3. Турбина

3.1 Проточная часть турбины

Вдоль турбины газ расширяется и, поэтому увеличивается площадь поперечного сечения проточной части и высота лопаток ( рис. 1 ). В зависимости от расхода газа , степени расширения газа в турбине и многих других не только конструктивных, но и технологических факторов, турбина, как и компрессор, может выполнятся с постоянным наружным , средним или внутренним диаметром ( рис. 4 ).

При выполнении курсового проекта форма проточной части турбины может приниматься такой же, что и в прототипе.

Число ступеней турбины определяется прежде всего, как и в компрессоре, исходя из величины требуемой работы ступени, которая обычно составляет от 115 до 200 кДж/кг, а в случае одноступенчатой турбины может достигать 240 кДж/кг, когда еще возможно получение достаточно высокого КПД турбины Из изложенного следует, что если работа то Если то Если то и т. д. При этом работа ступени в среднем равна

( 34 )

но для большего понижения температуры газа в лопатках рабочего колеса первой ступени и для разгрузки с целью достижения осевого выхода газа из последней ступени первая ступень нагружается на 5 – 15% больше, а последняя на 5 – 15% меньше, чем промежуточные, т. е. работа первой ступени обычно составляет

( 35 )

где величина коэффициента в скобках принимается максимальной, если это не ограничивается предельно допустимой работой ступени.

Число ступеней определяется не только максимально допустимой нагруженностью отдельных ступеней, но, во многих случаях, и условиями получения необходимых габаритных размеров колеса турбины и углов раскрытия ее проточной части. При меньшей нагрузки на ступень можно получить меньший наружный диаметр колеса который не должен существенно превышать диаметр компрессора, и меньший угол раскрытия, который не должен быть причиной возникновения срывов потока.

Длина турбины определяется по формуле

( 36 )

где - ширина -ой ступени.

Если определяется ширина только первой и последней ступеней,

( 37 )

В проточной части турбины существенно изменяются ( рис. 5 ) как величина так и направление вектора скорости движения газа. На выходе из сопловых аппаратов угол обычно составляет от 20 до и при этом скорость близка к критической

( 38 )

где и - показатель адиабаты и газовая постоянная;

- температура газа при его движении со скоростью распространения звука.

Для уменьшения угла раскрытия проточной части турбины ( рис. 4 ) и для улучшения кинематики потока скорость на выходе из лопаток рабочего колеса от ступени к ступени увеличивается, но как правило, не превышает 300 – 350 При этом угол на выходе из лопаток рабочего колеса в одноступенчатой турбине или последней ступени в многоступенчатой турбине во избежании повышенных гидравлических потерь в затурбинном устройстве должен быть близок к и обычно отличается от этого значения не больше чем на . Для первой и промежуточных ступеней многоступенчатой турбины отклонение вектора скорости от осевого направления может быть значительным и достигать .

В воздушно – реактивных двигателях для преобразования энергии с высоким КПД ступени турбины делаются реактивными, в которых газ расширяется как в сопловом аппарате, так и лопатках рабочего колеса. В связи с этим, как и в ступени компрессора, в рабочем колесе изменяется ( рис. 5 ) не только абсолютная скорость от на входе до на выходе, но и относительная от до , и работа реактивной ступени

( 39 )

а степень реактивности

( 40 )

Как и в формуле ( 39 ), здесь в целях упрощения работа ступени турбины приравнивается к работе расширения газа в ступени, которая нВ 2 – 4% больше первой, т. к. при расширении часть газа проходит через зазоры над лопатками.

В теории газовых турбин рассматривается также степень реактивности под которой понимается отношение располагаемых адиабатических теплоперепадов в рабочем колесе и в ступени, и которая связана с следующей зависимостью

где КПД ступени.

По высоте лопатки турбины степень реактивности существенно изменяется, но на среднем диаметре в ВРД она составляет от 0,3 до 0,4 на первой ступени и доходит до 0,5 на последующих. При КПД ступени из – за чрезмерно большой закрутки газа на выходе из лопаток рабочего колеса начинает снижаться.