9.3 Осевая турбина
Концептуально, легче понять работу турбины, чем компрессора, поэтому мы начинаем с рассмотрения турбины. Течение в роторе сложное, и было бы правильным рассматривать его как статор, но этот процесс очень сложный. К счастью, ещё давным-давно, был придуман метод, позволяющий с достаточной точностью смоделировать процесс для технических целей, который теперь успешно используется в газотурбинных и паротурбинных отраслях промышленности.
Для получения достаточно точных расчётов течения газа в технических целях применяют метод, суть которого состоит в использовании своей системы координат, установленной для ряда лопаток ротора и статора: при рассмотрении ряда статора используют неподвижную систему координат, а скорости при этом характеризуются как абсолютные. Для ротора используется система, которая перемещается с ротором со скорость U; здесь компоненты скорости характеризуются как относительные.
Рассмотрим основные параметры элементарной ступени осевой турбины. Параметры, относящиеся к охлаждению, составляют самостоятельную группу. Окружная скорость U является важнейшей величиной, определяющей не только газодинамические, но и конструктивные параметры турбин и непосредственно связана с частотой вращения nт и диаметром турбины D. Ее величина в значительной мере определяет ЭФФЕКТИВНОСТЬ, прочностные показатели и массу турбины, а иногда и необходимость применения охлаждения рабочих лопаток.
Как показано на рис. 9.3 и 9.4, элементарная ступень осевой турбины состоит из неподвижной решетки СА – статора – и расположенной после нее решетки РК – ротора, – перемещающейся относительно неподвижного СА со скоростью u. На рис. 9.5 изображены треугольники (план) скоростей элементарной ступени турбины, у которых принято, что u1=u2=u, хотя в общем случае элементарная ступень располагается по линии тока и r2≠r1, а следовательно, u1≠u2.
Принятая система отсчета углов определяет, что положительное направление окружной составляющей +c2u считается против направления вращения. Это удобно, так как такой случай наиболее характерен для применяемых на практике ступеней, у которых 2<90°. Укажем, что это сказывается на виде основных формул. Например, угол поворота потока в решетке РК и теоретическая работа элементарной ступени турбины записываются:
=180–(1+2); LU =u(c1u+с2u)=uсu,
а не =1–2, Hт=u(c2u–с1u)=uсu
как для элементарной ступени компрессора.
Рисунок 9.3. Осевая ступень турбины и треугольники скоростей.
Обратите внимание: отсчет углов в иностранном учебнике дается от осевого направления. Чтобы не затруднять последующее изучение турбомашин далее перейдем к отсчету углов от фронтального направления, а также к другим принятым в наших учебниках обозначениям.
Рис. 9.4.Схема расчетных сечений Рис.9.5 План скоростей
Существует
определенная номенклатура чисел М (или
) в
проточной части, являющихся важнейшими
газодинамическими параметрами,
характеризующими уровень скоростей и
потерь в элементарной ступени турбины.
Различают:
– число М на выходе из СА, где
,
– число М на входе в РК (по относительной
скорости);
– число М на выходе из РК (также по
относительной скорости), где
;
–
число М за ступенью (по абсолютной
скорости).
2. Безразмерное представление тяги. (8.3 17.4)