Многоступенчатые турбины со ступенями скорости.

Увеличение располагаемой работы турбинной ступени приводит к повышению оптимальной окружной скорости, которая не всегда обеспечивает требуемую прочность. Эксплуатация ступени с окружными скоростями, меньше оптимального значения вызывает заметное снижение ее КПД. Основная причина увеличения потерь энергии – повышение скорости на выходе с₂ (потерь энергии с выходной скоростью). Таким образом, рабочее тело за рабочей решеткой обладает высокой кинетической энергией, которую можно использовать на второй решетке рабочих лопаток, для чего перед ними надо поставить решетку направляющих лопаток, которые обеспечат необходимый поворот потока.

Сопловой аппарат с первым венцом рабочих лопаток называют первой ступенью скорости, а направляющий аппарат со вторым венцом рабочих лопаток – второй ступенью скорости. Если на выходе из второго венца рабочих лопаток скорость газа окажется все еще значительной, можно поставить третью ступень скорости и так далее.

Рабочие лопатки ступеней скорости размещают обычно на одном диске, который часто называют диском или колесом Кертиса (рис.4.)

Схема активной турбины со ступенями скорости приведена на рис. 4. В сопловом аппарате 1 рабочее тело расширяется до конечного давления Р₁= Р₂= = . Так как первая ступень скорости работает при скоростной характеристике существенно меньшей оптимальной , скорость потока на выходе из рабочей решетки с₂ остается достаточно высокой. Этот факт можно проследить из треугольников скоростей (рис.5). С целью частичного использования энергии потока с выходной скоростью с₂ поставлена вторая рабочая решетка 4 (рис.4), перед которой установлена направляющая решетка 3, обеспечивающая требуемое направление движения рабочего тела.

Рис. 4. Схема активной турбины с двумя ступенями скорости:

1- сопловой аппарат; 2 - рабочая решетка первой ступени скорости; 3 – направляющий аппарат; 4- рабочая решетка второй ступени скорости.

Число ступеней скорости ограничивают двумя, это связано с уменьшением максимального КПД турбины при увеличении числа ступеней скорости.

Рис.5. Треугольники скоростей активной турбины с двумя ступенями скорости.

Ступени скорости выполняют обычно чисто активными. Однако, с целью снижения потерь энергии в межлопаточных каналах турбинных решеток, большая часть располагаемой энергии преобразуется в соплах, а остаток распределяется между рабочими решетками и направляющими аппаратом. Рабочий процесс турбины с двумя ступенями скорости в Si - диаграмме представлен на рис .6. Если располагаемая работа на турбину L₀, а располагаемые работы решеток , ,  то частные и общие степени реактивности можно определить по выражениям:

;                                                                 (3.1)

,                                                                  (3.2)

Где                                                                 (3.3.)

Если располагаемая работа в направляющем аппарате соизмерима с располагаемой работой в сопловым аппарате, то турбина с двумя ступенями скорости превращается в турбину с двумя ступенями давления.

Рис. 6. рабочий процесс турбины с двумя ступенями скорости.

57.Многоступенчатые турбины со ступенями давления.

В современных судовых паровых турбинах располагаемая энергия измеряется перепадом энтальпий l_a=420¸850 кДж/кг у вспомогательных и 1250¸1700 кДж/кг – у главных турбин. Для преобразования таких энергий в одной турбинной ступени с максимальным КПД необходимо обеспечить окружные скорости порядка 750¸850 м/с для активной ступени и 1000¸1200 м/с для конгруэнтной.

В газотурбинных двигателях для преобразования располагаемой работы в одной ступени требуются окружные скорости примерно 400¸500 м/с для активной ступени и 550¸650 – для конгруэнтной.

Значение окружной скорости, соответствующее максимальному КПД можно определить из выражения:

,                                   (2.1)

Максимальная окружная скорость рабочих лопаток осевых ступеней может достигать 400 м/с, на периферии колес центростремительных газовых турбин – 500 м/с. Однако, даже при таких окружных скоростях, одноступенчатая турбина не может справиться с переработкой указанных выше энергий с высоким КПД. Это связано с тем, что получается сверхзвуковая ступень, КПД которой на 2¸3% ниже КПД дозвуковой. Кроме того, у многоступенчатых турбин выходная потеря на 1¸2% меньше, и на использовании возращенной теплоты можно выиграть 1¸2% [8].

Общий выигрыш в КПД многоступенчатой турбины, по сравнению с одноступенчатой может составить 3¸6%. Такое снижение КПД одноступенчатого варианта во многих случаях исключает его применение.

Для срабатывания высоких располагаемых энергий, при высоких КПД используются следующие средства:

1) ступени давления, за счет снижения скорости с₁;

2) ступени скорости, благодаря уменьшению (u/c₁)_opt;

3) ступень с диффузором, за счет уменьшения (u/c₁)_opt;