С относительно высокими лопатками

В предыдущих разделах движение рабочей среды в проточной части турбинной ступени принималось плоскопараллельным. В этом случае делалось допущение, что окружная скорость и степень реактивности не меняются по высоте рабочих лопаток. Расчет ступени при указанном допущении ведется по параметрам рабочей среды и геометрическим размерам на среднем диаметре ступени. Выбранные для среднего сечения профили сопловых и рабочих лопаток принимаются и для других сечений лопатки. Поэтому ступени, рассчитанные из условия плоскопараллельного потока, имеют лопатки постоянного по высоте профиля (цилиндрические).

Допущение о постоянстве параметров по высоте лопатки является тем более справедливым, чем больше отношение . В настоящее время считается, что расчет ступени из условия плоскопараллельного потока является оправданным, если .

Ступени, у которых , условно называют ступенями с относительно высокими (длинными) лопатками, или ступенями большой веерности. Поток в таких ступенях имеет выраженную пространственную структуру, поэтому расчет таких ступеней из условия плоскопараллельного потока считается недопустимым, так как пренебрежение изменением параметров по высоте лопатки приводит к заметному снижению КПД ступени.

Степень реактивности в ступени, как и окружная скорость, возрастает от корневого сечения к периферии.

При конической форме проточной части скорость выхода из сопла можно разложить на три составляющие: окружную c _{1 u} , осевую c _{1 a} и радиальную c _{1 r} (рис. 7.1). При этом

,

где - составляющая вектора скорости c ₁в меридиональной плоскости.

Рассмотрим движение потока в осевом зазоре между соплами и рабочими лопатками в ступени с цилиндрическими обводами, у которой  и .

Рисунок 7.1 - Составляющие скоростей выхода из сопла

конической проточной части

При движении в осевом зазоре с окружной скоростью c _{1 u} под действием центробежной силы поток приближается к наружной ограничивающей поверхности стенки и испытывает со стороны последней тормозящее воздействие. В связи с этим давление в осевом зазоре p ₁в периферийном сечении будет наибольшим, а в корневом - наименьшим.

Закрутка имеет место и за рабочими лопатками при неоптимальных значениях скоростной характеристики . Однако, влияние закрутки за рабочими лопатками на давление за ступенью невелико в связи с малым значением скорости c ₂. Практически при осевом выходе потока из рабочих лопаток и близком к нему давление перед ступенью и за ней, а следовательно, и изоэнтропийный перепад энтальпий в ступени остаются по высоте лопатки неизменными. Поскольку давление в зазоре между соплами и рабочими лопатками увеличивается от корня к периферии, степень реактивности по радиусу ступени также растет (рис. 7.2).

Рисунок 7.2 - Изменение давления за соплом и степени

 реактивности ступени по высоте лопатки

Для активной турбинной ступени (ρ =0) степень реактивности в корневом сечении будет отрицательной. При этом в корневых сечениях возникает диффузорное течение (p _2> p _1к), что может вызвать образование вихревой зоны и существенный рост потерь кинетической энергии в ступени.

Увеличение p ₁ по радиусу при неизменных начальных и конечных параметрах приводит к перераспределению расхода через единицу площади поперечного сечения сопловых каналов. У периферии расход становится меньше, чем в корневом сечении. По этой же причине расход через единицу площади рабочих каналов у периферии будет больше, чем у корня. Несоответствие в расходе в различных сечениях приводит к радиальным перетеканиям рабочего тела, что вызывает искривление линий тока в меридиональной плоскости и повышение потерь энергии в рабочей решетке.

Для исключения последствий отрицательной степени реактивности у корня ее принимают в корневом сечении из условия . Исходя из этого, определяют степень реактивности на среднем диаметре. Учитывая изложенное, становится очевидной невозможность профилирования лопаток в ступенях с малым отношением  без учета пространственной структуры потока.