ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ТУРБИНЫ И ИХ СВЯЗЬ С ПАРАМЕТРАМИ ЕЁ СТУПЕНЕЙ

Для современных ГТД работа, которую можно получить на валу одной ступени турбины, значительно меньше, чем требуется для вращения компрессора и других потребителей мощности. Поэтому в них обычно применяются многосту­пенчатые турбины. При этом ступени турбины могут быть разделены на группы (каскады), расположенные друг за другом или соединенные переходными каналами. Число таких групп (каскадов) в турбореактивных двигателях равно числу каскадов в их компрессорах, например, турбина высокого давления (ТВД), приводящая во вращение компрессор высокого давления (КВД), и турбина низкого давления (ТНД), вращающая компрессор низкого давления (КНД). В двигателях других типов отдельная ступень или группа ступеней может быть выделена в так называемую свободную турбину (СТ), не связанную механически с компрессором и отдающую свою мощность на привод тянущего или несущего винта и т.п.

На рис. 7.1 приведена схема трехступенчатой турбины ГТД, а на рис. 7.2 показан процесс расширения газа в такой турбине. Турбина состоит из ряда последовательно расположенных ступеней, каждая из которых имеет сопловой аппа­рат и рабочее колесо. Здесь г – сечение на входе в турбину; т – сечение на выходе из нее; 2_I 2_II, 2_III – сечения на выходе соот­ветственно из первой, второй и третьей ступеней. Процесс расширения газа в такой турбине состоит из последовательного (ступен­чатого) понижения давления в первой, второй и т. д. ступенях.

Рис. 7.2. Процесс расширения газа в трехступенчатой турбине в p, v- координатах

Рабочий процесс отдельных групп ступеней (каскадов) турбины и многоступенчатой турбины в целом, по существу, одинаков. При этом вся турбина или её каскад могут быть охарактеризованы в основном такими же параметрами, как и одна ступень, или аналогичными им. Рассмотрим эти параметры и установим связь их с параметрами ступеней, из которых состоит турбина (или её каскад).

Степень понижения давления в турбине определяется по стати­ческому давлению на выходе или по полному давлению . Очевидно, аналогично многоступенчатому компрессору во втором случае

, (7.1)

где - степени пониже­ния полного давления в первой, второй и т.д. ступенях, а z - число ступеней.

Работа на валу турбины равна сум­ме работ ступеней

. (7.2)

Располагаемый теплоперепад(адиабатная работа расширения) для многоступенчатой турбины опреде­ляется таким же образом, как и для ступени, т.е.

,

где , а теплоемкость газа зависит от его состава и температуры.

Аналогично (в параметрах заторможенного потока)

.

Как и в многоступенчатом компрессоре, адиабатная работа расширения газа в турбине в целом не равна сумме адиабатных работ расширения газа в ее ступенях. Вследствие того, что темпе­ратура (и энтальпия) газа на входе во вторую, третью и т.д. ступени в реальном процессе вследствие выделения теплоты трения оказываются (при данной степени понижения давления) выше, чем в идеаль­ном (см. рис. 7.2), адиабатная работа расширения газа в каждой из них соответствен­но повышается. Поэтому сумма адиабатных работ (располагаемых теплоперепадов) во всех ступенях оказывается больше, чем адиабатная работа расширения газа в турбине в целом на величину, эквивалентную заштрихованной на рис. 7.2 площади. Этот эффект принято называть ²возвратом теплоты² в многоступенчатой турбине.

Такой же результат дает и анализ процесса расширения газа в параметрах заторможенного потока

,

или

, (7.3)

где коэффициент a > 0 называется коэффициентом возврата теплоты.

Коэффициенты полезного действия турбины:

адиабатный ; (7.4)

мощностной (7.5)