4.3.1.3 Коэффициент нагрузки ступени и диаграмма Смита

В кинематических расчетах может использоваться коэффициент нагрузки:

4.22

Если сравнить формулы коэффициента нагрузки и параметра нагруженно­сти , то можно заключить, что это близкие по смыслу величины, зависящие от одних и тех же переменных.

Коэффициент нагрузки применяется в основном в зарубежной практике проектирования для тех же целей, что и параметр нагруженности . Коэффици­ент нагрузки обычно используется совместно с коэффициентом расхода .

Связь коэффициента нагрузки с коэффициентом расхода была установ­лена в 1965 году Смитом с помощью специально созданной им диа­граммы (рисунок 4.9), которая названа в его честь. Несмотря на свой солид­ный возраст, диаграмма широко применяется в настоящее время.

Смит изучил результаты экспериментальных исследований 70 турбин разных классов и назна­чений. Все они имели постоянную осевую скорость, значение степени реак­тивности в диапазоне 0,2…...0,6 и большое отношение высоты лопатки в хорде (3…...4). Смит занес результаты на диаграмму и обнаружил, что линии постоянства КПД на диаграмме образуют кон­центрические замкнутые фигуры, близкие к овальной формы, четко указывая на область вы­сокой эффективности. Смит предложил использовать полученную им диа­грамму для выбора параметров и ,определяющих рабочий процесс тур­бины, при эскизном проектировании.

Рисунок 4.9 – Диаграмма Смита

Поскольку при построении диаграммы не учитывались утечки в радиаль­ном зазоре, то уровень КПД оказывается на 1...2% больше реального. Тем не менее, опыт использования диаграммы показал, что ее применение позволяет достигнуть хороших результатов даже при проектировании турбин, параметры которых сильно отличаются от тех, данные испытаний которых были исполь­зованы при создании диаграммы.

При постоянном значении коэффициента расхода КПД с увеличе­нием коэффициента нагрузки  уменьшается. Это связано с процессом передачи энергии и может быть найдено с помощью уравнения моментов ко­личества движения:

4.23

Из приведенного уравнения с увеличением коэффициента нагрузки  уве­личивается угол поворота потока в РК, что приводит к увеличению потерь трения, интенсификации вторичных течений и росту потерь в РЗ.

При с увеличением коэффициента расхода уменьшается угол по­ворота потока, но растет и расход, увеличивается уровень скоростей в сту­пени. Таким образом, на эффективность турбины действует два противопо­ложных фактора и зависимость КПД от имеет максимум при . При величина угла поворота потока в ступени велика, что приводит к росту потерь трения, интенсификации вторичных течений и росту потерь в РЗ. При рост уровня скоростей в ступени приводит к росту профиль­ных и волновых потерь.

Наилучшая эффективность турбины наблюдается при малых и . Умень­шить коэффициент нагрузки можно за счет увеличения окружной ско­рости, что приведет к увеличению растягивающих напряжений в деталях ро­тора. Уменьшение коэффициента расхода за счет уменьшения осевой состав­ляющей скорости приводит к росту высоты лопаток и росту напряжений в ло­патках и диске. Таким образом, существует оптимальный диапазон коэффици­ентов нагрузки и расхода.

Коэффициент нагрузки турбины для привода компрессоров ГТД, как пра­вило, находится в диапазоне , а коэффициент расхода . Уравнение линии максимального кпд [3,4].

Типовая точка для проектирования на «Роллс Ройс» , . На аме­риканских фирмах тяготеют к более низким коэффициентам расхода , .