деления его на меньшие значения на отдельных ступенях. Таким образом, ступени реакции подобны ступени компаундирования с введенным в них новым элементом «реакции», т.е. ускорением потока и через лопаточные венцы ротора.
Параметр отношения скоростей лопаток к газу (отношение скоростей) σ = u/c 2 . КПД ступеней турбины также можно соотнести с этим соотношением. Такие графики для некоторых стадий импульса и реакции показаны на рисунке.
Производительность паровых турбин часто представляют в таком виде. Кривые на рисунке также показывают оптимальные значения передаточного числа и диапазон нерасчетности для различных типов ступеней. Пятидесятипроцентная стадия реакции демонстрирует более широкий диапазон. Другой важный аспект, который здесь изображен, заключается в том, что в тех случаях, когда высокие скорости газа (из-за высокого коэффициента давления) неизбежны, рекомендуется использовать импульсные ступени для достижения практических и удобных значений размера и скорости машины. Иногда удобнее использовать соотношение изэнтропических скоростей. Это соотношение скорости лопатки и изэнтропической скорости газа, которое будет получено при его изэнтропическом расширении за счет степени давления ступени.
Потери возникают в реальной турбине из-за трения диска и подшипника. На рисунке показана схема потока энергии для импульсной ступени осевой турбины. Цифры в скобках указывают порядок энергии или потерь, соответствующий 100 единицам изоэнтропической работы (h 01 – h 03сс ).
Видно, что энергия, поступающая на вал после учета каскадных потерь ступени (аэродинамические потери в сопле и лопатках винта) и потерь на выходе, составляет около 85% от идеального значения; потери на валу составляют незначительную часть этой величины.
