5.3. Потери в турбине и ее кпд

Уровень совершенства процесса в газовой турбине определяется потерями в ней, которые условно можно подразделить на внутрен­ние и внешние.

К внутренним потерям относятся гидравлические потери в ка­налах СА и РК, потери в радиальном зазоре и потери на трение диска о газ.

Потери на трение газа о стенки при движении его в каналах СА и РК, на вихреобразование, на отрыв потока от стенок кана­лов, волновые потери при сверхзвуковых скоростях газа относятся к гидравлическим потерям. Энергия части газа, которая перетекает через зазоры между концами лопаток РК и корпусом турбины и не преобразуется в работу в РК, для турбины является потерян­ной энергией. Непроизводительно также тратится энергия части газа, перетекающей по окружности РК из-за разности давлений на выпуклой и вогнутой сторонах лопаток.

Потери на преодоление трения боковых поверхностей диска о газ малы, так же как и относящиеся к внутренним потерям меха­нические потери (трение в подшипниках).

К внешним относятся потери энергии с выходной скоростью — потери с кинетической энергией, уносимой газом, соответствующей выходной скорости с_т, которая оказалась не преобразованной в работу в турбине. Но отнесение этой потери энергии к потерям в турбине чисто условно, так как при работе турбины в ГТД выход­ная скорость используется частично в реактивном сопле для соз­дания тяги.

Совершенство процессов в турбине оценивается коэффициента­ми полезного действия, под которыми понимается отношение ра­боты, совершаемой турбиной к располагаемой работе турбины (располагаемая работа — максимальная работа при отсутствии потерь).

Уровень внутренних потерь оценивается адиабатным КПД, характеризующим газодинамическое совершенство турбины. При этом полезным эффектом работы турбины считают сумму работы турбины L_T и кинетической энергии с_т²/2:

где L_TS — изоэнтропическая работа турбины по статическим пара­метрам газа на выходе, определяемая по параметрам заторможен­ного потока газа на входе в турбину и статическим параметрам на выходе из нее.

Учет всех безвозвратных гидродинамических потерь производит­ся с помощью КПД по параметрам заторможенного потока, под которым понимается отношение работы турбины к изоэнтропичес­кой работе турбины по параметрам заторможенного потока (адиа­батной работе расширения газа по параметрам заторможенного потока на выходе из турбины). КПД записывается следующим об­разом:

где L_TS — определяется по уравнению (5.7).

Оценка турбины как машины для привода производится с по­мощью мощностного КПД — отношения работы турбины к изо­энтропической работе турбины по статическим параметрам (распо­лагаемой энергии газа, протекающего через турбину)

КПД показывает, как используется располагаемая энергия для получения работы на валу. Он учитывает все потери энергии в тур­бине, в том числе и потери с выходной скоростью.

Значения КПД на расчетном режиме находятся в следующих пределах η_т* = 0,89 ... 0,93; η_ад.т = 0,9 ... 0,94; η_т = 0,75 ... 0,85.

5.4. Ступень газовой турбины

На схеме ступени (рис. 5.3) показаны сечения тракта: 0 — пе­ред СА, 1 — в осевом зазоре между СА и РК, 2 — за РК. Разверт­ка на плоскость цилиндрических сечений лопаток турбины, назы­ваемая элементарной ступенью турбины, изображена на рис. 5.4, На входе в СА газ имеет параметры р₀ и Т₀.

СА решает две задачи: преобразует потенциальную энергию га­за (энтальпию) в кинетическую и изменяет направление газа пе­ред входом на лопатки РК- Для решения этих задач каналы СА спрофилированы так, чтобы обеспечить расширение газа до задан­ного давления и тем самым увеличить скорость потока. Поэтому СА представляет собой систему суживающихся каналов, изогнутых в сторону вращения, в которых давление и температура газа уменьшается, а скорость увеличивается от с₀ до с₁. Направление вектора С\ определяется в основном направлением выходной кром­ки лопаток СА, составляющей угол си с плоскостью вращения. Чем этот угол меньше, тем меньше площадь выходного сечения Fcа СА,

Скорость газа относительно лопаток w₁ находится геометричес­ким суммированием . Треугольник, составленный из векторов , и называется треугольником скоростей газа на входе в РК. В суживающихся криволинейных каналах РК происходит дальнейшее расширение газа, сопровождающееся уменьшением его давления и температуры. Скорость возрастает до­ , а поток поворачивается в сторону, обратную направлению дви­жения лопаток.

Абсолютная скорость газа с₂ за РК находится как геометричес­кая сумма а треугольник, составленный из этих векто­ров, называется треугольником скоростей газа на выходе из РК. По величине c₂ меньше, чем с₁ так как значительная часть кине­тической энергии газа расходуется на вращение РК. Изменение па­раметров газа в ступени показано на рис. 5.4.

При течении по каналу, образованному лопатками РК, газ, об­текая профили лопаток, изменяет направление и величину скорости своего движения, а лопатки при этом испытывают ответное дейст­вие со стороны газа в виде сил давления, больших на корытце и меньших на спинке лопаток (рис. 5.4). Окружная составляющая равнодействующей этих сил создает крутящий- момент, приводя­щий РК во вращение, а осевая составляющая воспринимается в конечном счете упорным подшипником турбины.