Потери в ступени турбины

В теории турбин принято, помимо коэффициентов потерь в её лопаточных венцах, определяемых в виде отношения гидравлических потерь в них к кинетической энергии газового потока, рассматривать также потери в элементах ступени, отнесенные к располагаемому теплоперепаду .

Согласно уравнению Бернулли с учетом принятых выше обозначений для ступени турбины можно записать:

.

Учитывая, что гидравлические потери в ступени турбины обычно не превышают 10 – 15 % от L_cт , а величина обычно составляет не более 10 % от , ею вполне можно в этом уравнении пренебречь. Если, кроме того, разделить на две составляющих – потери в СА и потери в РК (т.е. положить ) и учесть что, как выше принято, , а , то уравнению Бернулли для ступени турбины можно придать вид

.

Разделив правую и левую части этого уравнения на располагаемый теплоперепад Н, получим с учетом формулы (6.16)

, (6.19)

где и - коэффициенты потерь в СА и РК, а - коэффициент потерь с выходной скоростью.

Аналогично для адиабатного КПД ступени согласно (6.11) будем иметь

,. (6.20)

Влияние параметра u /c₁ и степени реактивности на КПД ступени.

Влияние параметра u /c_{1 .}

Проанализируем влияние параметра u /c₁ (одного из важных параметров ступени турбины) на КПД ступени при следующих допущениях: температура газа перед ступенью , общая степень понижения давления газа в ступени , угол , степень реактивности и соотношение осевых составляющая скорости газа на выходе из рабочего колеса и на входе в него остаются неизменными. Изменяется только u/c₁ за счет изменения . При этом будем считать, кроме того, что угол атаки на лопатках РК всё время равен нулю, а кривизна их профилей соответствует углу поворота относительной скорости в решетке РК, т.е. углу между векторами. и и, соответственно, изменяется при изменении u/c₁. Результат такого анализа (при степени реактивности ступени » 0,3) представлен в наглядной форме на рис. 6.7 и может быть разъяснен следующим образом.

а). При указанных допущениях располагаемый теплоперепад в ступени Н (см. формулу 6.5) и располагаемый теплоперепад в сопловом аппарате Н _с.а = r_ст Н остаются неизменными.Неизменными остаются также все параметры решетки соплового аппарата и вместе с ними потери в сопловом аппарате, а значит и коэффициент . На рис. 6.7 эти неизменные потери в СА изображены в виде отрезка , отложенного вниз от линии с ординатой 1,0.

б). Анализ влияния параметра u /c₁ на потери в РК и потери с выходной скорости легко провести по треугольникам скоростей, приведенным на рис. 6.8 , построенным при указанных выше допущениях и соответствующим различным значениям окружной скорости u (поскольку в этом случае ). Рис. 6.8, а соответствует малому значению u, т.е. малому u/c₁. Величина в этом случае близка к . Значение также не на много меньше . Поэтому велико, а угол поворота потока в РК близок к , т.е. тоже велик (поскольку угол мал). Это определяет сравнительно большие значения потерь в рабочем колесе (возрастающих с ростом и пропорциональных ) и потерь с выходной скоростью. Отложив соответствующие коэффициенты потерь и (совместно с ) вниз от линии с ординатой 1,0, найдем в соответствии с (6.20) и (6.19) значения и . При = 0 (т.е. при u = 0) в соответствии с формулой (6.1) величина = 0 и, следовательно, = 0.

По мере роста и (рис. 6.8, б, в, г) угол поворота потока в РК (угол между векторами скоростей и ), а следовательно и потери в рабочем колесе, уменьшаются. А минимум потерь с выходной скоростью достигается при такой форме треугольника скорос­тей, которая изображена на рис. 6.8, в, т.е. при осевом выходе потока из ступени. Максимальное значение мощностного КПД достигается, как показывают детальные расчеты, при незначительном отклонении от режима . Значение , при котором достигает этого максимального значения, называется оптимальным.

Зависимость от u /c₁ показана на рис. 6.7 штриховой лини­ей. При и = 0 = 0 (так как L_ст =0). В области максимума его зна­чения мало отличаются от . Мак­симум , как показывают детальные расчеты, достигается при несколько большем значении , чем максимум

Влияние степени реактивности.Величина зависит, главным образом, от степени реактивности ступени. В активной ступени ( = 0) расширение газа в РК не происходит, » , и поэтому, как видно из треугольника скоростей (см., например, рис. 6.8, в), для достижения режима минимума потерь с выходной скоростью (и близкого к нему оптимального режима) необходимо иметь , т.е. . Но в реактивной ступени > (так как ). Поэтому из-за увеличения требуется (для обеспечения осевого выхода потока из РК) иметь более высокую окружную скорость рабочих лопаток и, соответственно, более высокое значение .

На рис. 6.9 показан примерный характер зависимости эффективного КПД ступени турбины от при различных значениях степени реактивности. Следует отметить, что при увеличении наблюдается не только возрастание , но и рост максимальных значений КПД ступени. Это связано с тем, что увеличение степени реактивности (т.е. увеличение доли общего перепада давлений, приходящейся на РК) приводит к значительному увеличению степени конфузорности течения в нём и, как следствие, к существенному снижению профильных потерь (см. рис. 6.6). Поэтому в авиационных ГТД применяются только реактивные турбинные ступени.

2. Охлаждение лопаток газовых турбин и его влияние на КПД ступени