Схема и принцип действия ступени осевой ГТ
Рис. 33. Схема ступени газовой турбины
А – сопловой аппарат; Б – рабочее колесо
Ступень ГТ состоит из СА и расположенного за ним РК (рис.33). Лопатки СА образуют криволинейные сужающиеся каналы (сопла). Это обеспечивает предварительный разгон потока газа перед подачей его на РК. В процессе разгона потенциальная энергия потока частично преобразуется в кинетическую, при этом давление и температура газа снижаются. На выходе из СА абсолютная скорость потока С2>С1.
Лопатки РК перемещаются относительно корпуса с окружной скоростью U. Относительная скорость потока на входе в РК W2 = C2 – U должна быть направлена по касательной к входному элементу профиля лопатки РК.
Сопла ГТ всегда наклонены под некоторым углом к плоскости вращения РК, и выходные сечения сопловых каналов не перпендикулярны к их осям. Таким образом на выходе каждого соплового канала образуется «косой срез», позволяющий при сверхкритическом перепаде давлений получить скорость истечения из сопловых каналов, превышающую скорость звука.
В зависимости от характера течения газа в межлопаточных каналах РК различают активные и реактивные ступени ГТ. В реактивной ступени каналы РК делают сужающимися. В них продолжается разгон потока, что увеличивает его воздействие (реакцию) на рабочие лопатки. При этом относительная скорость потока в РК увеличивается до W3>W2, а температура и давление дополнительно снижаются.
В активной ступени межлопаточные каналы РК имеют постоянную площадь проходного сечения, поэтому температура, давление и относительная скорость потока в них не изменяются, т.е. расширение газа до давления за ступенью осуществляется только в СА. Активные ГТ применяют только для привода маломощных агрегатов.
Рабочие лопатки в активных и реактивных ступенях образуют каналы криволинейной формы. Под воздействием стенок каналов поток изменяет направление своего движения. Стремясь в силу инерции сохранить направление движения, поток оказывает воздействие на лопатки в виде сил давления, больших на вốгнутых и меньших на выпуклых поверхностях лопаток. Равнодействующая этих сил может быть разложена на две составляющие: окружную Рu и осевую Ра. Окружная составляющая Рu всех лопаток (называемая в данном случае активной силой) образует момент относительно оси РК, приводящий РК во вращение. Осевая составляющая Ра воспринимается упорным подшипником опоры ротора двигателя.
Рис. 34. Течение газа в ступени Рис. 35. План скоростей ступени
газовой турбины турбины
Межлопаточные каналах РК реактивной ступени имеют конфузорную форму. В них происходит дальнейшее расширение газа, преобразование потенциальной энергии потока в кинетическую, вследствие чего возрастает относительная скорость газа W3>W2. Вследствие ускорения потока возникает сила реакции, направленная в сторону, противоположную движению газа. Так как активная сила и сила реакции струи совершают работу вращения РК, кинетическая энергия потока при этом уменьшается и абсолютная скорость газа на выходе из РК:С3<С2 . Направление скорости С3 стремятся получить близким к осевому.
Работа, совершаемая 1 кг газа при вращении РК турбины, определяется так же, как и для ОК: Lст = U∆WU,где ∆WU = W2U + W1U – закрутка потока в РК.
Основными параметрами, характеризующими работу газа на валу ступени ГТ, являются:
степень расширения газа в ступени πст = Р1*/P3*- отношение полного давления на входе в ступень к полному давлению за ступенью; для авиационных ГТД π*ст= 1,6-3,0.
адиабатная работа расширения L*ад.ст – это теоретически возможная работа расширения газа при отсутствии теплообмена:
L*ад.ст = kRT1* [1 – 1/π*ст(k-1)/k]/(k-1).
Увеличение L*ад.ст может быть достигнуто за счет повышения температуры Т1* и степени понижения давления πст*.
L*ад.страсходуется на вращение вала ступени, разгон потока и преодоление гидравлических сопротивлений: L*ад.ст = Lст + Lтр + (W32 – W12)/2.
адиабатным КПД ступени называется отношение полезной работы газа в ступени к L*ад.ст: ξ*ад.ст = Lст/L*ад.ст.Адиабатный КПД используется для оценки уровня гидравлических потерь в ступени. Для современных ГТ ξ*ад.ст= 0,9-0,92.