Особенности работы радиальной центростремительной турбины

Радиальные турбины

Требования к газовой турбине

Взаимозависимость работы двигателя и газовой турбины обуславливает следующие требования к ней:

- совместная работа двигателя и газовой турбины должна обеспечивать получение минимального удельного расхода топлива в возможно более широком диапазоне режимов;

- наиболее полное использование в турбине располагаемой энергии выпускных газов с высоким и возможно более стабильным к.п.д. турбины в широком диапазоне режимов работы двигателя. Обычно расчетный режим турбины соответствует максимальной величине к.п.д.;

- проходное сечение соплового аппарата должно обеспечивать совместную работу турбины и двигателя без существенного изменения соотношения между давлением наддува и противодавлением газов на выпуске, что особенно важно для всех двухтактных двигателей и четырехтактных двигателей с продувкой;

- высокая надежность турбины в течение всего предусмотренного срока службы при минимальных весогабаритных показателях. Это требование противоречиво, так как уменьшение весогабаритных показателей вызывает рост напряженности и сокращение срока службы. Выполнение его обычно связана с выбором компромиссного соотношения между тем, что нужно и тем, что возможно.

В зависимости от типа, назначения, быстроходности, конструктивных и эксплуатационных особенностей двигателя, к газовой турбине предъявляются специальные требования, связанные с совмещением характеристик двигателя, турбины и компрессора и обеспечением нормальных условий работы двигателя на всех эксплуатационных режимах.

Рассмотрим особенности устройства и работы центростремительной радиальной турбины, широко применяемой в наддувочных турбокомпрессорах. Схема устройства радиальной турбины изображена на рис. 7.1. Из подводящего патрубка 1 газы поступают в сопловой аппарат 2 и далее в рабочее колесо 3, представляющее собой крыльчатку с радиальными лопатками. Выходные кромки рабочих лопаток загнуты таким образом, чтобы направление вектора абсолютной скорости газа на выходе было близко к осевому (поэтому более строго было бы называть такие турбины радиально-осевыми). Окружные скорости на входе в рабочее колесо и₁ и на выходе из него и₂ имеют разные значения. Так как диаметр рабочего колеса на входе d₁ больше среднего диаметра на выходе d₂ то при одном и том же числе оборотов п

Рис. 7.1

Относительная скорость газа изменяется не только вследствие расширения, но и под действием сил инерции, которые в центростремительной турбине замедляют скорость перетекания газа в межлопаточных каналах рабочего колеса. Для преодоления тормозящего влияния центробежных сил при движении газа от периферии к центру рабочего колеса центростремительные турбины всегда выполняются реактивными, со средней степенью реактивности ρ = 0,45÷0,55. Малые перепады давления газа в рабочем колесе (при малых ρ) могут оказаться недостаточными для преодоления центробежных сил, и тогда относительная скорость газа на выходе может стать равной нулю. Момент сил, действующих на рабочие лопатки турбины,

,

(7.1)

где и - соответственно радиусы входной и выходной кромок рабочего колеса (см. рис. 7.1); .

Работа газа

,

(7.2)

где - угловая скорость вращения ротора турбины.

При

(7.3)

Подставив (7.3) в (7.2), получим формулу для определения работы

,

(7.4)

Здесь характеризует использование кинетической энергий газа, образованной в сопловом аппарате; соответствует работе, полученной вследствие ускорения газа в рабочем колесе; соответствует работе центробежной силы, действующей на 1 кг газа при изменении окружной скорости от и₁ до и₂.

В центростремительной турбине и₁ > и₂, поэтому работа центробежной силы суммируется с первым и вторым членами формулы (7.4) и увеличивает работу L_u. В центробежной турбине и₂ > и₁ поэтому L_е имеет положительный знак и уменьшает суммарную работу турбины L_u.

Так как в качестве наддувочных турбин применяются как осевые, так и радиальные, следует учитывать их относительные преимущества и недостатки.