4. Турбина

4.1. Схема и принцип работы ступени газовой турбины

Газовая турбина представляет собою лопаточную машину, в которой потенциальная энергия сжатого и подогретого газа преобразуется в механическую работу на валу турбины с помощью вращающегося ротора, снабженного лопатками. Это преобразование обратно тому, которое имеет место в компрессоре, и с этой точки зрения турбина как гидравлическая машина представляет собой обращенный компрессор и наоборот.

Процесс расширения газа в многоступенчатой турбине ГТД состоит из ряда последовательно протекающих процессов расширения в ее ступенях. В большинстве авиационных ГТД применяются осевые газовые турбины.

Ступенью газовой турбины в ГТД называется совокупность соплового аппарата и расположенного за ним рабочего колеса.

Вектор скорости газа на входе в сопловой аппарат обычно направлен параллельно оси вращения рабочего колеса или под малым углом к ней. Сопловые лопатки имеют большую кривизну и сравнительно малый угол установки. Поперечное сечение каждой струи газа, прошедшего через межлопаточный канал соплового аппарата, на выходе из него оказывается существенно меньше, чем на входе. Уменьшение площади сечения струи приводит к резкому росту скорости газового потока и соответственно к падению его давления и температуры.

Скорость газа на входе в рабочие лопатки равна векторной разности абсолютной и окружной скоростей. Рабочие лопатки также имеют большую кривизну, но угол установки у них обычно больше, чем у сопловых лопаток. При прохождении газового потока через межлопаточные каналы рабочего колеса также наблюдается уменьшение площади поперечного сечения газовой струи, приводящее к росту относительной скорости газа и соответственно к падению давления. Но степень изменения скорости и давления здесь обычно меньше, чем в сопловом аппарате.

Абсолютная скорость газового потока за рабочим колесом определяется как векторная сумма относительной скорости и окружной скорости лопаток. Обычно выход газа из ступени турбины на расчетном режиме близок к осевому.

Резкое уменьшение окружной составляющей абсолютной скорости газа при его прохождении через рабочее колесо и соответствующее уменьшение окружной составляющей момента количества движения газового потока приводит к образованию окружного усилия на рабочих лопатках (крутящего момента). Механизм образования этого усилия связан с возникновением разности давлений на вогнутой и выпуклой поверхностях каждой лопатки при обтекании ее газовым потоком. На корытце лопатки возникает повышенное давление, а на спинке - разрежение. Равнодействующая всех газовых сил, действующих на каждую лопатку может быть разложена на окружную составляющую, приводящую колесо во вращение, и осевую составляющую, которая должна восприниматься в конечном счете упорным подшипником ротора.

4.2. Основные параметры ступени газовой турбины

Отношение давления перед и за ступенью турбины представляет собой степень понижения давления газа в ступени или степенью расширения газа.

Для краткости ее можно называть перепадом давления ступени, среднее значение которой равно 1,7...2,2, но в отдельных случаях достигает 2,5-2,8.

Работа адиабатического расширения газа на ступени турбины называется адиабатической работой ступени или располаемым теплоперепадом.

Отношение полезной работы к располагаемой адиабатической работе расширения газа в параметрах заторможенного потока называется КПД ступени.

На расчетном режиме работы КПД ступени турбины обычно равен 0,9...0,92.

Угол между вектором абсолютной скорости и осевым направлением на выходе из соплового аппарата обычно равен 20-35 град. Угол между вектором абсолютной скорости и осевым направлением на выходе из ступени для одноступенчатой турбины или последней ступени многоступенчатой турбины во избежание повышенных потерь в реактивном сопле должен быть близок к 90 град. и обычно отличается от этого значения не больше, чем 5-10 град. Для первой и промежуточных ступеней турбины отклонение вектора абсолютной скорости на выходе из ступени от осевого направления может быть более значительным (от 20-25 град.). Абсолютная скорость газа на выходе из ступени может меняться в широких пределах, достигая 300-400 м/с, в зависимости от расположения ступени в турбине и температуры газов. Более характерной величиной является число М на выходе из рабочего колеса, которое для турбин ТРД обычно превосходит значения 0,45...0,55, но в ТВД и вертолетных ГТД с целью сокращения их габаритных размеров доводится иногда до 0,65-0,7.

Коэффициент нагрузки ступени является одним из наиболее важных параметров, так как определяет работу, которую можно получить в ступени при данной окружной скорости.

В турбинах авиационных ГТД большим значениям коэффициента нагрузки соответствует меньшее значение КПД ступени.

Степень реактивности ступени представляет собой отношение располагаемого теплоперепада в рабочем колесе к располагаемому теплоперепаду в ступени.

Степень реактивности показывает, как распределяется общий адиабатический теплоперепад между аппаратом и рабочим колесом.

Ступень, имеющая степень реактивности, равную нулю, т.е. равные давления на входе и выходе рабочего колеса, называется активной. Для авиационных турбин на среднем радиусе обычно степень реактивности равна 0,3...0,4. Это означает, что 60...70% располагаемой энергии срабатывается на лопатках соплового аппарата, а 30...40% на лопатках рабочего колеса.

Применение турбин, имеющих степень реактивности более ноля, обуславливается их более высоким КПД. Увеличение степени реактивности соответствует увеличению степени конфузорности течения газа в решетке рабочего колеса, что приводит к снижению потерь в колесе и росту КПД.