Глава 5 газовые турбины

5.1 Типы газовых турбин

Газовой турбиной называется лопаточная машина, в которой происходит отбор энергии от газа и преобразование ее в мощ­ность на валу, используемую для привода компрессора, воздушного винта и агрегатов двигателя.

На рис. 5.1 представлена принципиальная схема турбины. По­добно компрессору она состоит из ряда ступеней. Количество их в ТРД достигает трех, в ТВД и ТРДД — семи. Каждая ступень имеет неподвижный лопаточный венец — сопловой аппарат (СА) и вращающееся рабочее колесо (РК). Диски РК, имеющие венцы рабочих лопаток, вместе с валом образуют ротор, а СА вместе с корпусом — статор турбины. Кольцевой тракт от входа в СА до выхода из РК называют проточной частью турбины, форма ее в продольном сечении турбины называется меридиональным сечени­ем проточной части.

П о схеме преобразования энергии газовая турбина обратна компрессору. Поступающий на турбину сжатый и нагретый газ в СА расширяется, благодаря чему уве­личивается его скорость. В большинст­ве случаев газ продолжает расширять­ся на лопатках РК. Большая часть ки­нетической энергии, полученная в СА и РК, преобразуется в механическую работу вращения РК.

Расширение газа в СА может быть полным или частичным. В первом слу­чае, когда газ расширяется до давле­ния, равного давлению за турбиной, турбина называется активной. Во вто­ром, когда газ продолжает расши­ряться на рабочих лопатках, турбина называется реактивной. Из-за низкого КПД активные турбины в ГТД не нашли применения.

В турбине, изображенной на рис. 5.1, направление потока в меридиональном сечении параллельно оси турбины. Такие турбины называемые осевыми, получили наибольшее распространение благодаря высокому КПД, относительно малой массе и габаритным размерам. Но при небольших расходах оказывается предпочтительным применение более простых и дешевых радиальных тур­бин, в которых направление потока перпендикулярно оси турбины! Радиальные центростремительные турбины применяют в малоразмерных ГТД, служащих для привода агрегатов, в том числе турбонасосных агрегатов ЖРД.

Изображенная на рис. 5.1 турбина принадлежит к турбинам со ступенями давления: в ней давление уменьшается постепенно от первой до последней ступени. В отличие от нее в турбинах cо ступенями скорости, в последующих ступенях используется полу­ченная при расширении кинетическая энергия газа. Из-за невысо­кого КПД таких турбин, объясняющегося большой скоростью газа, выходящего из СА первой ступени, турбины со ступенями скоро­сти в ГТД не применяются.

5.2. Работа расширения газа в турбине

В идеальной турбине, где нет гидравлических потерь и тепло-1 обмена, килограмм газа, расширяясь, совершает работу £_ад._т,1 определяемую как изменение энтальпии газа за вычетом приращения кинетической энергии

где Т_т._ад — температура газа в конце адиабатного расширения.

В диаграмме р—v изображается площадью гт_АДаb (рис. 5.2). Предполагая, что газ перед турбиной имеет скорость, равную нулю, получаем

Если то тогда работа максимальна

Но скорость газа на выходе из турбины не равна нулю даже в I идеальной турбине, поэтому всю работу расширения нельзя превратить в механическую работу.

Разность энтальпий c_р(T_г*—Т_т._ад) представляет собой располагаемую энергию газа — меру максимально возможной работы 1 газа при отсутствии потерь энергии с выходной скоростью с_т. Она I называется адиабатным располагаемым теплоперепадом в турбине или изоэнтропической работой турбины по статическим параметрам газа

Произведя преобразования, подобные выполненным в подразд. 3.2, и учитывая, что р_г*/р_Т = _Т — степень понижения давления в турбине, получим

Из уравнения (5.4) следует, что L_TS зависит от Т_г* и _т и уве­нчивается с их возрастанием.

В реальной турбине на преодоление Гидравлических потерь затрачивается энергия газа, которая, в конечном счете, превращается в тепло и воспринимается газом, поэтому процесс расширения в ре­альной турбине протекает не по адиаба­те, а по политропе с подводом тепла (n<γ). Так как действительная темпера­тура в конце процесса расширения T_т > T_т.аД, а конечное давление одинаково лак в идеальной, так и в реальной турби­не, то удельный объем газа в конце расширения стал больше и ли­няя расширения протекает правее адиабаты (рис. 5.2). Площадь гтаb представляет собой политропную работу расширения газа в турбине

больше L_TS на некоторую величину — дополнительную ра­боту, получаемую из-за подогрева газа.

Работа расширения газа в реальной турбине (работа турбины) определяется из уравнения энергии

Так как затраты на преодоление гидравлических сопротивлений значительно больше дополнительной работы ΔL_v , то работа в ре­альной турбине получается меньше, чем L_TS. Она равна разности L_пол = L_TS+ ΔL_v и работы, затрачиваемой на преодоление гидрав­лических сопротивлений L_r.

Беря в качестве начальной температуры температуру затормо­женного потока газа, можно уравнение (5.5) записать следующим образом

Величина h называется используемым в турбине теплоперепадом.

Используя параметры торможения в уравнении (5.1) не только на входе, но и на выходе из турбины можно получить выражение для изоэнтропической работы турбины по параметрам затормо­женного потока (адиабатного располагаемого теплоперепада по параметрам заторможенного потока газа)

Или

Где

Применяя параметры торможения можно получить и выражение для работы турбины (действительного теплоперепада, используе­мого в турбине по параметрам заторможенного потока газа),