Тепловые двигатели и нагнетатели

В. Р. ВЕДРУЧЕНКО, Е. М. РЕЗАНОВ, Е. С. ЛАЗАРЕВ










            ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И НАГНЕТАТЕЛИ


Учебное пособие




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.1
ББК 31.365
      В26



Рецензенты:
доктор технический наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика» ФГАОУ ВО «Омский государственный технический университет» Парамонов Александр Михайлович;
кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» ФГБОУ ВО «Омский государственный университет путей сообщения» Стариков Александр Петрович








      Ведрученко, В. Р.

В26 Тепловые двигатели и нагнетатели : учебное пособие / В. Р. Ведрученко, Е. М. Резанов, Е. С. Лазарев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 184 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1558-3

           Изложены основные сведения о тепловых двигателях - паровых турбинах, газотурбинных установках, двигателях внутреннего сгорания, а также основные положения о принципах действия, устройстве, методах выбора типа и регулирования разных типов нагнетателей. Рассмотрены методы классификации, тепловые схемы и диаграммы двигателей; преимущества и недостатки разных видов тепловых двигателей и нагнетателей, что позволяет обоснованно выбрать необходимый тип как двигателя, так и нагнетателя для различных условий их эксплуатации в составе теплоэнергетического оборудования ТЭЦ, промышленных и муниципальных котельных; блочных, стационарных и передвижных энергоисточников, других силовых агрегатов и систем.
           Для студентов направления «Теплоэнергетика и теплотехника», других теплоэнергетических специальностей и направлений. Может быть использовано для разных видов и форм обучения: очной, заочной и дистанционной.

                                                                   УДК 621.1
                                                                   ББК31.365





ISBN 978-5-9729-1558-3

      © Ведрученко В. Р., Резанов Е. М., Лазарев Е. С., 2023
      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.........................................................6
1. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ...............................................8
  1.1. Краткий обзор развития паровых турбин.....................8
  1.2. Тепловые двигатели и их типы..............................9
  1.3. Устройство и принцип действия активной одноступенчатой турбины.......................................11
  1.4. Устройство и принцип действия реактивной многоступенчатойтурбины.........................................13
  1.5. Устройство и принцип действия активной многоступенчатой турбины с двумя степенями скорости......................................16
  1.6. Устройство и принцип действия активной многоступенчатой турбины со ступенями давления...........................................17
  1.7. Устройство и принцип действия радиальной реактивной турбины. Принцип действия комбинированных турбин.........................18
  1.8. Классификация паровых турбин и их маркировка...............19
  1.9. Цикл Ренкина, коэффициенты полезного действия и мощности паровых турбин.....................................21
  1.10. Суживающееся сопло с косым срезом.......................25
  1.11. Расширяющееся сопло с косым срезом......................27
  1.12. Преобразование энергии пара на рабочих лопатках активной ступени. Треугольники скоростей........................................29
  1.13. Диаграмма h-s расширения пара в проточной части активной турбины............................32
  1.14. Преобразование энергии пара на рабочих лопатках реактивной ступени. Треугольники скоростей...........33
  1.15. Диаграмма h-s расширения пара в проточной части реактивной турбины. Степень реактивности турбины.........................34
  1.16. Классификация потерь в ступенях паровой турбины...........36
  1.17. Потери в соплах и на рабочих лопатках паровой турбины...37
  1.18. Потери с выходной скоростью пара, на трение дисков, вентиляцию и выколачивание......................................38
  1.19. Потери через внутренние зазоры в ступенях паровой турбины.39
  1.20. Потери от влажности пара и в выпускном патрубке паровой турбины........................................40
  1.21. Внешние потери паровой турбины............................41
  1.22. Диаграмма h-s пара многоступенчатой турбины...............41
  1.23. Понятие о коэффициенте возврата тепла паровой турбины...43
  1.24. Понятие о характеристическом коэффициенте паровой турбины.44
  1.25. Удельные единичные мощности паровых турбин..............45
  1.26. Диаграмма режимов паровой турбины.........................46
2. ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ........................................48
  2.1. Краткий обзор развития газовых турбин и газотурбинных установок .... 48

