Axiell turbin
En axialturbin är en turbin där flödet av arbetsvätskan är parallell med axeln, till skillnad från radiella turbiner, där vätskan rinner runt en axel, som i en vattenkvarn . En axialturbin har en liknande konstruktion som en axialkompressor , men den arbetar omvänt och omvandlar flödet av vätskan till roterande mekanisk energi.
En uppsättning statiska ledskovlar eller munstycksvingar accelererar och tillför virvel till vätskan och dirigerar den till nästa rad med turbinblad monterade på en turbinrotor.
Steghastighetstriangel
Vinklarna i det absoluta systemet noteras med alfa (α) och vinklarna i det relativa systemet noteras med beta (β). Axiella och tangentiella komponenter av både absoluta och relativa hastigheter visas i figuren. Statiska och stagnationsvärden för tryck och entalpi i de absoluta och relativa systemen visas också.
Det antas ofta att den axiella hastighetskomponenten förblir konstant genom steget. Från detta villkor får vi, 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 För konstant axiell hastighet ger också en användbar relation:
tan α 2 + tan α 3 = tan β 2 + tan β 3
Enkelt impulssteg
En enstegs impulsturbin visas i figuren
Det sker ingen förändring i det statiska trycket genom rotorn på en impulsmaskin. Variationen av tryck och hastighet hos vätskan genom steget visas också i figuren.
Vätskans absoluta hastighet ökar motsvarande tryckfallet genom munstycksbladsraden där den enda omvandlingen av energi sker. Överföringen av energi sker endast över rotorbladsraden. Därför minskar den absoluta vätskehastigheten genom detta som visas i figuren. I frånvaro av något tryckfall genom rotorbladen är de relativa hastigheterna vid deras in- och utträde desamma för friktionsfritt flöde. För att uppnå detta tillstånd måste rotorbladsvinklarna vara lika. Därför ges utnyttjandefaktorn av
Hastighetssammansatt impulsturbin
När det tillgängliga tryckfallet är stort kan inte allt användas i ett turbinsteg. Ett ensteg som använder ett stort tryckfall kommer att ha en opraktisk hög periferihastighet på sin rotor. Detta skulle leda till antingen en större diameter eller en mycket hög rotationshastighet. Därför använder maskiner med stora tryckfall mer än ett steg.
En av metoderna för att använda flerstegsexpansion i impulsturbiner är att generera hög hastighet hos vätskan genom att få den att expandera genom ett stort tryckfall i munstycksbladsraden. Denna höghastighetsvätska överför sedan sin energi i ett antal steg genom att använda många rotorbladsrader åtskilda av rader av fasta styrblad. En hastighetssammansatt impulsturbin visas i figuren
Minskningen i vätskans absoluta hastighet över de två rotorbladsraderna (Ri och R2 ) beror på energiöverföringen; den lätta minskningen av vätskehastigheten genom de fasta styrbladen (F) beror på förluster. Eftersom turbinen är av impulstyp förblir vätskans tryck konstant efter dess expansion i munstycksbladsraden. Ett sådant steg kallas hastighet eller Curtis-steg att varje Curtis-turbin (munstyckesrörande blad-fix bladrörligt blad) räknas som ett steg.
Flerstegs trycksammansatt impuls
Det finns två stora problem i hastighetssammansatta stadier:
- Munstyckena måste vara av konvergent-divergent typ för att generera hög (överpersonisk) ånghastighet. Detta resulterar i en dyrare och svårare utformning av munstycksbladsraderna.
- Hög hastighet vid munstyckets utgång leder till högre kaskadförluster. Stötvågor genereras om flödet är överljud, vilket ytterligare ökar förlusterna.
För att undvika dessa problem används en annan metod för att utnyttja ett förhållande där det totala tryckfallet delas upp i ett antal impulssteg. Dessa är kända som trycksammansatta eller Rateau-stadier. På grund av det jämförelsevis lägre tryckfallet är munstycksbladsraderna subsoniska (M < 1). Därför lider inte ett sådant stadium av funktionsnedsättningarna i hastighetsstadierna.
Figuren visar variationen av tryck och ånghastighet genom de två tryckstegen i en impulsturbin. Munstycksbladen i varje steg tar emot flöde i axiell riktning.
Vissa designers använder trycksteg upp till det sista steget. Detta ger en turbin med kortare längd jämfört med reaktionstypen, med ett straff på effektiviteten.
Reaktionsstadier
Figur visar två reaktionssteg och variationen av tryck och hastighet hos gasen i dem. Gastrycket minskar kontinuerligt över både fasta och rörliga rader av blad. Eftersom tryckfallet i varje steg är mindre jämfört med impulsstegen är gashastigheterna relativt låga. Dessutom accelererar flödet hela tiden. Dessa faktorer gör reaktionsstegen aerodynamiskt effektivare även om spetsläckageförlusten ökar på grund av den relativt högre tryckskillnaden över rotorbladen.
Flerstegs reaktionsturbiner använder ett stort tryckfall genom att dela upp det till mindre värden i enskilda steg. Således är reaktionsstegen som de trycksammansatta stegen med ett nytt element av "reaktion" infört i dem, dvs. att accelerera flödet även genom rotorbladsrader.
Blad-till-gas hastighetsförhållande
Parametern blad-till-gas hastighetsförhållande (hastighetsförhållande) σ = u/c 2 . Verkningsgraden för turbinstegen kan också plottas mot detta förhållande. Sådana diagram för vissa impuls- och reaktionssteg visas i figuren.
Prestanda hos ångturbiner presenteras ofta i denna form. Kurvorna i figur visar också de optimala värdena för hastighetsförhållandet och intervallet för off-design för olika typer av steg. Det femtioprocentiga reaktionssteget visar ett bredare intervall. En annan viktig aspekt som avbildas här är att i applikationer där höga gashastigheter (på grund av högt tryckförhållande) är oundvikliga, är det tillrådligt att använda impulssteg för att uppnå praktiska och bekväma värden på maskinens storlek och hastighet. Ibland är det bekvämare att använda ett isentropiskt hastighetsförhållande. Detta är förhållandet mellan bladhastigheten och den isentropiska gashastigheten som skulle erhållas i dess isentropiska expansion genom stegtrycksförhållandet.
Förluster och effektivitetsvinster
Förlusterna uppstår i en verklig turbin på grund av skiv- och lagerfriktion. Figur visar energiflödesdiagrammet för impulssteget för en axialturbin. Siffror inom parentes anger ordningen för energi eller förlust motsvarande 100 enheter isentropiskt arbete (h 01 – h 03ss ).
Det framgår att energin som når axeln efter att ha tagit hänsyn till stegkaskadförluster (aerodynamiska förluster av munstycke och rotorblad) och lämnande förlust är cirka 85 % av det ideala värdet; axelförluster är en försumbar andel av detta värde.
Se även
- Yahya, SM (2010). Turbiner, kompressorer och fläktar 4:e upplagan . TATA McGraw-Hill utbildning. ISBN 9780070707023 .
- Venkanna, BK Fundamentals of Turbomachinery . Prentice-Hall of India. ISBN 9788120337756 .
- Onkar, Singh. Tillämpad termodynamik . New Age International(P) Ltd., New Delhi - 2009.