Материал: Мамиконов А.Г. Теория авиационных компрессоров и газовых турбин [учебник]

Здесь произведение ,* V т* по своему физическому

смыслу представляет собой отношение критических плотностей тока в сечениях z-z и 2-2:

ская плотность тока Тгкрсъкр- В связи с ограничением, накладываемым на величину закрут­

зрения уменьшения длины лопаток РК на выходе. Поэтому наи­ более эффективным средством воздействия на 12 является соответ­

ного увеличения отношения - f- , характеризующего угол уши-

п

364

рения проточной части турбины, который не должен превышать (на одну сторону) 15 — 20°.

Максимальное значение Х2 всегда ограничивается, чтобы избежать значительных гидравлических потерь в ступени и в следующих за ней элементах двигателя, и у существующих турбин ТРД, как правило, не превышает 0,6 — 0,7, чему соот­ ветствует <72 = 0,81 -ч-0,89. .

ГЛАВА ВОСЕМНАДЦАТАЯ

МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ТУРБИНЫ

§ 109. ПРИЧИНЫ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ТУРБИН

Как было установлено в главе 16, максимальный к. п. д. сту­ пени турбины. достигается при некотором наивыгоднейшем от­

скорости вращения колеса инв. Последняя находится по формуле

и, как видно, тем больше, чем больше располагаемый теплоперепад.

Это обстоятельство приводит к трудности срабатывания боль­ ших теплоперепадов в одной ступени, так как действительная ок­ ружная скорость всегда ограничивается прочностью колеса, усло­ виями сочетания турбины с потребителями ее мощности или каки­ ми-либо другими соображениями. При больших теплоперепадах практически допустимый верхний предел для окружной скорости оказывается значительно меньше инв , вследствие чего скорость сг сильно отклоняется от осевого направления в сторону, противопо­ ложную вращению колеса, потери с выходной скоростью возра­ стают и к. п. д. турбины падает.

Поэтому в тех случаях, когда необходимо при ограниченных зна­ чениях окружной скорости и сработать в турбине большой теплоперепад, ее выполняют многоступенчатой. Переход от одноступенча­ той турбины-к многоступенчатой позволяет без повышения окруж­ ной скорости вращения колеса обеспечить осевой выход газа из тур­ бины и, следовательно, повысить ее к. п. д. При этом чем больше располагаемый теплоперепад и меньше допустимая скорость и, тем больше должно быть число ступеней z, потому что с увеличением

3 6 5

последнего наивыгоднейшая окружная скорость инв уменьшается. Величина срабатываемого в одноступенчатой турбине теплоперепада ограничивается также и максимальной степенью рас­ ширения, которую в состоянии при приемлемых значениях углов а, и р2 обеспечить каналы СА и РК. Чем ниже температура Тг * перед турбиной, тем больше при одном и том же адиабатиче­ ском теплоперепаде степень расширения газа в ней и поэтому тем меньше предельный теплоперепад, который в состоянии

сработать одна ступень.

Возрастание располагаемого теплоперепада сопровождается увеличением скоростей движения газа в проточной части тур­

одной ступени.

Многоступенчатые турбины могут выполняться или с так назы­ ваемыми ступенями давления, или со ступенями скорости. В авиа­ ционных двигателях в основном применяются турбины со ступенями давления, но в отдельных случаях используются также и турбины со ступенями скорости. Ниже кратко рассматриваются основные свойства этих двух типов турбин.

§110. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ТУРБИНЫ СО СТУПЕНЯМИ ДАВЛЕНИЯ

Втурбине со ступенями давления общий располагаемый теплоперепад распределяется между ее отдельными ступенями, в каждой

из которых протекают такие же процессы, как и в описанной в пре­ дыдущих главах одноступенчатой турбине. Принципиальная схема рассматриваемой турбины (в данном случае трехступенчатой) с ди­ аграммой изменения статического давления и абсолютной скорости газа вдоль проточной части изображена на рис. 193, а решетки про­ филей ее сопловых аппаратов и рабочих колес с соответствующими треугольниками скоростей представлены на рис. 194.

