2. Схема и принцип работы ступени турбины

С тупень газовой турбины в ГТД состоит из неподвижного соп­лового аппарата (СА) и расположенного за ним вращающегося рабочего 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 поверхностью ВВ и 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 р₀ и температуру Т₀. Вектор скорости газа в этом сечении с₀ обычно 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_1a f₀). Поскольку скорость с₀ 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.

В ектор скорости газа на входе в рабочие лопатки (в относительном движении) равен разности векторов скоростей и — 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 на активные и реактивные. В рабочем колесе активной ступени турбины относительная скорость w 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 скорости и 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 окружную Р_u и осевую Р_a составляющие и в конечном счете является той силой, которая создает крутящий момент на валу турбины.

Т реугольники скоростей в сечениях 1—1 и 2—2 обычно совме­щаются на одном чертеже (рис. 6.3), называемом треугольником скоростей ступени турбины. При этом в общем случае поверхность тока, для которой проводится построение такой фигуры, может отличаться от цилиндрической, и тогда значения окружных скоростей в сечениях 1—1 и 2—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. .