4.4 Рабочий процесс в сопловом аппарате осевой турбины

Процесс течения газа в СА ступени турбины можно рассматривать как расширение рабочего тела в осесимметричном сверхзвуковом сопле. В то же время при расчeте параметров потока нельзя не учитывать ряд особенностей соплового венца ступени турбины, к которым относят:

• криволинейность межлопаточных каналов, обусловленную необходимо­стью поворота потока;

• наличие конечной толщины выходных кромок и вызванные этим об­стоятельством вихревые следы за сопловым венцом;

• геометрию выходной части межлопаточного канала в виде «косого среза» сопла;

• широкий диапазон изменения относительных параметров решeтки (t,`c,`x_f,`x<sub>c</sub>) и венца в целом (`h, D/h и т.д.).

Указанные особенности учитываются в виде поправок к значениям скоро­стей, углов потока, а также температур и давлений, которые могут быть рас­считаны по основным соотношениям процесса изоэнтропического расшире­ния в осесимметричных соплах.

Для более подробного рассмотрения процесса течения рабочего тела в СА ступени турбины изобразим его схему в i-s-диаграмме (рисунок 4.16).

Рисунок 4.16 – i-s - диаграмма процесса течения рабочего тела в СА ступени осевой турбины

Согласно уравнению энергии, потенциальная энергия сжатого и нагретого газа превращается в СА в кинетическую энергию, т.е. , откуда сле­дует .

Величина H_s СА может быть найдена по известным термодинамическим па­раметрам ступени:

4.43

тогда, если известна ,

4.44

Действительная скорость c₁ меньше изоэнтропической из-за наличия по­терь энергии В расчeтной практике скорость c₁ определяют из соотноше­ния:

4.45

где - коэффициент скорости СА.

В современных турбинах обычно находится в интервале 0,96...0,98.

Коэффициент скорости косвенно характеризует уровень потерь энер­гии в СА ступени осевой турбины. Скорость может быть найдена также с помощью коэффициента потерь энергии , который принято определять отно­шением:

4.46

Из уравнения энергии (см. рисунок 2.5.1) следует:

4.47

откуда вытекает связь между и :

4.48

Из-за потерь энергии в СА происходит снижение полного давления, т.е. . Для оценки его снижения в теории газовых турбин вводят понятие коэффициента сохранения полного давления:

4.49

При значениях l_1s £ 1,2 и величина находится в преде­лах 0,96...0,995.

Найденные значения , , а также оцененные величины и , позво­ляют легко определить все остальные параметры потока на выходе из СА через газодинамические функции. Действительно:

приведенная скорость:

4.50

газодинамические функции приведенной скорости:

		4.51
		4.52
		4.53

статические параметры газа на выходе из СА:

		4.54
		4.55

здесь , так как процесс расширения энергоизолированный.

Наконец, при известной геометрии проточной части может быть найден расход газа через СА:

4.56

где - константа, зависящая только от физических свойств газа; для продуктов сгорания керосина m_г=39,7(кг×град./ кДж)^-0,5; - осевая пло­щадь на выходе из СА, равная ; - угол выхода потока из СА.

Уравнение неразрывности определяет расход газа при докритических пере­падах давления на СА и условии, что известна геометрия его проточной части. На практике же чаще встречаются задачи, когда по заданному расходу газа Gг требуется определить основные геометрические размеры проточной части СА. В этом случае выражение для продуктов сгорания керосина примет вид:

4.57

где - имеет размерность в кПа, - в кг/с, а - в К.

При сверхкритических перепадах давления расход газа определяется по площади горловин СА, так как при этом в горловинах устанавливается крити­ческий режим, что соответствует .