4. Многоступенчатые турбины

Получение в одной ступени во многих случаях затруд­нительно. Так, при теплоперепаде 320 кДж/кг для соблюдения требуется иметь предельно большую окружную скорость 350 ... 400 м/с, а число М при этом на выходе из СА и РК прибли­жается к единице. Поэтому теплоперепад в ступени (работу ступени) ограничивают значением 250 кДж/кг. Больший теплопере­пад можно получить в одной ступени либо при больших u, либо три меньшем КПД. Для получения турбины с высоким КПД и при­емлемыми значениями u ее нужно выполнять многоступенчатой.

Как было указано в подразд. 5.1, в ГТД применяются турбины :э ступенями давлений. Многоступенчатая турбина может иметь :дин, два или три вала, в последнем случае ступени турбины раз­делены на группы (каскады).

Число ступеней турбины зависит от типа двигателя и степени повышения давления компрессора . Так, для ТРД с = 4,0 ... ... 5,5 турбина должна быть одноступенчатой, при = 5,5 ... 6,0 она имеет две ступени или одну с повышенной u, при = 6,0 ... .. 10,0 турбина должна быть двухступенчатой, при я_к* = 10,0 ... 15,0 должно быть три ступени или две с повышенной u и при >15,0 — три ступени.

Число ступеней определяется по параметру где z — число ступеней. Величина с_ад определяется по уравнению (5.22). Значение y=0,50 ... 0,60.

Равномерное распределение теплоперепада (работы) между ступенями обеспечивает высокий КПД при меньшем числе ступе­ней. В случае большего теплоперепада на первой ступени умень­шается температура перед второй ступенью и условия работы ее улучшаются, она может быть выполнена неохлаждаемой или из бо­лее дешевых материалов. Если большой теплоперепад срабатыва­ется на последних ступенях, то в них возрастают скорости газа, а в первых они уменьшаются. Поэтому меридиональный профиль проточной части может быть сделан более плавным.

По мере расширения газа в турбине его удельный объем уве­личивается, причем тем значительнее, чем больше степень расши­рения газа в турбине . Для того чтобы обеспечить возрастание объемного расхода газа через ступени турбины, нужно увеличи­вать проходную площадь или осевую скорость газа в ступенях. Увеличение площади проходного сечения требует существенного увеличения D_cр, что нерационально, так как приводит к увеличению массы и габаритных размеров турбины. Можно увеличить площадь, применяя более длинные лопатки, но этому препятствуют соображения прочности. Кроме того, при длинных лопатках увеличивается степень «уширения» проточной части, что может вызвать срыв потока со стенок, ограничивающих проточную часть, и сни­жение КПД.

Другой способ увеличения объемного расхода газа — увеличение осевой скорости потока. Но увеличение ее эффективно только до определенных пределов. Обычно скорость на последних ступенях характеризуется значениями λ₂ = 0,4 ... 0,6.

Осевую скорость можно увеличить (при α₁ = const) либо путем увеличения c₁ для чего нужно повысить теплоперепад, срабатываемый в ступени, либо увеличить β₂. В последнем случае нужна сделать большим угол установки лопаток, что приведет к росту проходного сечения межлопаточного канала и при заданном объемном расходе позволит снизить длину лопаток. Вместе с тем увеличение α₁ и β₂ ведет к уменьшению окружной составляющей скорости газа c_2u уменьшению работы газа на лопатках при уве­личении потерь с выходной скоростью, т. е. снижению КПД послед­них ступеней.

Возрастание объемного расхода газа в турбине обеспечивается увеличением осевой скорости и высоты лопаток, что достигается надлежащим выбором меридионального сечения проточной части.

Рис. 5.9 дает представление о возможных формах проточной части турбины. При проточной части с D_K = const (рис. 5.9, а) кор­пус имеет простую форму, что облегчает его изготовление. Про­точная часть с D_BT = const и расширяющимся наружным диамет­ром (рис. 5.9, б) целесообразнее применять для турбин двух­зальных двигателей, где n ротора НД меньше, чем п ротора ВД, и для получения приемлемых и на лопатках РК турбины НД уве­личивают диаметры ступеней НД. Проточная часть с увеличиваю­щимся D_K и уменьшающимся D_BT (рис. 5.9, в) (частный случай — проточная часть с D_cp = const) встречается в высоконагруженных турбинах ГТД. Она отличается меньшими углами раскрытия, что уменьшает возможность отрыва потока от внутренней и внешней стенок контура.