Axiální turbína - Axial turbine

Axiální turbína je turbína , ve kterém proudění pracovní tekutiny, je rovnoběžně s hřídelem, na rozdíl od radiální turbíny , kde se kapalina teče kolem hřídele, jako v mlýnem . Axiální turbína má podobnou konstrukci jako axiální kompresor , ale pracuje v opačném směru a přeměňuje tok tekutiny na rotující mechanickou energii.

Sada statických vodicích lopatek nebo lopatek trysek zrychluje a dodává víření tekutině a směruje ji do další řady lopatek turbíny namontovaných na rotoru turbíny.

Fázový rychlostní trojúhelník

Úhly v absolutním systému jsou označeny alfa (α) a úhly v relativním systému jsou označeny beta (β). Axiální a tangenciální složky absolutní i relativní rychlosti jsou zobrazeny na obrázku. Jsou také zobrazeny statické a stagnační hodnoty tlaku a entalpie v absolutním a relativním systému.

Často se předpokládá, že složka axiální rychlosti zůstává ve fázi konstantní. Z této podmínky dostaneme,
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 Také pro konstantní axiální rychlost se získá užitečný vztah:

tan α ₂ + tan α ₃ = tan β ₂ + tan β ₃

Jediný impulsní stupeň

Jednostupňová impulzní turbína je znázorněna na obrázku

Jednostupňová impulzní turbína

Ve rotoru impulzního stroje nedojde ke změně statického tlaku. Na obrázku je také znázorněna změna tlaku a rychlosti tekutiny skrz fázi.

Absolutní rychlost tekutiny se zvyšuje v závislosti na poklesu tlaku v řadě lopatek trysky, ve které dochází pouze k transformaci energie. K přenosu energie dochází pouze přes řadu listů rotoru. Absolutní rychlost kapaliny proto klesá, jak je znázorněno na obrázku. Při absenci jakéhokoli poklesu tlaku lopatkami rotoru jsou relativní rychlosti na jejich vstupu a výstupu stejné pro tok bez tření. K dosažení této podmínky musí být úhly listu rotoru stejné. Faktor využití je tedy dán vztahem

${\ displaystyle E = U {\ frac {(c_ {y2} + c_ {y3})} {{\ frac {1} {2}} c_ {2}}}}$

Vícestupňová rychlost složený impuls

Když je dostupný pokles tlaku velký, nelze jej použít všechny v jednom turbínovém stupni. Jeden stupeň využívající velký pokles tlaku bude mít neprakticky vysokou obvodovou rychlost svého rotoru. To by vedlo k většímu průměru nebo velmi vysoké rychlosti otáčení. Proto stroje s velkými poklesy tlaku využívají více než jeden stupeň.

Jedním ze způsobů využití vícestupňového rozpínání v impulsních turbínách je generování vysoké rychlosti tekutiny způsobením jejího rozpínání velkým poklesem tlaku v řadě lopatek trysky. Tato vysokorychlostní tekutina poté přenáší svou energii v mnoha stupních využitím mnoha řad rotorových listů oddělených řadami pevných vodicích lopatek. Na obrázku je znázorněna dvoustupňová složená impulsní turbína

Dvoustupňová impulsní turbína složená z rychlosti

Pokles absolutní rychlost tekutiny přes řadami dvou oběžných lopatek (R ₁ a R ₂ ) je v důsledku přenosu energie; mírný pokles rychlosti kapaliny přes pevné vodicí lopatky (F) je způsoben ztrátami. Jelikož je turbína impulzního typu, zůstává tlak kapaliny po její expanzi v řadě lopatek trysky konstantní. Takové stupně se označují jako rychlostní nebo Curtisovy stupně.

Vícestupňový tlakový složený impuls

Ve fázích složených z rychlosti existují dva hlavní problémy:

• Trysky musí být typu konvergentně-divergentní, aby generovaly vysokou (nadzvukovou) rychlost páry. To má za následek dražší a obtížnější konstrukci řad lopatek trysek.
• Vysoká rychlost na výstupu z trysky vede k vyšším kaskádovým ztrátám. Pokud je tok nadzvukový, generují se rázové vlny, což dále zvyšuje ztráty.

