Схема и принцип работы ступени турбины

Ступень газовой турбины в ГТД состоит из неподвижного соплового аппарата (СА) и расположенного за нимвращающегося рабочего колеса (РК) (рис. 6.1). Рассечем ступень цилиндрической поверхностью В-В и развернем это сечение на плоскость. В результате получим сечение решеток профилей СА и РК (рис. 6.2). Рассмотрим характерную форму профилей, межлопаточных каналов и течение газа через эти решетки.

На входе в сопловой аппарат газ имеет давление р ₀, температуру Т ₀ и скорость с ₀. Лопатки СА имеют большую кривизну. Угол a₁, под которым выходит газ из СА обычно равен 20 … 30 ^о. Поэтому поперечное сечение каждой струи газа, прошедшего через межлопаточный канал СА, на выходе из него оказывается меньше, чем на входе (f _1a < f ₀). Так как скорость с ₀ меньше скорости звука, уменьшение площади сечения межлопаточного канала приводит к росту скорости газового потока и, соответственно, к падению его давления и температуры (рис. 6.1), подобно разгону потока в суживающемся сопле.

 

Рис. 6.1. Схема ступени газовой турбины						Рис. 6.2. Течение газа в ступени газовой турбины

Вектор скорости газа на входе в рабочие лопатки (в относительном движении) равен разности векторов скоростей  и . Рабочие лопатки также имеют большую кривизну, причем их передние кромки (во избежание срыва потока) ориентируются по направлению вектора .

Ступени турбины принято разделять на активные и реактивные. В рабочем колесе активной ступени турбины относительная скорость w практически остается (по модулю) постоянной (так как давление газа перед и за РК одинаково). В реактивной ступени давление газа в рабочем колесе падает () и, соответственно, относительная скорость газа растет (w ₂ > w ₁) (рис. 6.1), так как межлопаточные каналы РК суживающиеся (f _2к< f _1к, рис. 6.2).

Вектор абсолютной скорости газового потока за рабочим колесом  определяется как сумма векторов относительной скорости  и окружной скорости лопаток . Выход газа из ступени турбины на расчетном режиме близок к осевому, т. е. угол a₂  близок к 90°.

При обтекании лопаток рабочего колеса давление на корытце каждого профиля выше, чем на спинке. Поэтому на каждой лопатке РК возникает аэродинамическая сила Р. Окружная составляющая этой силы Р _u создает крутящий момент на валу турбины, а осевая составляющая Р_а воспринимается опорным подшипником ротора турбины.

Рис. 6.3. Треугольники скоростей ступени газовой турбины

При обтекании лопаток рабочего колеса давление на корытце каждого профиля выше, чем на спинке. Поэтому на каждой лопатке РК возникает аэродинамическая сила Р. Окружная составляющая этой силы Р _u создает крутящий момент на валу турбины, а осевая составляющая Р_а воспринимается опорным подшипником ротора турбины.

Треугольники скоростей в сечениях 1 - 1 и 2 - 2 обычно совмещаются на одном чертеже (рис. 6.3), называемом треугольником скоростей ступени турбины.