4.7 Коэффициент полезного действия ступени турбомашины
Адиабатный КПД – характеризует аэродинамическое совершенство ступени
Адиабатный КПД по заторможенным параметрам. Для промежуточных ступеней выходная скорость может быть эффективно использована в последующих ступенях, поэтому выходная скорость не является потерей. То же самое относится к последним ступеням, за которыми расположено реактивное сопло (для авиаГТД) или эффективный диффузор (см. 4.11). Поэтому данный КПД не учитывает потерь с выходной скоростью с22/2.
Окружной (мощностной) КПД. Характеризует ступень(турбину) как приводной двигатель. Учитывает три вида потерь: потери на трение в соплах, потери на трение в рабочих решетках, потери с выходной скоростью. Показывает, какая доля располагаемой работы преобразуется в механическую на валу турбины.
Значения представленных параметров: ад =0,92÷0,94;ад*=0.91÷0.93;u=0.8÷0.85.
Для охлаждаемых турбин используется понятие термодинамического КПД, который учитывает особенности систем охлаждения, конструктивные особенности охлаждаемых лопаток, способы подвода охлаждающего воздуха.
4.8 Обтекание решетки потоком, классификация потерь энергии в решетках
Все потери энергии можно разделить на внешние и внутренние. Внешние – такие, которые не приводят к изменению теплового состояния (энтропии и энтальпии) рабочего тела (например, трение в подшипниках, потери от утечек рабочего тела через концевые уплотнения и др.).
Внутренние потери – потери, обусловленные наличием вязкости в продуктах сгорания, охлаждение элементов, расположенных в проточной части и т.д.
Профильные потери подразделяются на собственно потери трения на профиле; потери от вихреобразования в следе за выходной кромкой лопатки; наличия углов атаки (характерно для переменных режимов); а также волновые потери (появляются при достижении потоком скорости звука).
Потери на трение о профильную часть лопатки связаны с образованием пограничного слоя на профильной поверхности. На поверхности профиля образуется пограничный слой, причем толщина пограничного слоя на корытце меньше, чем на спинке (поскольку там больше давление). Потери трения возрастают при увеличении угла поворота потока в решетке (поскольку увеличение угла поворота потока в решетке требует увеличения ширины решетки и хорды профиля при неизменном угле установки), а также при снижении конфузорности. Чем больше шаг, тем меньше лопаток в решетке, тем меньше потери.
При переменных режимах появляются углы атаки (рисунок 4.8.2), при этом поток натекает на входную кромку под углом, отличным от расчетного, это приводит к появлению дополнительных потерь. Положительные углы атаки более негативны, нежели отрицательные, поскольку при I>0 происходит отрыв потока со спинки профиля.
Волновые потери характерны для сверхзвуковых течений потока. Скорость звука может быть достигнута на периферии рабочих или в корне сопловых лопаток последних ступеней.
Кромочные потери. Появление данного вида потерь обуславливается тем, что статическое давление на корытце больше, чем на спинке, за выходной кромкой пограничные слои смыкаются, при этом образуется вихрь (вихрь Кармана), который размывается (параметры потока выравниваются) на расстоянии полутора шагов решетки.
Концевые потери. В концевые потери обычно включают потери трения по концам лопаток, потери от вторичных течений и перетеканий через зазор в безбандажных венцах.
Концевые потери трения связаны с образованием пограничного слоя на ограничивающих меридиональных поверхностях (цилиндрических, конических).
Причина появления вторичных течений – поворот потока в решетке, вследствие чего статическое давление на спинке становится меньше, чем на корытце. В результате происходит перетекание потока с корытца лопатки на спинку соседней.
Потери во вращающемся венце складываются из потерь от радиальной неуравновешенности, нестационарности и веерности.
Потери от радиальной неуравновешенности вызваны тем, что поток движется в ступени по спирали и для его уравновешивания необходим большой рост реактивности к периферии, что обычно нежелательно из-за возрастания ранее рассмотренных потерь.
Потери от нестационарности потока вызваны непрерывным изменением взаимного положения решеток рабочих и направляющих лопаток
Потери от веерности связаны с невозможностью выдержать оптимальный шаг в рабочей решетке по радиусу ступени, особенно при малых втулочных отношениях, характерных для последних ступеней.