6.8. Способы представления характеристик ступени газовой турбины

Характеристикой ступени газовой турбиныназывается зависимости параметров, характеризующих ее эффективность таких какL_ст,G_ги, от режимных параметров, т.е. отn,,и.

Таким образом, параметры ступени турбины зависят от многих факторов. Поэтому их представляют в виде зависимости между критериальными параметрами, полученными на основе теории подобия.

Как и в компрессорах, течения в геометрически подобных ступенях турбины являются подобными, если в них одинаковы определяющие критерии подобия.

При течении газа в ступенях турбины обычно число Рейнольдса Rе>Rе_кр (Rе_кр≈10⁶). Кроме того, можно считать постояннымиk_г иR_г.

Тогда в геометрически подобных ступенях турбины течения газа будут подобными, если в них одинаковы числа Маха по осевой M_a1 и окружной М_u1составляющей относительной скорости газа на входе в РК (в сечении1-1,

рис. 6.1). Однако эти критерии не удобны для практического использования, поэтому вместо них используют другие критериальные параметры.

Вместо M_a1используютM_a2за ступенью турбины, т.к. оно меняется в более широких пределах, чемM_a1. Но при дозвуковой составляющей скорости газа в ступениM_a2иq(λ_а2) однозначно связаны между собой. В то же времяq(λ_а2) однозначно определяется значением, что следует из баланса расходов газа через вход и выход из ступени турбины

, откуда ,

где – коэффициент потерь полного давления в сопловом аппарате, аn– показатель политропы процесса расширения газа в ступени турбины.

Вместо критерия M_uможно использоватьоднозначно связанную с ним приведенную скорость

,

где u– окружная скорость РК на его среднем радиусе,–критическая скорость потока газа на входе в ступень турбины, аn– частота вращения РК.

Таким образом, является критериальным параметром и называетсяпараметром частоты вращениярабочего колеса ступени турбины.

Критериальные параметры иявляютсяопределяющимидля геометрически подобных турбин, а для одной и той же турбиныопределяющимиявляются критериальные параметрыи, т.к. они содержат геометрические параметры ступени турбины. Эти параметры определяют режим работы ступени турбины.

Определяемыми параметрамиступени турбины являются:

– параметр работы

, (7.10)

получаемый из формулы для работы ступени турбины;

 параметр расхода

, (7.11)

получаемый из формулы расхода газа через критическое сечение СА ступени турбины, где – относительная плотность тока в этом сечении;

– коэффициент полезного действия ступени турбины .

С учетом сказанного, характеристикой ступени турбины в критериальных параметрах называется зависимость её КПД, параметра работы и параметра расхода газа от параметра частоты вращения (или) и степени понижения давления, т.е.

; (7.12)

(7.13)

или

, (7.14)

или

; ;. (7.15)

6.9.Характеристики ступени турбины

Особенности течения газа в турбинных решетках профилей

Рис. 6.10.Схема течения газа в косом

срезе турбинной решетки

Если степень понижения давления в сопловом аппарате превышаеткритическое значение, то в минимальном сечении межлопаточного канала решетки СА «са-са» (рис. 6.10) скорость газового потока достигает скорости звука, а за этим сечениемпродолжается расширение газаи увеличение его скоростив так называемом косом среземежлопаточного канала. Это происходит следующим образом (рис. 6.10). За минимальным сечением

«са-са» около выходной кромки (в точке «к») происходит почти скачкообразное падение давления от давления в этом сечении до давления за решеткой. В результате этого из точки «к» исходит серия волн разрежения, при прохождении через которые поток газа разгоняется и одновременно поворачивается в сторону увеличения угла . Так достигается сверхзвуковая скорость в решетке, составленной из сужающихся каналов.

Отражение волн разрежения от спинки соседней лопатки и возникновение скачков уплотнения в результате взаимодействия струй, вытекающих из соседних каналов, делает общую картину течения газа более сложной, но не изменяет основной ее особенности, заключающейся в возможности достижения сверхзвуковой скорости газа в косом срезе. Однако этот процесс может продолжаться лишьдо тех пор, пока волны разрежения, выходящие из точки«к», попадают на спинку соседнего профиля, т.е. до тех пор, пока последняя из них не станет практически параллельной фронту решетки. Можно показать, чтопри этом осевая составляющая скорости газа на выходе из решетки становится равной скорости звука.

Аналогичная картина наблюдается в решетке РК турбинной ступени, если степень понижения давления газа в ней, определенная как отношение полного давления газового потока (в относительном движении) на входе в нее к статическому давлению на выходе, становится больше критической. В этом случае (при данном значении ) дальнейшее увеличениеуже не сказывается на структуре течения газа до РК, но величина работы на валу ступени продолжает увеличиваться за счет расширения газа в косом срезе решетки РК до тех пор, пока осевая составляющая скорости газа за РК не станет равна скорости звука.Дальнейшее увеличение (и ) становится невозможным.

Таким образом, максимальное значение степени понижения давления в ступени турбины ограничено условием достижения осевой составляющей скорости газа за РК, равной скорости звука.