В турбомашиностроении осевая турбина — это турбина , в которой поток рабочей жидкости параллелен валу, в отличие от радиальных турбин , где жидкость течет вокруг вала, как в водяной мельнице . Осевая турбина имеет конструкцию, похожую на осевой компрессор , но работает наоборот, преобразуя поток жидкости во вращательную механическую энергию .
Набор статических направляющих лопаток или сопловых лопаток ускоряет и завихряет жидкость, а затем направляет ее к следующему ряду лопаток турбины, установленных на роторе турбины.
Углы в абсолютной системе обозначены альфа ( α ), а углы в относительной системе обозначены бета ( β ). На рисунке показаны осевые и тангенциальные компоненты 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 всего этапа. Из этого условия получаем: Также для постоянной осевой скорости получается полезное соотношение:
На рисунке показана одноступенчатая импульсная турбина.
Статическое давление через ротор импульсной машины не изменяется. Изменение давления и скорости жидкости через ступень также показано на рисунке.
Абсолютная скорость жидкости увеличивается в соответствии с падением давления через ряд лопаток сопла, в котором происходит единственное преобразование энергии. Передача энергии происходит только через ряд лопаток ротора. Поэтому абсолютная скорость жидкости уменьшается через это, как показано на рисунке. При отсутствии какого-либо падения давления через лопатки ротора относительные скорости на их входе и выходе одинаковы для потока без трения. Для получения этого условия углы лопаток ротора должны быть равны. Поэтому коэффициент использования определяется как
Когда имеющееся падение давления велико, оно не может быть использовано в одной ступени турбины. Одноступенчатая турбина, использующая большое падение давления, будет иметь непрактично высокую окружную скорость ротора. Это приведет либо к большему диаметру, либо к очень высокой скорости вращения. Поэтому машины с большим падением давления используют более одной ступени.
Один из методов использования многоступенчатого расширения в импульсных турбинах заключается в создании высокой скорости жидкости, заставляя ее расширяться через большой перепад давления в ряду лопаток сопла. Затем эта высокоскоростная жидкость передает свою энергию на нескольких этапах, используя множество рядов лопаток ротора, разделенных рядами неподвижных направляющих лопаток. На рисунке показана импульсная турбина с составной скоростью.
Уменьшение абсолютной скорости жидкости через два ряда лопаток ротора (R 1 и R 2 ) обусловлено передачей энергии; небольшое уменьшение скорости жидкости через неподвижные направляющие лопатки (F) обусловлено потерями. Поскольку турбина импульсного типа, давление жидкости остается постоянным после ее расширения в ряду лопаток сопла. Каждая ступень называется ступенью скорости или ступенью Кертиса, где каждая турбина (сопло-подвижная лопатка-фиксированная лопатка-подвижная лопатка) считается одной ступенью.
В каскадах с компаундированием скорости существуют две основные проблемы:
Чтобы избежать этих проблем, применяется другой метод использования отношения, в котором общий перепад давления делится на несколько импульсных ступеней. Они известны как ступени с компаундированием давления или ступени Рато. Из-за сравнительно низкого перепада давления ряды лопаток сопла являются дозвуковыми (M < 1). Поэтому такая ступень не страдает от недостатков скоростных ступеней.
На рисунке показано изменение давления и скорости пара через две ступени давления импульсной турбины. Сопловые лопатки каждой ступени получают поток в осевом направлении.
Некоторые проектировщики используют ступени давления вплоть до последней ступени. Это дает турбину меньшей длины по сравнению с реактивным типом, но с потерей эффективности.
На рисунке показаны две стадии реакции и изменение давления и скорости газа в них. Давление газа непрерывно уменьшается как в фиксированных, так и в подвижных рядах лопаток. Поскольку падение давления в каждой стадии меньше по сравнению с импульсными стадиями, скорости газа относительно низкие. Кроме того, поток ускоряется на всем протяжении. Эти факторы делают стадии реакции аэродинамически более эффективными, хотя потери на утечку на конце увеличиваются из-за относительно более высокой разницы давления на лопатках ротора.
Многоступенчатые реактивные турбины используют большой перепад давления, разделяя его на меньшие значения в отдельных ступенях. Таким образом, ступени реакции подобны ступеням с компаундированием давления, в которых введен новый элемент «реакции», т. е. ускорения потока также через ряды лопаток ротора.
Параметр отношения скорости лопатки к скорости газа (отношение скоростей) σ = u/c 2 . Эффективности ступеней турбины также можно построить в зависимости от этого отношения. Такие графики для некоторых импульсных и реактивных ступеней показаны на рисунке.
Производительность паровых турбин часто представляется в такой форме. Кривые на рисунке также показывают оптимальные значения отношения скоростей и диапазон непроектных значений для различных типов ступеней. Пятидесятипроцентная ступень реакции показывает более широкий диапазон. Другой важный аспект, который здесь изображен, заключается в том, что в приложениях, где высокие скорости газа (из-за высокого отношения давлений) неизбежны, целесообразно использовать импульсные ступени для достижения практичных и удобных значений размера и скорости машины. Иногда удобнее использовать изоэнтропическое отношение скоростей. Это отношение скорости лопатки к изоэнтропической скорости газа, которое было бы получено при его изоэнтропическом расширении через отношение давлений ступени.
Потери происходят 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 потери, соответствующий 100 единицам изэнтропической работы (h 01 – h 03ss ).
Видно, что энергия, поступающая на вал после учета потерь в каскаде ступеней (аэродинамические потери в сопловых и рабочих лопатках) и потерь на выходе, составляет около 85% от идеального значения; потери на валу составляют пренебрежимо малую долю этого значения.
