2. Схема и принцип работы ступени турбины

Ступень газовой турбиныв ГТД состоит из неподвижного соп­лового аппарата(СА) и расположенного за ним вращающегосярабочего колеса(РК). Схема ступени неохлаждаемой газовой турбины ГТД с указанием обозначений характерных сечений ее проточной части дана на рис. 6.1. Пренебрегая (как и в ступени компрессора) отличием поверхностей тока от цилиндрических, рассечем ступень цилиндрической поверхностьюВВи развернем это сечение на плоскость. В результате получим сечение решеток профилей СА и РК (рис. 6.2). Рассмотрим характерную форму профилей, межлопаточных каналов и течение газа через эти решетки.

На вхо­де в сопловой аппарат газ имеет давление р₀и температуруТ₀. Вектор скорости газа в этом сечениис₀обычно направлен парал­лельно оси вращения РК или под малым углом к ней. Лопатки СА имеют большую кривизну. Поэтому угол₁, под которым выходит газ из соплового аппа­рата (см. рис. 6.2), обычно равен 20 … 30^о, в результате чего поперечное сечение каждой струи газа, прошедшего через межлопаточный канал соплового аппарата, на выходе из него ока­зывается существенно меньше, чем на входе (f_1af₀). Поскольку скоростьс₀ существенно меньше скорости звука, уменьшение площади сечения межлопаточного канала приводит к значительному росту скорости газового потока и, соответственно, к падению его давления и температуры (см. рис. 6.1), подобно разгону потока в суживающемся сопле.

Вектор скорости газа на входе в рабочие лопатки (в относительном движении) равен разности векторов скоростейи —см. тре­угольник скоростей перед рабочим колесом на рис. 6.2. Рабочие лопатки также имеют большую кривизну, причем их передние кромки (во избежание срыва потока) ориентируются по направлению вектора. ППри этом вектор относительной скорости газа реззначительно изменяет свое направление в рабочем колесе. Это изменение может быть различным. Ступени турбины принято разделять наактивные иреактивные.В рабочем колесе активной ступени турбины относительная скоростьw практически остается (по модулю) постоянной (так как давление газа перед и за РК одинаково). В реактивной же ступени (а именно такие ступени применяются в авиационных ГТД) давление газа в рабочем колесе падает () и, соответственно, относительная скорость газа растет (w₂  w₁)(см. рис. 6.1). Обычно течение газа в решетке РК дозвуковое, и тогда для увеличения скорости газа межлопаточные каналы РК должны быть суживающимися (f_2кf_1к ), как показано на рис. 6.2.

Вектор абсолютной скорости газового потока за рабочим колесом определяется как сумма векторов относительной скоростии окружной скорости лопаток (см. рис. 6.2).Обычно выход газа из ступени тур­бины на расчетном режиме близок к осевому, т. е. угол₂ бли­зок к 90°.

При обтекании лопаток рабочего колеса давление на корытце каждого профиля (в результате воздействия вытекающей из каждого межлопаточного канала СА струи газа) оказывается существенно выше, чем на спинке. Поэтому на каждой лопатке РК возникает аэродинамическая сила Р, которая в общем случае направленная так, как показано на рис. 6.2, может быть разложена на окружнуюР_uи осевуюР_aсоставляющие и в конечном счете является той силой, которая создает крутящий момент на валу турбины.

Треугольники скоростей в сечениях1—1и2—2обычно совме­щаются на одном чертеже (рис. 6.3), называемомтреугольником скоростей ступенитурбины.При этом в общем случае поверхность тока, для которой проводится построение такой фигуры, может отличаться от цилиндрической, и тогда значения окружных скоростей в сечениях1—1и2—2(т.е.и) будут различными. Кроме того, необходимо учитывать возможное изменение осевой составляющей скорости газа при его прохождении через рабочее колесо, завися­щее от формы проточной частя ступени (изменения высоты лопа­ток по тракту) и соотношения плотностей газа перед и за колесом. Обычно осевая скорость газового потока несколько увеличивается по тракту турбины, т. е. .