4.2 Процесс расширения газа в турбинной ступени

Расширение газа в сопловом аппарате и рабочем колесе реактивной ступени рассмотрено в предположении, что процесс происходит адиабатно, т.е. без учета теплообмена и потерь на трение. В действительности адиабатное расширение в реальной газовой турбине осуществить невозможно. В отличие от идеального адиабатного процесса Г – 1 – 2, реальный процесс расширения в турбине изобразится политропой Г – 1’ – 2’ (см. рис. 4.6). Изменение состояния газа в сопловом аппарате соответствует политропе Г – 1’. Давление газа уменьшается от до. Энтропия возрастает на.1’ характеризует действительное состояние газа на выходе из лопаток соплового аппарата. Теплосодержание в этойв1 при адиабатном расширении. Соответственно уменьшается теплоперепадпо сравнению с адиабатным.

Состояние газа на выходе из рабочего колеса характеризуется 2’. Расширение газа в рабочем колесе также происходит с потерями, поэтому. В результате при политропном процессе расширения теплоперепад в турбинной ступениh меньше теплоперепада при адиабатном расширении.

Рис. 4.6 Процесс расширения газа в реактивной ступени

5. Потери в турбине и к.П.Д.

Вся располагаемая адиабатная работа могла бы быть преобразована в эффективную лишь в идеальном случае отсутствия каких-либо потерь. Известно, что такой случай реально неосуществим, так как потери энергии во всех элементах турбины неизбежны. Количественно потери в турбине составляют разность адиабатной располагаемой работы (или располагаемого теплоперепада) иэффективной работы на валу турбины

Все потери, уменьшающие эффективную работу по сравнению с располагаемой, можно разделить на механические и внутренние. Механические потери в подшипниках турбины учитываются механическим к. п. д. Как правило, механические потери, как и потери на охлаждение, относят к потерям всего турбокомпрессора (если турбина и компрессор выполнены в одном агрегате). К внутренним относят потери в проточной части турбины и с выходной скоростью.

Потери в проточной части, в свою оче­редь, можно разделить на потери в сопловом аппарате и в рабочем колесе.

Потери в сопловом аппарате.

Эти потери обусловлены трением частиц газа между собой, о поверхности лопаток и корпуса турбины, вихреобразованием и отрывом потока от поверхности лопаток. При течении газа по межлопаточным каналам у поверхности лопаток образуется пограничный слой. У самой поверхности лопаток скорость газа равна нулю; на внешней границе пограничного слоя скорость такая же, как у основного ядра потока. Таким образом, по сечению потока скорость газа неодинакова. Перемещение газовых струй с различной скоростью порождает потери на трение. Вдоль газового потока отмечается также значительная разность давлений, что может вызвать обратное течение газа, сопровождающееся вихреобразованием, а в некоторых случаях - отрывом потока от поверхности лопаток.

Рассмотренные потери при обтекании профиля лопаток называют профильными. Кроме того, различают концевые потери, вызванные трением в пограничном слое на концевых поверхностях лопаток, перетеканием газа с вогнутой стороны лопатки на выпуклую сторону через радиальный зазор между корпусом турбины и сопловым аппаратом и образованием вихревого кромочного следа при стекании газового потока с сопловых лопаток. Условная схема обтекания лопатки показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1

Кроме рассмотренных потерь, в некоторых типах турбин, например авиационных, могут появляться также волновые потери. Как отмечалось, скорость газа неодинакова в различных участках поперечного сечения межлопаточного канала. На выпуклой стороне лопатки скорость потока имеет максимальную величину при минимальном значении давления. Даже если на выходе из лопаток скорость газа меньше критической, на выпуклой части профиля она может достичь сверхкритического значения, и тогда возможно появление скачков уплотнения (переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой) с местным повышением давления в этом районе. Затрату энергии на скачки уплотнения и принято назвать волновыми потерями.

Определение отдельных составляющих рассмотренных потерь в сопловом аппарате сложно, поэтому обычно ограничиваются их суммарным учетом. В результате потерь энергии действительная скорость газа на выходе из лопаток соплового аппарата меньше скорости при идеальном адиабатном истечении с_1ад. Уменьшение скорости учитывается при помощи, коэффициента скорости , представляющего собой отношение действительной скорости к скорости при адиабатном истечении с_1ад, т. е.

(5.1)

откуда с₁ = с_1ад.

Потери энергии в сопловом аппарате могут быть определены следующим образом. Располагаемая работа расширения одного килограмма газа в сопловом аппарате

Действительная работа расширения одного килограмма газа в сопловом аппарате с учетом всех потерь

Потери в сопловом аппарате

(5.2)

где - коэффициент потери энергии в сопловом аппарате.

Формулу (5.1) можно представить в другом виде:

где -разность теплоперепадов при адиабатном и действительном истечениях в сопловом аппарате (см. рис. 4.5 и рис. 4.6).

С учетом формул (3.3) и (5.1) действительная скорость истече­ния из соплового аппарата равна

(5.3)

где .

Потери энергии в сопловом аппарате составляют 3÷4% от располагаемой работы, т. е. .

Величину можно назвать к. п. д. соплового аппарата. Из формулы (5.2) следует, что абсолютная величина потерь энергии в сопловом аппарате пропорциональна скорости .

Относительные потери характеризуются коэффициентом