Лекция № 19 « Теория ступени газовой турбины»

Газовая турбина представляет собою лопаточную машину, в которой потенциальная энергия сжатого и подогретого газа преобразуется в механическую работу на валу турбины с помощью вращающегося ротора, снабженного лопатками.

Газотурбинные двигатели гражданской авиации имеют обычно 3…5 ступеней и более.

Принцип действия ступени газовой турбины.

Ступень газовой турбины состоит из соплового аппарата и рабочего колеса.

Состояние газа на входе в сопловой аппарат турбины характеризуется давлением и температурой . Лопатки соплового аппарата образуют криволинейные каналы, сужающиеся. Течение газа на этом участке сопровождается падением давления и температуры и соответствующим увеличением скорости. Направление потока на выходе из соплового аппарата в основном определяется направлением выходных кромок лопаток и составляет с плоскостью вращения колеса угол . Таким образом, в СА часть потенциальной энергии газа преобразуется в кинетическую. Одновременно в результате поворота потока обеспечивается его закрутка у входа в рабочее колеса.

Лопатки рабочего колеса обычно также образуют сужающиеся каналы. Поэтому газ продолжает в них расширяться от давления до давления . При этом относительная скорость движения газа увеличивается от на входе до на выходе, а температура газа падает от до .

При обтекании газом лопаток соплового аппарата и рабочего колеса вследствие поворота потока на вогнутой поверхности лопаток (корытце) образуется повышенное давление, а на выпуклой (спинке) – пониженное.

Равнодействующая сила давлений, действующих на поверхности лопаток, создает крутящий момент, приводящий рабочее колесо во вращение.

Понятие о КПД ступени турбины.

Отношение действительного теплоперепада к располагаемому называется адиабатическим КПД

.

Адиабатический КПД характеризуется совершенство газовой турбины с точки зрения затраты энергии газа на преодоление гидравлических потерь.

Кроме адиабатического КПД ступени для оценки степени превращения располагаемого теплоперепада в работу на валу вводят эффективного или мощностного КПД, под которым понимают отношение эффективной работы на валу турбины к располагаемой энергии:

.

Таким образом, эффективный КПД в отличие от адиабатического КПД учитывает не только гидравлические потери, но и так называемую потерю с выходной скоростью, поэтому он всегда меньше адиабатического.

Основные параметры ступени турбины.

Основными геометрическими размерами рабочего колеса являются:

- наружный диаметр (по концам лопаток);

- внутренний диаметр (по основанию лопаток);

- средний диаметр

.

Относительные параметры ступени:

1. Степень расширение газа . Среде значение .

2. Степень реактивности ступени . Для авиационных турбин на среднем радиусе .

3. Параметры и . Для авиационных турбин на среднем радиусе характерны такие значения: .

4. Коэффициент нагрузки ступени турбины . Для турбин ТРД на среднем радиусе изменяется в пределах .

Течение газа в турбинных решетках.

При известной температуре заторможенного потока газа на входе в ступень и степени расширения газа в сопловом аппарате величину скорости истечения можно найти из уравнения сохранения энергии, которое имеет вид

,

где - коэффициент сохранения полного давления в сопловом аппарате.

Характер течения газа в решетке рабочего колеса зависит от формы лопатки, угла их установки, густоты решетку и располагаемого перепада давления в решетке.

Работа газа на окружности колеса турбины.

Рабочие лопатки, обтекаемые потоком газа, находятся под действием гидродинамических сил давления и трения, возникающих на их поверхностях.

- работа 1кг газа (проходящего через струйку) на окружности колеса.

Потери в проточной части ступени турбины и их зависимость от различных факторов.

1. Профильные потери:

а) от трения и вихреобразований в пограничном слое и при срыве его;

б) в вихревом закромочном следе и при выравнивании поля скоростей за решеткой;

в) в скачках уплотнения и при взаимодействии их с пограничным слоем.

2. Концевые потери:

а) от вторичных течений и в пограничном слое у торцевых стенок;

б) от перетеканий в радиальном зазоре.

3. Дополнительные потери:

а) от смешения основного потока с охлаждающим воздухом;

б) от трения и вихреобразований в пограничном слое у боковых стенок в осевом зазоре;

в) от перетеканий через лабиринтные уплотнения и щели;

г) от трения диска о газ.

Условия совместной работы элементарных ступеней, расположенных на различных радиусах.

Поток газа на выходе из соплового аппарата вследствие закрутки под углом находится под действием центробежных сил, в результате чего увеличивается давление в зазоре между СА и РК. Это приводит к тому, что перепад давлений в СА с ростом радиуса уменьшается и, следовательно, скорость истечения падает, в то время как окружная скорость лопаток рабочего колеса растет. Все это приводит к тому, что треугольники скоростей также меняются вдоль радиуса, меняются параметры и . Для того, чтобы преобразование энергии газа на всех радиусах происходило одинаково эффективно, необходимо добиться соответствия треугольников скоростей и формы лопаток на каждом радиусе.