3

  1.1. Устройство и принцип действия газотурбинной установки со сгоранием при р = const. Действительный цикл................49
  2.3. Устройство и принцип действия ГТУ со сгоранием при v = const. Недостатки в работе таких установок............................53
  2.4. Классификация потерь в газотурбинных установках...........55
  2.5. Способы повышения экономичности газотурбинных установок.......56
  2.6. Тепловая схема и T-s-диаграмма газотурбинной установки с регенерацией...................................................57
  2.7. Тепловая схема и T-s-диаграмма ГТУ с промежуточным охлаждением и подогревом рабочего тела (ступенчатым сжатием).......59
  2.8. Тепловая схема со ступенчатым сгоранием (промежуточным подогревом газа)................................60
  2.9. Топливо для ГТУ. Виды и особенности использования.........61
  2.10. Тепловая схема замкнутой газотурбинной установки.........63
  2.11. Современные стационарные газотурбинные установки.........65
  2.12. Сложные и многовальные ГТУ...............................66
  2.13. Отличительные особенности газовых турбин от паровых......67
3. ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ................................70
  3.1. Краткие сведения из истории развития двигателестроения....70
  3.2. Устройство и принцип действия ДВС. Преимущества и недостатки ДВС по сравнению с ПТУ............................71
  3.3. Классификация и маркировка ДВС............................73
  3.4. Устройство и принцип действия четырехтактного дизеля......76
  3.5. Устройство и принцип действия двухтактного дизеля. Преимущества и недостатки......................................79
  3.6. Устройство и принцип действия четырехтактного карбюраторного двигателя (низкого сжатия).....................................84
  3.7. Топливо для ДВС. Физико-химические энергетические и эксплуатационные показатели. Октановое и цетановое число.......89
  3.8. Пути повышения мощности ДВС...............................92
  3.9. Действительный цикл четырехтактного ДВС. Степень сжатия.......97
  3.10. Действительный цикл двухтактного ДВС. Степень сжатия.........101
  3.11. Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность ДВС....104
  3.12. Среднее эффективное давление и эффективная мощность ДВС......107
  3.13. Индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива......108
  3.14. Эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива ДВС .. 109
  3.15. Литровая мощность двигателя и расход воздуха через двигатель.109
  3.16. Тепловой баланс двигателя...............................110
4. НАГНЕТАТЕЛИ..................................................111
  4.1. Краткий обзор истории развития нагнетателей..............111
  4.2. Основные типы и классификация нагнетателей по различным признакам и назначению...........................112
  4.3. Рабочие параметры нагнетателей: подача, производительность, напор, полезная мощность.............................................115

4

  4.4. Совместная работа нагнетателя и трубопроводной системы. Характеристика и рабочая точка системы..........................117
  4.5. Закон сохранения энергии в механической форме - уравнение Бернулли.......................118
  4.6. Процессы сжатия в диаграммах состояния.....................119
  4.7. Коэффициенты полезного действия нагнетателей..............121
  4.8. Принцип действия радиальной ступени нагнетателя...........122
  4.9. Основное уравнение турбонагнетателей - уравнение Эйлера....123
  4.10. Понятие удельной работы нагнетателя; коэффициент напора, динамический и статический напор, степень реактивности ступени..124
  4.11. Параметры ступени нагнетателя, потери от трения и утечек..125
  4.12. Неустойчивая работа нагнетателей. Помпаж.................127
  4.13. Вентиляторы. Расчетные соотношения и параметры............130
  4.14. Центробежные вентиляторы. Основные конструктивные элементы. Классификация...................................................131
  4.15. Характеристики и регулирование центробежных вентиляторов..132
  4.16. Осевые вентиляторы. Основные элементы. Классификация. Характеристика..................................................134
  4.17. Тягодутьевые устройства. Вентиляторы и дымососы. Конструкция. Типы. Характеристики...............................137
  4.18. Турбокомпрессоры. Типы. Основные элементы. Работа. Потери. КПД. Мощность. Характеристики..................................140
  4.19. Компрессоры центробежные. Конструкция. Назначение........143
  4.20. Осевые компрессоры. Конструкция. Назначение. Области применения.............................................144
  4.21. Струйные компрессоры. Основные элементы. Процессы в струйных нагнетателях...............................145
  4.22. Поршневые насосы. Устройство и принцип действия. Среднее индикаторное давление и мощность...............................147
  4.23. Конструкция поршневых насосов. Классификация. Поршневые компрессоры. Устройство и принцип действия.....................149
  4.24. Центробежные лопастные насосы. Конструкция. Кавитация. Назначение лопастных насосов и их основные типы......153
  4.25. Шестеренные насосы. Конструкция и принцип действия........156
  4.26. Винтовые и пластинчатые насосы. Устройство и принцип действия.............................................157
  4.27. Насосы специальных типов: вихревые, водокольцевые, струйные. Конструкция. Принцип действия. Характеристики КПД..............159
  4.28. Методы регулирования нагнетателей........................162
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................166
Приложение.
Виды конструкции разных типов нагнетателей и тепловых двигателей..167

