3. Расчет ступени охлаждаемой газовой турбины по среднему диаметру для выбранной проточной части

Исходными данными для первой ступени являются результаты предварительного расчета газовой турбины, а также некоторые предварительно выбираемые в начале расчета величины. Для последующих ступеней исходными данными являются параметры на выходе из предыдущей ступени. Геометрические данные принимаются по вычерченной на основании предварительных расчетов проточной части или снимаются с проточной части турбины–прототипа.

G_г , кг/с – расход газа на входе в ступень, из предварительных расчетов или на выходе из предыдущей ступени.

, К – температура на входе в ступень, из предварительных расчетов () или на выходе из предыдущей ступени ().

, Па – полное давление на входе в ступень, из предварительных расчетов () или на выходе из предыдущей ступени ().

n , 1/с – частота вращения ротора турбины, из предварительных расчетов или исходных данных.

L_ст =, Дж/кг – работа ступени, из предварительных расчетов, где – коэффициент потерь кинетической энергии на трение о диск.

, , кг/с – расход охлаждающего воздуха, в первом приближении принимается из предварительного расчета, в последующем может быть уточнен, например, по данным [3] или [5] (рис. 5.16, стр. 208), или по приложению 2. Необходимо обеспечить температуру рабочей лопатки не более чем 1000–1050 К, для сопловых лопаток допустима более высокая температура до 1100–1150 К.

, К – температура охлаждающего воздуха, принимается из предварительного расчета (или при необходимости определяется в процессе расчета ступени).

3.1. Выбор предварительно назначаемых величин и расчет геометрических параметров.

3.1.1. Коэффициенты, учитывающие потери:

адиабатный КПД по параметрам торможения из диапазона 0,89 – 0,93 (меньшие значения для первых ступеней, большие – для последних ступеней, для высокотемпературных ступеней КПД уменьшается до 0,86 – 0,88);

коэффициент скорости соплового аппарата  по рекомендациям [6];

коэффициент скорости рабочего колеса  согласно рекомендациям [6].

Данные коэффициенты корректируются в процессе последовательно уточняемого решения. Для этого необходимо после выполнения газодинамических расчетов выбрать основные геометрические параметры решеток, например на основании статистических данных. Имея среднестатистические геометрические параметры, можно на основании экспериментальных данных определить в первом приближении реальное значение потерь в решетках.

3.1.2. Углы в абсолютном движении:

на выходе из соплового аппарата ₁ согласно рекомендациям [6, п. 5];

на выходе из рабочего колеса ₂ согласно рекомендациям [6].

3.1.3. По замеренным на схеме проточной части турбины наружному диаметру D_т и диаметру втулки D_вт рассчитываем:

высоты лопаток, м ;;

средние диаметры, м ;;

площади диаметральных сечений, м²

;;

окружные скорости, м/с U₁ = D_{1 ср} n ; U₂ = D_{2 ср} n.

3.1.4. Определяем для ступени теплоперепад по параметрам торможения без учета подачи охлаждающего воздуха .

3.2. Определение в первом приближении основных параметров ступени.

3.2.1. Выбираем закон профилирования:

постоянного угла выхода из соплового аппарата ₁ =const для первых ступеней с короткими лопатками (D_ср/h>(8–10) и больше) или постоянной по высоте циркуляции скорости =const для последних ступеней и ступеней с длинными лопатками D_ср/h<(4 – 5).

Определяем минимально допустимую термодинамическую степень реактивности на среднем диаметре (из условия недопущения отрицательной реактивности на диаметре втулки):

для закона ₁ =const из формулы

при =0 и D=D_вт следует:

или .

Для закона =const из формулы

при =0 и D=D_вт следует:

или

Назначаем степень реактивности на среднем диаметре _ср _{ср min} с учетом рекомендаций [6].

3.2.2. Температура торможения на выходе из ступени, К:

,

где первоначально принять теплоемкость c_p для температуры . Затем по температуревновь находимc_p и пересчитываем температуру за ступенью.

При наличии охлаждения уточняем температуру как среднемассовую для газа и охлаждающего воздуха, К:

.

3.2.3. Полное давление за турбиной, Па:

,

где значение принять таким же, как и окончательно принятое в п. 3.2.2.

3.2.4. Приведенный расход за ступенью

.

По таблицам [7] или расчетным путем находим дозвуковое значение приведенной скорости ₂. Расчетный способ предпочтительнее, хотя и требует итерационных вычислений до получения результата с заданной точностью. Из таблиц лучше принимать начальное приближение.

3.2.5. Статическое давление газа за ступенью, Па:

,

где ГДФ  (₂) определяется расчетным путем для найденного согласно приложению 1 значения k или, в крайнем случае, из таблиц [7] по скорости ₂ для k=1,33.

3.2.6. Статическая температура газа за ступенью, К:

.

3.2.7. Условная изоэнтропическая скорость, эквивалентная теплоперепаду по статическим параметрам за турбиной, м/с:

,

где значение принять таким же, как и окончательно принятое в п. 3.2.2,

и изоэнтропический теплоперепад, Дж/кг

.