6.5. Основные параметры ступени турбины Геометрические параметры

В ступени турбины различают:

 наружный D_ти внутреннийD_втдиаметры проточной частина выходеиз ступени (рис. 6.1);

 средний диаметр проточной части, определяемый как среднее арифметическое значений D_вт иD_т, т.е.D_ср = 0,5(D_т+D_вт);

 относительный диаметр втулки , равный обычно от 0,8…0,85 в первых ступенях многоступенчатых турбин до 0,6…0,55 в последних ступенях;

 высоту лопаток (на выходе из венца) , удлинение, гдеb– хорда лопаток венца, и относительную высоту лопатокh/D_ср.

Увеличение удлинения приводит к снижению массы ступени и, как правило, к повышению ее КПД. Но при этом возрастают изгибные и вибрационные напряжения в лопатках

Газодинамические параметры

Степенью понижения давленияв ступени турбины называется отношение полного давления на входе в СА к статическому давлению на выходе из РК

.

В ряде случаев оказывается необходимым рассматривать также степень понижения давления в параметрах заторможенного потока

Значения в турбинах ГТД существенно превышают те, которые имеются (в среднем) в ступенях осевых компрессоров, и обычно составляют 1,6 … 2,5, но могут достигать 3,0 … 3,5 и более.

Адиабатная работа расширения газа в ступени, называемая такжерасполагаемым теплоперепадом Н(рис. 6.5), может быть определена из совместного рассмотрения обобщенного уравнения Бернулли для адиабатного процесса расширения газа в ступени0^*-2_ади соответствующего уравнения сохранения энергии для ступени.

Согласно уравнению Бернулли для потока газа в адиабатном процессе 0 -2_ад, протекающем без потерь, работа, котораяотводитсяот вала ступени,равна

, (так как ).

Но согласно уравнению сохранения энергии в этом случае

.

Отсюда

, (6.4)

где с_р  среднее значение теплоемкости газа в процессе расширения.0^*2_ад. Заменив здесьс_рчерез соответствующий показатель адиабатыk_ги газовую постояннуюR_г, будем иметь

, (6.5)

где степень понижения температуры газа в процессе.0^*2_ад.

Аналогично в параметрах заторможенного потока (рис.6.5)

, (6.6)

где .

Между НиН^*существует очевидная связь

Н^*=Н– 0,5. (6.7)

Действительным теплоперепадом h (рис. 6.5) называется падение энтальпии газа в ступени в реальном процессе расширения

. (6.8)

Т.е. согласно уравнению сохранения энергии для неохлаждаемой ступени турбины

.(6.9)

Аналогично в параметрах заторможенного потока

, (6.10)

где h^*=h– 0,5.

Адиабатным КПД ступени турбины называется отношение

. (6.11)

или (для неохлаждаемой ступени)

, (6.12)

т.е. адиабатический КПД неохлаждаемой ступени турбины равен отношению действительного теплоперепада к располагаемому.

Таким образом, этот КПД учитывает снижение (вследствие наличия гидравлических потерь) действительного теплоперепада в ступени (т.е. уменьшения энтальпии газа, преобразуемой в работу на валу и в приращение кинетической энергии газового потока) по сравнению с тем, который имел бы место при адиабатном процессе расширения.

Полагая средние значения теплоемкости газа в идеальном и реальном процессах расширения одинаковым, формулу (6.12) можно записать как

. (6.13)

КПД ступени турбины в параметрах заторможенного потока равен

(6.14)

или (для неохлаждаемой ступени)

. (6.15)

Значения (используемого в расчетах) имало отличаются друг от друга и обычно в неохлаждаемых ступенях турбины равны 0,9 … 0,92.

Мощностным КПД ступени турбины называется отношение работы на валу ступени к располагаемому теплоперепаду

. (6.16)

Как видно, он отличается от адиабатического КПД, определяемого формулой (6.11), тем, что не учитывает кинетическую энергию газа на выходе из ступени, равную . Обеспечение достаточно высокого его значения важно в тех случаях, когда рассматриваемая ступень установлена, например, на выходе из вертолетного ГТД или из вспомогательной силовой установки, когда эта кинетическая энергия является потерянной, так как не может быть использована в дальнейшем для получения какой-либо полезной работы. Поэтому величинув теории турбин принято называтьпотерями с выходной скоростью. Для отдельно взятой ступени турбины эффективный КПД заметно меньше адиабатического и обычно не превышает значений порядка 0,8.

Степень реактивности ступенипредставляет собой отношение располагаемого теплоперепада в рабочем колесеН_{р к}(см. рис. 6.5) к располагаемому теплоперепаду в ступени:

. (6.17)

Ступень, имеющая р₁ =р₂, т. е.и_ст= 0, называетсяактивной. Для авиационных турбин на среднем радиусе обычно_ст= 0,3 ... 0,4. Такие ступени называютсяреактивными.