5.3. Изменение основных параметров и теплоперепада по ступеням многоступенчатой турбины

В этом разделе рассмотрим основные физические причины, влияющие на изменение параметров в проточной части турбины (рис. 5.7).

Согласно уравнению неразрывности, в любом сечении турбины G_г i = _iF_ос ic_a i. Поскольку плотность _i в процессе расширения уменьшается, её изменение необходимо компенсировать увеличением c_a i. Поэтому c_a т > c_a г.

Однако увеличение c_a i ограничено условием _c a i < 0,75…0,8, поэтому на практике снижение _i компенсируется одновременным ростом c_a i и F_ос i.

Изменение угла _2 i определяется, исходя из следующих соображений.

Для достижения минимально возможного числа z_т (при заданной L^*_т) целесообразно иметь достаточно большую закрутку c_2 u, так как в этом случае достигается высокий уровень L_ст = u(c_1u + c_2u). Однако на последней ступени турбины нецелесообразно поддерживать высокие значения c_2u по причине значительной в этом случае выходной скорости c₂, а значит, и коэффициента потерь энергии _вых. Поскольку c_2u i определяется углом _2 i, высказанные выше соображения определяют изменение _2 i в ступенях. На первых ступенях _2 i принимают равным 70...80, на последних - 90...100 (в зависимости от типа двигателя).

Степень реактивности _ст i в многоступенчатых турбинах увеличивается от первой ступени к последней. На первых ступенях _ст i = 0,2...0,3, на последних - 0,4...0,45. Такое изменение степени реактивности объясняется применением в ступенях турбины в основном закона закрутки  =const. При этом законе (см. разд. 4.11) на втулке относительно длинных лопаток (на последних ступенях) могут появиться отрицательные значения _вт. Во избежание этого явления и увеличивают на последних ступенях уровень _ст i.

Распределение теплоперепада между ступенями тесно связано с формой меридионального профиля проточной части, а также с выбором оптимального значения y^*_ст i.

Действительно, для получения высокого к.п.д. необходимо, чтобы y^*_ст i = y^*_opt = const. Величина окружной скорости в проточной части подчиняется условию

u_i = const₁ D_i n_i (5.16)

для сохранения условия y^*_ст i = const необходимо, следовательно, с учетом (5.16), чтобы c_s ст i изменялась следующим образом:

c_s ст i = const₂ D_i n_i.

Но L^*_ст i эквивалентна c²_s ст /2, поэтому

L^*_ст i = const₃ D_i² n_i². (5.17)

Из (5.17) видно, что распределение величины L^*_ст i, действительно, зависит от формы проточной части турбины и частоты вращения n. На рис. 5.8 приведены возможные формы проточной части турбин современных ГТД.

Проточная часть с D_к = const позволяет сработать наибольшие значения H^*_ст i на первой ступени. При этом на первой ступени реализуется и наибольшее снижение температуры T^*. Поэтому схема с D_к = const наиболее целесообразна в высокотемпературных турбинах, поскольку последующие ступени (кроме первой) можно выполнять неохлаждаемыми.

В турбинах с формой проточной части, выполненной при D_ср = const, теплоперепад (см. выражение 5.17) целесообразно распределять по ступеням равномерно. В результате на расчётном режиме сохраняется высокий уровень _т^*.

В турбинах же, где D_вт = const, теплоперепад следует увеличивать от первых к последним ступеням. Такие формы проточной части наиболее целесообразны для ТНД ТРДД. Дело в том, что на нерасчётных режимах (допустим, на крейсерском) перераспределение H^*_ст i происходит только на последних ступенях. В результате H^*_ст i в проточной части относительно выравниваются, и _т^* остается достаточно высоким.

Преимущества и недостатки приведенных форм проточной части с точки зрения газовой динамики, простоты конструкции и технологичности были рассмотрены в разд. 3.4.