Axiální turbína - Axial turbine

Tento článek obsahuje a seznam doporučení, související čtení nebo externí odkazy, ale její zdroje zůstávají nejasné, protože jí chybí vložené citace. Prosím pomozte zlepšit tento článek představuji přesnější citace. (Prosinec 2019) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

An axiální turbína je turbína ve kterém je tok pracovní tekutiny rovnoběžný s hřídelem, na rozdíl od radiální turbíny, kde tekutina proudí kolem hřídele, jako v a vodní mlýn. 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. Statické a stagnace hodnoty tlaku a entalpie v absolutním a relativním systému jsou také zobrazeny.

Často se předpokládá, že složka axiální rychlosti zůstává ve fázi konstantní. Z této podmínky dostaneme,
C_X = c₁ cos α₁ = c₂ cos α₂: = w₂ cos β₂ = c₃ cos α₃ = w₃ cos α₃Pro konstantní axiální rychlost se také získá užitečný vztah:

opálení α₂ + opálení α₃ = tan β₂ + tan β₃

Jediný impulsní stupeň

Na obrázku je znázorněna jednostupňová impulzní turbína

Jednostupňová impulzní turbína

Ve rotoru impulzního stroje nedochází 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 k jediné 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 vstupu a výstupu pro tok bez tření stejné. K dosažení této podmínky musí být úhly lopatek rotoru stejné. Faktor využití je tedy dán vztahem

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

Rychlost složená impulsní turbína

Když je dostupný pokles tlaku velký, nelze jej použít všechny v jednom turbínovém stupni. Jednostupňový s velkým poklesem 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 vícestupňové expanze v impulsních turbínách je generování vysoké rychlosti tekutiny způsobením jejího expanze velkým poklesem tlaku v řadě lopatek trysky. Tato vysokorychlostní tekutina poté přenáší svoji energii v mnoha stupních využitím mnoha řad rotorových listů oddělených řadami pevných vodicích lopatek. Rychlostní složená impulzní turbína je znázorněna na obrázku

Jednostupňová impulzní turbína složená z rychlosti - Curtisova turbína

Pokles absolutní rychlosti tekutiny přes dvě řady listů rotoru (R.₁ a R.₂) je způsoben přenosem 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. Takový stupeň se označuje jako rychlostní nebo Curtisův stupeň, kdy se každá Curtisova turbína (lopatka pohybující se tryskou-fixující lopatka pohybující se lopatkou) počítá jako jeden stupeň.

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 nákladnější a obtížnější konstrukci řad lopatek trysek.
• Vysoká rychlost na výstupu z trysky vede k vyšším kaskádovým ztrátám. Rázy jsou generovány, pokud je tok nadzvukový, což dále zvyšuje ztráty.

Aby se těmto problémům předešlo, používá se jiný způsob využití poměru, ve 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. Čepele trysek v každém stádiu 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 na lopatkách 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 čepele k plynu

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

Parametr poměru rychlosti lopatka-plyn (rychlostní poměr) σ = u / c₂. 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 toku energie pro impulsní stupeň axiální turbíny. Čísla v závorkách označují pořadí energie nebo ztráty odpovídající 100 jednotkám izentropické práce (h₀₁ - 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, S M (2010). Turbíny, kompresory a ventilátory 4. vydání. TATA McGraw-Hill Education. ISBN  9780070707023.
• Venkanna, B. K. Základy turbomechaniky. Prentice-Hall of India. ISBN  9788120337756.
• Onkar, Singh. Aplikovaná termodynamika. New Age International (P) Ltd., New Delhi - 2009.