Расширение газа в каналах, образованных решеткой профилей

Как указано выше, турбинная ступень состоит из двух лопаточных решеток - сопловой и рабочей, в межлопаточных каналах которых происходит расширение газа. В общем случае газ расширяется последовательно в обеих решетках (реактивный процесс), в частном случае - только в сопловой (активный процесс).

Рассмотренная в предыдущих разделах теория истечения газа из сопел применима к неподвижным (сопловым) и подвижным (рабочим) турбинным решеткам.

Сопловые решетки могут образовывать суживающиеся каналы (для дозвуковых или околозвуковых скоростей) или расширяющиеся сопла Лаваля (для сверхзвуковых скоростей). В обоих случаях проходным сечением, определяющим расход газа, надо считать сечение, имеющее минимальную площадь.

Рабочие решетки, как правило, выполняют конфузорными или с постоянным поперечным сечением по длине канала. Газ входит в эти решетки с относительной скоростью W₁, а выходит со скоростью W₂.

На рис.6.1 схематически изображен в координатах S-I процесс расширения газа в реактивной ступени. В турбинной ступени газ расширяется от давления Pо* до P₂ по условной политропе AoA₂. Располагаемая работа изоэнтропийного расширения газа в ступени определяется по формуле

. (6.1)

Адиабатная работа расширения в сопловой решетке зависит от степени реактивности ступени ρ

L₀₁ = (1-ρ)Lo.

Параметры газа на выходе из сопловой решетки по формулам приведенным в разделе 2.5.

Состояние газа при входе в рабочую решетку определяется точкой A₁. Адиабатная работа расширения газа в рабочей решетке составит

. (6.2)

Из уравнения энергии в относительном движении газа через рабочую решетку осевой турбины, для случая энергоизолированного от внешней среды течения без потерь

. (6.3)

Рис.6.1. Процесс расширения газа в реактивной ступени в диаграмме -si

Выражая состояние газа перед рабочей решеткой в параметрах торможения, найдем на диаграмме -si точку (рис.6.1) характеризующую это состояние и адиабатный перепад Поскольку то вместо равенства (6.3) можно записать

.

Для активного процесса в решетке L₀₂ = 0 и w_2t = w_l. Действительная скорость w₂ выхода газа из рабочей решетки меньше w_2t вследствие потерь. Как и для сопловой решетки w₂ можно определить через коэффициент скорости рабочих лопаток φ.

. (6.4)

По аналогии с формулой (5.3)

. (6.5)

Потери энергии на рабочих лопатках

. (6.6)

Для активного процесса в решетке

(6.7)

Состояние газа за решеткой рабочих лопаток можно определить по диаграмме -si или определить аналитически, подобно тому, как это делалось для сопел. Температура газа

(6.8)

Плотность и удельный объем можно определить по формулам

. (6.9)

Если ступень активная и расширение газа на рабочих лопатках не происходит, то Р₂ = P_1.

Как и в сопловой решетке, процесс истечения газа в решетке рабочих лопаток можно рассчитать по законам политропного расширения.

Аналогично формулам (5.9) и (5.10) для этого случая можно найти показатель условной политропы

, . (6.10)

В общем случае величина теплового перепада в сопловых и рабочих решетках переменна по их высоте. Поэтому приведенные выше соотношения надо рассматривать как средние по высоте лопаток или относить их к определенному сечению по высоте лопатки.