5

    ВВЕДЕНИЕ


   Машины, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу, называются двигателями. Машины, преобразующие теплоту в механическую работу, называются тепловыми двигателями. Тепло для двигателей в настоящее время получается из органического топлива при химической реакции и из ядер-ного топлива при ядерной реакции. К видам органического топлива, применяемого в теплоэнергетических промышленных установках, относятся каменный уголь, антрацит, бурый уголь, торф, горючие сланцы, древесина, нефть, нефтяной (промысловый) газ, природный газ и различные продукты, получаемые в результате их переработки. Ядерным топливом могут быть изотопы урана и плутония. Сырьевой базой ядерного топлива являются уран и торий. Ядерная реакция деления с выделением энергии в форме тепла происходит при расщеплении урана-235, урана-233 и плутония-239.
   В промышленности электрическая энергия из тепловой получается путем промежуточного преобразования ее в механическую работу. Современная техника не позволяет пока создавать более или менее мощные установки для получения электричества непосредственно из тепла. Превращение тепла в электричество с достаточно высоким КПД без промежуточного преобразования его в механическую работу было бы крупным шагом вперед - отпала бы надобность в тепловых электростанциях, а также во многих других случаях необходимость установки тепловых двигателей, которые имеют относительно низкий КПД, сложное устройство и требуют квалифицированного ухода при эксплуатации.
   В тепловой электростанции или в любых других областях техники, где используется теплота для приведения в движение мощных агрегатов, нельзя обойтись без тепловых двигателей. Тепловые двигатели, являющиеся неотъемлемой частью всей тепловой энергетики, в настоящее время широко применяются во многих областях народного хозяйства.
   Процесс сгорания топлива и выделения тепла может происходить внутри самого двигателя и вне его, в другом агрегате. Продукты сгорания топлива как носители тепла в одних случаях при превращении тепла в работу непосредственно являются рабочим телом в двигателях, а в других случаях передают свое тепло другому веществу (воде), и тогда уже другое промежуточное вещество (пар) является рабочим телом в тепловом двигателе. Таким образом, в первом случае рабочий процесс в двигателе осуществляется без промежуточного теплоносителя, а во втором - с промежуточным теплоносителем.
   Способы превращения тепла в механическую работу разнообразны. Наиболее распространены следующие пять типов тепловых двигателей: паровые машины, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины и реактивные двигатели (турбореактивные и ракетные).
   В крупных тепловых электростанциях и мощных промышленных теплоэнергетических установках наиболее экономичными остаются паросиловые установки с паровыми турбинами. Почти все крупные тепловые и атомные электростанции снабжены паротурбинными установками.

