Число ступеней определяется не только максимально допустимой нагруженностью отдельных ступеней, но, во многих случаях, и условиями получения необходимых габаритных размеров колеса турбины и углов раскрытия ее проточной части. При меньшей нагрузки на ступень можно получить меньший наружный диаметр колеса который не должен существенно превышать диаметр компрессора, и меньший угол раскрытия, который не должен быть причиной возникновения срывов потока.
Длина турбины определяется по формуле
( 36 )
где - ширина -ой ступени.
Если определяется ширина только первой и последней ступеней,
( 37 )
В проточной части турбины существенно изменяются ( рис. 5 ) как величина так и направление вектора скорости движения газа. На выходе из сопловых аппаратов угол обычно составляет от 20 до и при этом скорость близка к критической
( 38 )
где и - показатель адиабаты и газовая постоянная;
- температура газа при его движении со скоростью распространения звука.
Для уменьшения угла раскрытия проточной части турбины ( рис. 4 ) и для улучшения кинематики потока скорость на выходе из лопаток рабочего колеса от ступени к ступени увеличивается, но как правило, не превышает 300 – 350 При этом угол на выходе из лопаток рабочего колеса в одноступенчатой турбине или последней ступени в многоступенчатой турбине во избежании повышенных гидравлических потерь в затурбинном устройстве должен быть близок к и обычно отличается от этого значения не больше чем на . Для первой и промежуточных ступеней многоступенчатой турбины отклонение вектора скорости от осевого направления может быть значительным и достигать .
В воздушно – реактивных двигателях для преобразования энергии с высоким КПД ступени турбины делаются реактивными, в которых газ расширяется как в сопловом аппарате, так и лопатках рабочего колеса. В связи с этим, как и в ступени компрессора, в рабочем колесе изменяется ( рис. 5 ) не только абсолютная скорость от на входе до на выходе, но и относительная от до , и работа реактивной ступени
( 39 )
а степень реактивности
( 40 )
Как и в формуле ( 39 ), здесь в целях упрощения работа ступени турбины приравнивается к работе расширения газа в ступени, которая нВ 2 – 4% больше первой, т. к. при расширении часть газа проходит через зазоры над лопатками.
В теории газовых турбин рассматривается также степень реактивности под которой понимается отношение располагаемых адиабатических теплоперепадов в рабочем колесе и в ступени, и которая связана с следующей зависимостью
где КПД ступени.
По высоте лопатки турбины степень реактивности существенно изменяется, но на среднем диаметре в ВРД она составляет от 0,3 до 0,4 на первой ступени и доходит до 0,5 на последующих. При КПД ступени из – за чрезмерно большой закрутки газа на выходе из лопаток рабочего колеса начинает снижаться.
3.2. Методика расчета первой ступени турбины
Кроме работы , которая определяются по формуле ( 35 ), исходным параметром для расчета первой ступени турбины является окружная скорость рабочего колеса, которая на среднем диаметре обычно составляет и выбирается в этом диапазоне с учетом ее зависимости от окружной скорости лопаток компрессора на внешнем диаметре
( 41 )
и следующих возможных величин коэффициента нагрузки ступени
( 42 )
верхний предел которых соответствует меньшим значениям КПД ступени.
Скорость истечения газа из соплового аппарата
( 43 )
где коэффициент в скобках может приниматься до 0,95 при и 0,8 при
Коэффициент скорости Критическая скорость определяется по формуле ( 38 ), где температура
( 44 )
и - температура заторможенного газа за турбиной.
В формуле ( 43 ) при выборе величины коэффициента в скобках необходимо также руководствоваться тем, чтобы отношение скоростей находилось в пределах 0,55-0,75.
Согласно плана скоростей ( рис. 5 ) осевая и окружная составляющие абсолютной скорости :
и ( 45 )
где угол выбирается с учетом данных п. 3.1 и того, чтобы отношение скоростей находилось в пределах 0,5 – 1,0.
Относительная скорость движения газа на входе в лопатки рабочего колеса
( 46 )
Угол характеризующей направление вектора скорости определяется из соотношения
( 47 )
Согласно формулам ( 39 ) и ( 40 ) на выходе из лопаток рабочего колеса абсолютная скорость движения газа
( 48 )
и относительная скорость
( 49 )
где степень реактивности по данным п. 3.1 выбирается для первой ступени в диапозоне 0,3 – 0,4 так, чтобы величина скорости получилась больше осевой но не выше 350м/с, когда турбина многоступенчатая.
Направление вектора скорости определяет угол , величина которого выбирается по данным п. 3.1. При этом ( рис. 5 ) окружная и осевая составляющие абсолютной скорости
и ( 50 )
Угол , характеризующий направление вектора скорости определяется из соотношения
( 51 )
Перед рабочим колесом термодинамические параметры воздуха ( температура давление и плотность ) определяются по формулам ( 1 ) – ( 3 ), где и принимается, что так как потери давления в сопловом аппарате незначительны.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.