3. Методы получения и способы представления характеристик газовых турбин

Как и у компрессора, форма лопаток каждого венца турбины соответствует форме треугольников скоростей только на одном (рас­четном) режиме работы турбины. В различных условиях эксплуа­тации ГТД частота вращения ротора, температура газа на входе и другие парамеры, определяющие режим работы турбины, могут изменяться в значительных пределах. Это приводит в конечном счете к измене­нию КПД, работы на валу и других параметров турбины. Для анализа особенностей работы турбины в различных условиях эксплуатации двигателя необходимо иметь возможность определять значения КПД (или работы на валу турбины) и расхода газа через неё в зависимости от режима работы турбины, который может быть охарактеризован температурой и давлением газа на входе (), частотой вращения () и степенью понижения давления газа в турбине (или). Зависимость КПД турбины (или работы) и расхода газа через неёот частоты вращения, параметров газа на входеи степени понижения давления(или) определяются с помощьюхарактеристики турбины.

Характеристики турбин, так же как и характеристики компрес­соров, могут быть получены либо экспериментально, либо расчет­ным путем. Экспериментальные характеристики при надлежащем моделировании реальных условий работы турбин и тщательной ор­ганизации системы измерения их параметров являются наиболее достоверными, но требуют для своего получения сложных и доро­гих установок, особенно в связи с высокой температурой газа на входе. Поэтому в инженерной практике в настоящее время используются главным образом характеристики, полученные расчетом.

Расчетные методы до последнего десятилетия основывались на результатах обобщения экспериментальных данных по характеристикам турбин, характеристикам турбинных решеток профилей и по потерям в лопаточных венцах СА и РК турбин. В последние годы стали активно развиваться методы, основанные непосредственно на решении (на мощных ЭВМ) уравнений движения вязкого газа в лопаточных венцах турбины с привлечением той или иной модели турбулентности. Однако расчет характеристик турбин, лопатки которых охлаждаются воздухом, требует учета особенностей процессов теплопередачи и смешения потоков газа и охлаждающего воздуха, что существенно затрудняет создание достоверных методов расчета.

Так же как и при построении характеристик компрессоров, для уменьшения числа параметров, подлежащих учету при испытаниях турбины (или её модели) или в процессе расчета, характеристики турбины представляются в виде взаимосвязи критериальныхпараметров (связанных с критериями подобия), введение которых основано на теории подобия физических явлений.

Не повторяя выводов, проведенных нами на предыдущих лекциях применительно к ком­прессорам, укажем, что при представлении характеристик турбин в каче­стве критериальных параметров используются:

 параметр частоты вращения ,связанный с;

 параметр расхода газа , пропорциональный.

(Для упрощения записи иногда параметр обозначают символом, а параметр символом ).

Кроме того (как и для компрессоров), используются безразмерные параметры: и. Может использоваться также параметр работы на валу турбины

или.

При этом, в отличие от компрессора, для турбины нельзя ввести понятие приведенных параметров, так как не существует стандартных значений температуры и давления на входе в неё. Поэтому для исключения неудобных единиц измерения вместо параметраиспользуется пропорциональный ему параметр, обозначаемыйи равный отношению окружной скорости рабочего колеса первой ступени на его среднем радиусе к критической скорости потока газа на входе в турбину.

Кроме того, необходимо учитывать, что параметр расхода слабо изменяется или совсем не изменяется (как это будет показано ниже) при изменении режима работы турбины. Поэтому рассматривается не зависимость и КПД оти параметра расхода (как в компрессорах), а зависимость КПД и параметра расхода от параметра частоты вращения и(или).

С учетом сказанного, характеристикой турбины называют зависимость её КПД, параметра работы и параметра расхода газа от параметра (или) и степени понижения давления, т.е.

или; (8.1)

или; (8.2)

, (8.3)

или ;;.

При этом необходимо отметить, что на характеристике турбины может быть представлена только одна из двух зависимостей (8.1) и (8.2), поскольку значения ипри известной теплоемкости газаоднозначно связаны межу собой, так как в соответствии с формулой (7.6)

, где. (8.4)

К этим характеристикам могут добавляться также зависимости

и, (8.5)

поскольку значения угла и числасущественно влияют, как уже отмечалось, на уровень потерь в затурбинном диффузоре.

Формы изображения характеристик турбин могут быть различными. В турбореактивных двигателях, как показывают расчеты и эксперименты, параметр , сравнительно слабо изменяется на различных режимах работы турбины (и её ступеней) в системе двигателя. Поэтому при графическом изображении характеристик этих двигателей обычнорассматривается как аргумент, акак пара­метр.

Если ГТД имеет не один, а два или более вала, то характерис­тика каждой группы ступеней (каскада) турбины, сидящей на одном валу, рассматривается отдельно.

В ряде случаев (например, для свободной турбины турбовального двигателя) характеристики могут представляться в виде зависимостей, аналогичных (8.1) и (8.3), но с заменой наи КПД в параметрах заторможенного потока на мощностной КПД.

1