6

   В современной технике машины для подачи жидкостей называют насосами. Машины для подачи газов в зависимости от развиваемого ими давления принято подразделять на компрессоры, нагнетатели и вентиляторы.
   Количество насосов, компрессоров и вентиляторов различного назначения, выпускаемых промышленностью технически развитых стран, исчисляется миллионами штук в год; электрическая энергия, используемая для их привода, составляет существенную часть в энергетическом балансе стран. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования, направленные на усовершенствование рабочих процессов и повышение коэффициента полезного действия (КПД) машин этого вида, имеют очень большое значение.
   Государственный стандарт определяет насос как машину для создания потока жидкой среды. Развитие этого определения приводит к пониманию насоса как машины, предназначенной для перемещения жидкости и увеличения ее энергии. При работе насоса энергия, получаемая им от двигателя, превращается в потенциальную, кинетическую и в незначительной мере - в тепловую энергию потока жидкости.
   Вентилятор - машина, перемещающая газовую среду при степени повышения давления е до 1,15.
   Нагнетатель - машина, работающая при е > 1,15, но не охлаждаемая искусственно.
   Компрессор сжимает газ при е > 1,15 и имеет искусственное (обычно водяное) охлаждение полостей, в которых происходит сжатие газа.

7

    1. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ

    1.1. Краткий обзор развития паровых турбин

   Идея теплового двигателя, работающего по принципу паровой турбины, возникла еще за 120 лет до начала н. э., когда Герон Александрийский описал прибор, у которого вращение шара осуществлялось за счет реактивного действия струй пара, вытекающих из изогнутых трубок.
   В паровой турбине превращение тепла в механическую работу осуществляется в результате двух процессов. В первом процессе пар от начального состояния до конечного расширяется в соплах или насадках и приобретает большую скорость, во втором кинетическая энергия движущейся струи пара превращается в механическую работу.
   Промышленные конструкции паровых турбин начали создаваться в конце XIX-начале XX в. на основе работ шведского инженера Г. Лаваля (1845-1913 гг.), построившего первую промышленную активную паровую турбину, и англичанина Ч. Парсонса (1854-1931 гг.), работавшего в области реактивных турбин. Во Франции О. Рато (1863-1930 гг.) разработал конструкцию активных турбин со ступенями давления, которые в дальнейшем были усовершенствованы швейцарским инженером Целли. Американский инженер Кертис (1860-1953 гг.) построил активную турбину со ступенями скорости. Значительный вклад в разработку теории процессов, протекающих в паровой турбине, и в практическое турбостроение внес чехословацкий ученый А. Стодола (1859-1942 гг.). Успешную и плодотворную работу по развитию строительства паровых турбин провели коллективы советских турбостроительных заводов и научно-исследовательских институтов. В развитие паровых турбин внесли вклад советские ученые А. А. Радциг, Г. С. Жирицкий, А. В. Щегляев и др.
   В настоящее время шаровые турбины достигли высокой степени совершенства и являются основным двигателем в стационарной энергетике и на крупных морских судах. Широкое применение паровых турбин объясняется рядом преимуществ их по сравнению с другими тепловыми двигателями. Основными из них являются возможность создания агрегатов с большой единичной мощностью, высокая экономичность и надежность работы, относительно небольшие габариты, возможность непосредственного соединения с электрическим генератором, воздухо- и газодувками, а также применения пара с высокими параметрами и глубокого вакуума.
   В дореволюционной России строительство паровых турбин широкого распространения не имело. С 1904 г. шаровые турбины строили на Петербургском металлическом заводе, который до 1913 г. выпустил 26 турбин, их общая мощность не превышала 9000 кВт. Строительство судовых турбин вели на Балтийском и Николаевском судостроительных заводах.
   Для осуществления плана ГОЭЛРО Ленинградский металлический завод (ЛМЗ) в 1930 г. начал строить турбины единичной мощностью по 24 и 50 тыс. кВт с начальными параметрами пара 26-29 ата и 375-400° С. Позже на ЛМЗ были построены турбины мощностью 25 и 50 тыс. кВт с регулируемым отбором пара.

