Изображение процесса расширения газа

В СТУПЕНИ В p, v - И i, s - КООРДИНАТАХ

На рис. 6.4 и рис. 6.5 изображен процесс расширения газа в ступени газовой турбины в p, v - и i, s - координатах. Точка 0, лежащая на изобаре р = р ₀, соответствует состоянию газа на входе в сопловой аппарат. Линия 0 - 2 _ад изображает идеальный (адиабатный) процесс расширения газа в неохлаждаемой ступени. В i, s - координатах эта линия представляет собой вертикальную прямую. Действительный процесс расширения газа в ступени сопровождается гидравлическими потерями, приводящими к выделению теплоты трения и увеличению энтропии, и может быть условно представлен политропой 0-2, лежащей правее адиабаты. Точки 1 _ад и 1 изображают состояние газа на выходе из соплового аппарата в идеальном и реальном процессах. Сравнивая реальный и идеальный процессы расширения, протекающие до одного и того же давления, т. е. до изобары р = р ₂, следует подчеркнуть, что в реальном процессе температура и соответственно удельный объем газа оказываются более высокими, чем в идеальном.

 

Рис. 6.4. Процесс расширения газа в ступени газовой турбины в р, v - координатах			Рис. 6.5. Процесс расширения газа в ступени газовой турбины в i, s - координатах

Таким образом, если в компрессоре диссипация энергии (которую условно называют теплотой трения) приводит к увеличению работы, непосредственно затрачиваемой на сжатие воздуха (по сравнению с адиабатной), то в турбине, наоборот – диссипация энергии (теплота трения) приводит к увеличению работы, отдаваемой газом при его расширении, на величину, эквивалентную заштрихованной на рис 6.4 площадке, (обозначим её величину, как и теории компрессоров, ). Этот эффект носит название "возврата тепла" в процессе расширения. Однако, отмеченное увеличение работы расширения составляет всего 10 – 15 % от величины работы трения L_r и не компенсирует её.

В i, s - координатах процесс расширения газ в ступени турбины изображается, соответственно, линией 0-1-2, причем рост энтропии в этом процессе обусловлен наличием гидравлических потерь, т.е. необратимостью этого процесса.

В теории газовых турбин принято считать, что процесс расширения газа в ступени начинается не от , а от , т.е. от состояния заторможенного потока на входе в неё. Точка 0* лежит на продолжении вверх адиабаты 0 - 2 _ад, причем в i, s - координатах ее расстояние от точки 0 согласно уравнению сохранения энергии равно .

 

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СТУПЕНИ ТУРБИНЫ

Геометрические параметры

В ступени турбины различают:

- наружный D _т и внутренний D _вт диаметры проточной части на выходе из ступени (рис. 6.1);

- средний диаметр проточной части, определяемый как среднее арифметическое значений D _вт и D _т, т.е. D _ср = 0,5(D _т + D _вт);

- относительный диаметр втулки , равный обычно от 0,8…0,85 в первых ступенях многоступенчатых турбин до 0,6…0,55 в последних ступенях;

- высоту лопаток (на выходе из венца) , удлинение , где b – хорда лопаток венца, и относительную высоту лопаток h / D _ср.

Увеличение удлинения приводит к снижению массы ступени и, как правило, к повышению ее КПД. Но при этом возрастают изгибные и вибрационные напряжения в лопатках

Газодинамические параметры

Степенью понижения давления в ступени турбины называется отношение полного давления на входе в СА к статическому давлению на выходе из РК

.

В ряде случаев оказывается необходимым рассматривать также степень понижения давления в параметрах заторможенного потока

Значения  в турбинах ГТД существенно превышают те, которые имеются (в среднем) в ступенях осевых компрессоров, и обычно составляют 1,6 … 2,5, но могут достигать 3,0 … 3,5 и более.

Адиабатная работа расширения газа в ступени , называемая также располагаемым теплоперепадом Н (рис. 6.5), может быть определена из совместного рассмотрения обобщенного уравнения Бернулли для адиабатного процесса расширения газа в ступени 0^*-2 _ад и соответствующего уравнения сохранения энергии для ступени.

Согласно уравнению Бернулли для потока газа в адиабатном процессе 0 -2_ад, протекающем без потерь, работа , которая отводится от вала ступени, равна

 , (так как ).

Но согласно уравнению сохранения энергии в этом случае

.

Отсюда

,                      (6.4)

где с_р - среднее значение теплоемкости газа в процессе расширения. 0^* - 2 _ад. Заменив здесь с_р через соответствующий показатель адиабаты k _г и газовую постоянную R _г, будем иметь

,                                   (6.5)

где - степень понижения температуры газа в процессе. 0^* - 2 _ад.

Аналогично в параметрах заторможенного потока (рис.6.5)

,                                   (6.6)

где .

Между Н и Н ^* существует очевидная связь

Н^* = Н – 0,5 .                                           (6.7)

Действительным теплоперепадом h (рис. 6.5) называется падение энтальпии газа в ступени в реальном процессе расширения

.                                               (6.8)

Т.е. согласно уравнению сохранения энергии для неохлаждаемой ступени турбины

                                            .(6.9)

Аналогично в параметрах заторможенного потока

,                                      (6.10)

где h^* = h – 0,5 .