Aby se těmto problémům předešlo, používá se jiný způsob využití vysokého tlakového poměru, při kterém je celková tlaková ztráta rozdělena do několika impulsních stupňů. Tito jsou známí jako tlakové směsi nebo Rateauovy stupně. Vzhledem k poměrně nízkému poklesu tlaku jsou řady lopatek trysek podzvukové (M <1). Proto taková fáze netrpí postižením rychlostních stupňů.

Dvoustupňová tlaková směsná impulzní turbína

Obrázek ukazuje změnu tlaku a rychlosti páry ve dvou tlakových stupních impulsní turbíny. Lopatky trysek v každém stupni přijímají tok v axiálním směru.

Někteří designéři používají tlakové stupně až do poslední fáze. To dává turbíně kratší délky ve srovnání s typem reakce, s pokutou za účinnost.

Fáze reakce

Obrázek ukazuje dva reakční stupně a změnu tlaku a rychlosti plynu v nich. Tlak plynu trvale klesá jak v pevné, tak v pohyblivé řadě lopatek. Protože pokles tlaku v každém stupni je ve srovnání s impulzními stupni menší, jsou rychlosti plynu relativně nízké. Kromě toho se tok po celou dobu zrychluje. Díky těmto faktorům jsou reakční stupně aerodynamicky účinnější, i když se ztráta úniku špičky zvyšuje kvůli relativně vyššímu rozdílu tlaků mezi lopatkami rotoru.

Dvoustupňová reakční turbína

Vícestupňové reakční turbíny využívají velké tlakové ztráty rozdělením na menší hodnoty v jednotlivých stupních. Reakční stupně jsou tedy jako tlakově složené stupně, v nichž je zaveden nový prvek „reakce“, tj. Také zrychlení toku řadami lopatek rotoru.

Poměr rychlosti lopatka-plyn

Variace faktoru využití a účinnosti stupně s poměrem rychlosti lopatka-plyn

Parametr poměru rychlosti lopatka-plyn (rychlostní poměr) σ = u / c ₂ . Účinnosti stupňů turbíny lze také vynést proti tomuto poměru. Takové grafy pro některé impulzní a reakční fáze jsou uvedeny na obrázku.

V této podobě se často uvádí výkon parních turbín. Křivky na obrázku také ukazují optimální hodnoty poměru rychlosti a rozsah off-design pro různé typy stupňů. Padesát procent reakční fáze ukazuje širší rozsah. Dalším důležitým aspektem, který je zde znázorněn, je to, že v aplikacích, kde jsou nevyhnutelné vysoké rychlosti plynu (kvůli vysokému tlakovému poměru), je vhodné použít impulsní stupně k dosažení praktických a pohodlných hodnot velikosti a rychlosti stroje. Někdy je pohodlnější použít poměr isentropické rychlosti. Toto je poměr rychlosti lopatky a rychlosti isentropické plynu, který by byl získán při její isentropické expanzi prostřednictvím tlakového poměru stupně.

Ztráty a efektivita

Ke ztrátám dochází ve skutečné turbíně v důsledku tření disku a ložiska. Obrázek ukazuje diagram energetického toku pro impulsní stupeň axiální turbíny. Čísla v závorkách označují pořadí energie nebo ztráty odpovídající 100 jednotkám izentropické práce (h ₀₁ - h _03ss ).

Je vidět, že energie, která dosáhne hřídele po započítání ztrát kaskádového stupně (aerodynamické ztráty trysky a listu rotoru) a zanechání ztráty, je asi 85% ideální hodnoty; ztráty hřídele jsou zanedbatelnou částí této hodnoty.

Viz také

• Axiální kompresor
• Odstředivý kompresor

Reference

• Yahya, SM (2010). Turbíny, kompresory a ventilátory 4. vydání . TATA McGraw-Hill Education. ISBN  9780070707023 .
• Venkanna, BK Fundamentals of Turbomachinery . Prentice-Hall of India. ISBN  9788120337756 .
• Onkar, Singh. Aplikovaná termodynamika . New Age International (P) Ltd., New Delhi - 2009.