8

С 1931г. на Петербургском «Кировском заводе» начали строить паровые турбины мощностью 2,5-4 и 12тыс.кВт. Турбины небольшой мощности строили и на Невском машиностроительном заводе им. Ленина (НЗЛ). В 1934 г. турбины мощностью 50 и 100 тыс. кВт начал выпускать Харьковский турбогенераторный завод им. Кирова (ХТГЗ). В 1947 г. на ЛМЗ была создана двухцилиндровая конденсационная турбина мощностью 100 тыс. кВт при 3000 об/мин с высокими начальными параметрами пара (90 ата и 480 °С), а затем турбина, рассчитанная на сверхвысокие параметры (170 ата и 550 °С) мощностью 150 тыс. кВт.
   Предусмотрено дальнейшее развитие турбостроения с сооружением блочных агрегатов мощностью 100, 150, 200, 300 тыс. кВт и выше с применением сверхкритических параметров, производство которых успешно осуществляется.
   В транспортных установках (автомобили, мотоциклы, тракторы, тепловозы, морские и речные суда) и во всех других случаях, когда требуются компактные силовые установки малой и средней мощности, наиболее подходящими в настоящее время признаны двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Для малых и средних мощностей (1-10000 кВт) среди всех тепловых энергетических установок самыми универсальными являются поршневые ДВС, поэтому они широко применяются в различных областях народного хозяйства.
   Газовые турбины как самостоятельные силовые агрегаты, кроме авиации (турбореактивные двигатели), распространены пока еще меньше, чем паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания; газовые турбины применяются на газоперекачивающих компрессорных станциях, на электростанциях (главным образом в качестве резервных, пиковых, установок), на железнодорожных га-зотурбовозах, а также на некоторых судах и экспериментальных автомобилях. Газовые турбины как вспомогательные силовые агрегаты за последнее время стали широко применяться в турбопоршневых комбинированных двигателях внутреннего сгорания.
   Реактивные двигатели с газовыми турбинами, которые позволяют получать высокие скорости движения, заняли господствующее положение в авиации, вытеснив (кроме некоторых тихоходных самолетов, вертолетов, санитарной и сельскохозяйственной авиации) поршневые двигатели внутреннегосгорания.
   Инженерно-техническим работникам промышленной теплоэнергетики в своей практической деятельности больше всего приходится заниматься вопросами эксплуатации тепловых двигателей.

    1.2. Тепловые двигатели и их типы

   Тепловые двигатели - машины, преобразующие теплоту в механическую работу.
   В настоящее время главными источниками получения теплоты являются органическое топливо, которое при химических реакциях окисления выделяет теплоту, а также ядерное топливо, участвующее в ядерных реакциях.
   В промышленности превращение теплоты в электричество происходит с промежуточным преобразованием ее в механическую работу.

9

   В связи с этим пока основная доля электрической энергии вырабатывается на тепловых электростанциях, где теплота используется для вращения роторов мощных турбогенераторов.
   По способу превращения теплоты в механическую работу различают следующие типы тепловых двигателей: паровые машины, паровые турбины, газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания и реактивные двигатели.
   Паровые машины (поршневые) ранее широко использовались в паровозах и пароходах, но в настоящее время заменены более экономичными машинами (установками).
   Паровая турбина (ПТ) - двигатель, в котором внутренняя энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая - в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно (через муфту) соединен с ротором либо электрогенератора, либо насоса, либо компрессора и др.
   Газовая турбина (ГТ) по принципу действия и конструктивно аналогична паровой. В газовой турбине рабочим телом являются продукты сгорания топлива (жидкого, твердого, газового) в смеси с воздухом.
   Газотурбинные установки (ГТУ) уступают паротурбинным (ПТУ) по мощности и долговечности, но могут превосходить их по высоким требованиям к качеству топлива.
   ГТ как самостоятельные силовые агрегаты применяются значительно реже (кроме авиации), чем ПТ. Таким образом, ГТ устанавливают на ГЭС чаще в качестве резервных, пиковых установок на газоперекачивающих компрессорных станциях (магистральных газопроводов при подаче газа), на крупных предприятиях в качестве утилизованных турбин, на морском флоте, на газотурбовозах железнодорожного транспорта.
   Если по условиям эксплуатации требуются мобильные компактные силовые установки малой и средней мощности (до 20000 л. с.), применяют ДВС.
   В ДВС рабочим телом является газообразные продукты сгорания топлива (жидкого либо газового). В них преобразование теплоты в механическую работу происходит при высокой разнице термодинамических потенциалов газов - при горении и в конце расширения. Это и предопределяет получение в ДВС наибольшего КПД среди других тепловых двигателей.
   ДВС характеризуются высокой экономичностью (малым расходом топлива), малыми массой и габаритами; быстрым пуском, значительной единичной мощностью (до 40 тыс. кВт); широко используются в различных отраслях.
   Реактивные двигатели с газовыми турбинами позволяют получать высокие скорости движения и широко применяются в авиации (турбореактивные двигатели), устанавливаются в ракетах, но в стационарных наземных установках практически не используются.
   С повышением скорости локомотивов и судов на воздушной подушке усиливается перспектива использования в них воздушно-реактивных двигателей вместо традиционных ГТУ и ДВС.
   В настоящее время для различных целей используют отработавшие летный ресурс турбоактивные авиационные двигатели.
   Окислителем топлива на борту ракет является кислород атмосферы.

