Работа ступени осевой турбины

Принцип работы ступени

Поток воздуха, движущийся через проточную часть произвольной ступени турбины (рис.2) можно представить состоящим из отдельных струек тока, каждая из которых движется по поверхности, приближенной к цилиндрической. Для рассмотрения течения газа в СА и РК рассечем ступень цилиндрической поверхностью радиусом R и развернем полученное сечение на плоскость (рис.3). Лопатки СА и РК представятся в виде двух рядов (решеток) профилей, образующих суживающиеся межлопаточные каналы.

Рис.2. Схема ступени осевой газовой турбины

Рис.3. Схема течения газа в решетках ступени осевой турбины

*Обозначение одноименных величин параметров решеток турбины и компрессора совпадают. См. пособие «Основы теории осевого компрессора ТВаД» п.2.1.

В межлопаточных каналах СА происходит преобразование части энтальпии газа в кинетическую энергию, то есть абсолютная скорость газа в сопловом аппарате увеличивается (С­), а давление и температура соответственно уменьшаются (р¯,Т¯). В межлопаточных каналах РК давление и температура газа уменьшаются, а относительная скорость увеличивается (W­). В РК газ отдает энергию на вращение колеса, так что в данном случае уменьшается и кинетическая энергия (С¯), и энтальпия газа (i¯) о чем свидетельствует уменьшение параметров состояния газа (р¯,Т¯) (см. рис.4). Следовательно, расширение газа происходит как в СА, так и в РК ступени турбины. У существующих двигателей 60¸70% работы расширения газа совершается в СА, 30¸40% — в РК.

Входные кромки лопаток СА должны быть ориентированы по направлению вектора С₁, входные кромки лопаток РК — по направлению вектора W₂. Это предотвратит срыв потока с лопаток и уменьшит гидравлические потери.

Рис.4.Изменение параметров газа в ступени осевой турбины

Перед входом в СА ступени газ имеет абсолютную скорость С₁. В суживающихся межлопаточных каналах СА поток разгоняется и поворачивается сторону вращения РК, имея на выходе из СА скорость С₂ (С₁<С₂). При взаимодействии газового потока с лопатками СА создается разность давлений: на вогнутой поверхности (корытце) образуется зона повышенного давления, на выпуклой (спинке) — пониженного. На рис.3 знаками «плюс» и «минус» обозначены соответственно области повышенного и пониженного давлений по отношению к давлению на выходе из межлопаточных каналов. В результате перепада давлений возникает сила , действующая на лопатки СА.

При обтекании газом лопаток РК вследствие поворота потока на вогнутой поверхности лопаток (корытце) образуется зона повышенного давления, а на выпуклой (спинке) — пониженного. В результате возникает сила .*

Сила P_KU нагружает вал двигателя крутящим моментом. Кроме того, сила P_KU осуществляет вращение роторов двигателя, обеспечивая этим получение на валу полезной мощности. Остальные силы нагружают: вал двигателя силами растяжения, корпус — силами растяжения и крутящим моментом. Направление сил и моментов, действующих на СА РК турбины, противоположны по знаку силам и моментам, действующим на НА и РК компрессора. Поэтому эти силы и моменты в значительной мере взаимно уравновешиваются на деталях, соединяющих компрессор и турбину, и в меньшей степени передаются на узлы крепления двигателя.