6.5. Газовые турбины.

Осевая турбина состоит из неподвижных рядов лопаток (рис. 4.1), образующих сопловые аппараты, и вращающихся дисков с закрепленными на них рабочими лопатками — рабочих колес. Совокупность соплового аппарата и расположенного за ним рабочего колеса называется ступенью газовой турбины (рис. 4.2). Сопловой аппарат (СА) предназначен для разгона и подвода потока газа под определенным углом к лопаткам рабочих колес. В рабочем колесе (РК) происходит отвод энергии от газового потока.

При взаимодействии газового потока с лопатками РК образуются силы, создающие крутящий момент на валу турбины.

Расширение газов в турбине происходит при более высокой температуре, чем сжатие в компрессоре, поэтому в одной ступени турбины может быть получена большая работа расширения, чем работа сжатия, сообщаемая в ступени осевого компрессора. Вследствие этого турбины выполняются с меньшим числом ступеней, чем компрессоры.

Продольный разрез II ступени турбины компрессора вертолетного двигателя ТВ2-117.

Элементарная ступень турбины

Поток воздуха, движущийся через проточную часть произвольной ступени турбины (рис. 4.2) 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. 6.16). Лопатки СА и РК представятся в виде двух рядов (решеток) профилей, образующих суживающиеся межлопаточные каналы.

6.16. Схема ступени осевой газовой турбины

Рис.6.17. Схема течения газа в решетках ступени осевой турбины.

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.4.4).

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. 6.18. 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.4.3 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 P_A =P_AA+P_AU, 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 P_K=P_KA+P_K.