10

    1.3. Устройство и принцип действия активной одноступенчатой турбины

   Паровая турбина состоит из вращающегося ротора и неподвижно установленного корпуса.
   Ротор турбины - это вал, на котором прочно закреплен диск либо диски, каждый из которых имеет венец рабочих лопаток на ободе.
   В корпусе турбины закреплены неподвижные диафрагмы с размещенными в них соплами или направляющими лопатками. Направляющие и рабочие лопатки располагаются на окружности одинакового среднего диаметра.
   В каналах между сопловыми (направляющими) лопатками пар расширяется, и его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию потока. В каналах между рабочими лопатками кинетическая энергия пара вследствие обтекания криволинейных профилей (по сечению) рабочих лопаток преобразуется в механическую работу вращения ротора турбины. Так, пар постепенно расширяется от первой до последней ступени турбины и далее, при низком давлении выходит из турбины. Теоретическим циклом для ПТУ является цикл Ренкина.
   Главные преимущества ПТ - их быст

роходность (3000 и более оборотов ротора в минуту) и, соответственно, малые габариты.
   Сопловый аппарат (один или несколько сопел) вместе с рабочими лопатками образуют ступень давления турбины. Таким образом, в отличие от поршневой машины турбина обеспечивает непрерывный процесс превращения энергии рабочего тела в механическую работу. По принципу работы пара на лопатках турбины делятся на активные и реактивные.
   В активных турбинах (или отдельных ступенях) работе пара на лопатках предшествует процесс полного расширения пара в соплах с преобразованием тепловой (потенциальной) энергии в кинетическую, т. е. скоростную.
   Таким образом, турбины (рис. 1.1), у которых расширение пара от начального Р₀ до конечного Р₁ давления происходит в соплах, а лопатки служат для превращения кинетической энергии струи пара

Рис. 1.1. Схема одноступенчатой турбины: 1 — вал; 2 — диск; 3 — рабочие лопатки; 4 - сопла; 5 - корпус турбины;
6 - выхлопной патрубок

во вращательное движение ротора, называются активными (давление по обе стороны рабочих лопаток постоянное).
   В таких турбинах весь располагаемый теплоперепад (Ahₜ) преобразуется в кинетическую энергию потока в соплах, а в каналах между рабочими лопатками расширения не происходит (давление рабочего тела не меняется).