Поокольку общий располагаемый теплоперепад разделен между ступенями и каждая из них в общем случае имеет конечную степень реактивности, падение давления происходит по всей длине турбины и сопровождается возрастанием абсолютной скорости паза в сопло­ вых аппаратах и относительной скорости в рабочих колесах. В каж­ дом РК в связи с совершением внешней механической работы абсо­ лютная скорость уменьшается.

Отметим некоторые характерные особенности рабочего процесса турбины со ступенями давления.

Абсолютная скорость газа на выходе из колеса любой ступени, за исключением последней, определяет собой начальную скорость потока на входе в следующий СА и, следовательно, используется в последующей ступени для получения механической работы. По­ этому для достижения высокого к. п. д. турбины обеспечение осевого выхода потока требуется в основном только из последней ее сту-

3 6 6

пени. У всех нее остальных ступеней выходная скорость с2 может в той или иной степени отклоняться от осевого направления, не при­ водя к существенному снижению к. п. д. турбины в целом.

* а~\

осевой скорости), вдоль проточной части увеличиваются. Особенно сильно осевые скорости возра­ стают в том случае, когда Fa по длине турбины не изменяется. Это обстоятельство приводит к увели-

1 ст. 2ст. yjcm.

чению поточных углов а и р в последующих ступенях турбины, потому что скорости с и w в отдельных ступенях обычно не­ сильно отличаются друг от друга. В результате углы поворота потока в СА и Р*К постепенно уменьшаются и соответственно профили их лопаток, как это видно из рис. 194, становятся ме­ нее изогнутыми.

Связь между поточными углами в различных ступенях тур­ бины может быть установлена с помощью уравнения неразрыв­

3 6 7

ности. Так, например, для углов выхода потока а' и «” из пер­ вого и второго соплового аппарата получим

Согласно приведенному выражению при известном угле аи угол

нием удельного веса газа.

Отметим, что в связи с возрастанием угла а, в последующих ступенях его значение для первой ступени выбирается возможно

при прочих равных условиях снижение работоспособности после­

с постепенно увеличивающейся по ступеням длиной лопаток. Такая форма проточной части обеспечивает наряду со сниже­ нием выходной скорости с2 менее интенсивное увеличение осе­ вых скоростей и соответственно углов ^ и р2 в последующих ступенях и, следовательно, повышает их работоспособность. Благодаря этому при заданном теплоперепаде повышается к. п.д. турбины, а при данной работе уменьшается потребное число ступе­ ней. Возрастание к. п. д. турбины при расширяющейся форме ее проточной части в меридиональном сечении объясняется главным образом уменьшением потери с выходной окорстью в последней сту­ пени.

Увеличение длины лопаток последующих ступеней возможно при различных законах изменения их.наружного и внутреннего диа­

.368

метров вдоль турбины. Практически встречающиеся формы проточ­ ной части многоступенчатых турбин изображены на рис. 195. До­ стоинством схем IV и V является то обстоятельство, что они обес­ печивают не только наибольшее по сравнению с другими схемами возрастание площади проходного сечения (и, следовательно, наи­ меньшее увеличение осевой скорости), но также и увеличение ок­ ружной скорости вращения колеса на среднем диаметре, которое способствует повышению работоспособно­ сти ступеней. К недостаткам рассматривае­ мых схем следует отнести увеличение диа­ метральных габаритов турбины, а также некоторую сложность их конструктивного выполнения, в частности трудность сборки

и разборки турбины. Схемы / и II отли­ чаются наибольшей конструктивной про­ стотой, но вместе с тем и пониженной ра­ ботоспособностью ступеней. Схема I II за­ нимает промежуточное положение между остальными. Многоступенчатые турбины ТРД большей частью выполняются по схе­ ме II. В турбовинтовых двигателях часто используются также схемы III, IV и V.

Установим приближенное соотношение между наивыгоднейшей окружной скоро­ стью колеса и числом ступеней турбины со ступенями давления. С этой целью при­ мем условно для всех ступеней одинако­

лоперепада из-за возврата тепла12 в последующих ступенях). При указанных условиях наивыгоднейшая скорость вращения для

где hcm — располагаемый теплоперепад в ступени.

1 В действительности благодаря различным значениям угла oj , коэффи­ циентов о и ф, степени реактивности и других величин для каждой ступени