11

   В простейшей активной турбине рабочее тело поступает в сопло (или группу сопел), разгоняется в нем до высокой скорости и направляется на рабочие лопатки, а усилия от действия потока в каналах рабочих лопаток вращают диск и вал, которые совместно и образуют ротор, и один ряд сопел и один диск с рабочими лопатками составляют ступень.
   Первыми образцами турбин были активные турбины Лаваля, в которых паровой поток двигался в направлении оси турбины (т. е. осевые турбины или аксиальные).
   Приращение кинетической энергии в соплах можно определить по уравнению сохранения энергии для стационарного потока, движущегося без теплообмена и без совершения механической работы:
                               dc-dli0,                            (1.1)
или в интегральной форме:
CfT/2+ С0/2 = ho - h₁T>                 (1.2)
где C₀, h₀ - скорость и энтальпия потока перед соплом;
   С₁т, й₁т - теоретическая скорость и энтальпия потока на выходе из сопла (скорость - м/с, энтальпия - ккал/кг).
   Если принять Cₒ = 0,то
C2 /2 = h„ -h, = Ah ,                   (1.3)
1т     0 1т     т,
где Ай, - располагаемый теплоперепад, соответствующий скорости С₁т.
   В реальных условиях при расширении рабочего тела появляются потери на трение и вихревое движение. Эти потери кинетической энергии превращаются в теплоту и повышают энтальпию рабочего тела за соплом, в результате уменьшается AhT, а скорость потока
                               C1 =Vc • С1т,                       (1.4)
где ус- коэффициент скорости сопла. Обычно ус = 0,95-0,98.
   Величина ус зависит от размеров сопел, качества их обработки и скорости пара. Для более высоких и тщательно фрезерованных сопел в расчетах принимают и более высокие значения ус.
   Коэффициент потери энергии в соплах
                               ? = (1 -v2).                        (1.5)
   В расчетах Q принимают приближенно равным единице.
   Часто в расчетах пользуются графиками:
                               Vc = f(11), где 1₁ - высота сопла.
   Для расширяющихся сопел берут ус меньше, чем для суживающихся.
   И сопловые, и рабочие лопатки имеют криволинейный профиль. Вследствие кривизны лопаток при обтекании их паровым потоком по обеим стенкам каждой лопатки устанавливается разное давление: большее на вогнутой стороне и меньшее - на выпуклой.

12

   Образующаяся результирующая сила заставляет рабочие лопатки двигаться, происходит вращение ротора (преобразование в ступени турбины тепловой энергии пара в механическую работу на ее валу).
   Вследствие трудности учета потерь энергии для упрощения расчетов допускаются некоторые приближения к реальному процессу, т. е. процесс расширения пара принимают стационарным, т. е. неизменным по времени режим работы турбины в целом и каждой в отдельности, а паровой поток рассматривается как одномерный.
   Лопатки активной турбины выполняются такой конфигурации, чтобы при движении пара в межлопаточном канале давление его не изменилось и чтобы равнодействующая сил, действующих на поверхность лопатки, совпадала по направлению с вектором окружной скорости лопатки U, а равнодействующая осевых составляющих активных сил должна быть равна нулю.
   У активной ступени перепада давлений на колесе нет и вал активной турбины не испытывает осевого усилия.
   Из графиков изменения давления и абсолютной скорости пара (рис. 1.1) следует, что давление снижается только в соплах и за счет этого увеличивается скорость струи. На рабочих лопатках и в зазоре между соплами и лопатками давление практически остается постоянным.
   Активный принцип работы турбин обеспечивает максимально возможное понижение температуры пара перед рабочими лопатками за счет его расширения, что облегчает условия работы лопаток. КПД активной турбины с умеренной окружной скоростью (и < 300 %) можно повысить, используя рабочее колесо с двумя рядами лопаток (двухвенечный диск Кертиса, рис. 1.2).
   Развитие принципа работы активной турбины (Лаваля) привело к появлению в 1900 г. многоступенчатой активной паровой турбины, где для расширения пара используется не одна группа сопел, а несколько последовательно расположенных групп (рис. 1.3). Пар расширяется в соплах каждой группы, а на рабочих лопатках кинетическая энергия пара только преобразуется в механическую работу.

    1.4. Устройство и принцип действия реактивной многоступенчатой турбины

   При течении рабочего тела из сопла возникает реактивная сила, которая вращает систему.
   Ступень турбины представляет собой вращающийся диск с соплами, к которым непрерывно подводится рабочее тело. Из-за сложности конструирования таких ступеней (особенно многоступенчатых турбин) чисто реактивные турбины не создавались.
   Реактивный принцип работы турбин нашел широкое применение лишь в реактивных двигателях летательных аппаратов (ракет, самолетов и др.).
   Практически реактивными называют турбины, у которых располагаемый теп-лоперепад АЬт преобразуется в кинетическую энергию потока не только в соплах но и на рабочих лопатках.

13