Распределение нагрузок (теплоперепада) по ступеням турбины.

Часто предлагается распределять теплоперепад с наибольшим нагружением первых ступеней, так как это приводит к значительному снижению температуры газа в них, чем облегчается работа последующих ступеней. Это обстоятельство особенно должно учитываться при проектировании высокотемпературных охлаждаемых турбин, где, благодаря такому распределению теплоперепадов, может быть сокращено число охлаждаемых решеток, уменьшена глубина охлаждения лопаток и, как результат, снижены соответствующие потери. Если к тому же выбрать схему проточной части с постоянным наружным диаметром, то и окружные скорости на первых ступенях получаются наибольшими, что позволяет эффективно сработать в них повышенные теплоперепады. При увеличенном теплоперепаде на последних ступенях получается более плавное очертание меридионального профиля проточной части (уменьшаются скорости в первых и возрастают в последних ступенях). Кроме того, при прочих равных условиях несколько увеличивается КПД турбины, поскольку КПД последних ступеней обычно выше, чем у первых (меньше влияние радиальных зазоров и концевых потерь в длинных лопатках).В зависимости от распределения работы между ступенями будут определяться не только геометрические размеры проточной части турбины и форма ее в меридиональном сечении, но и эксплуатационные характеристики турбины и двигателя (изменение КПД турбины в зависимости от изменения частоты вращения, запуск двигателя, приемистость и др.). Так, например, чем больше нагружена первая ступень двухступенчатой турбины, тем легче при заданной работе всей турбины выполнить вторую ступень с осевым выходом газа и тем меньше будет температура ее рабочей лопатки, которая из-за большей длины претерпевает большие нагрузки от воздействия центробежных и, зачастую, газовых сил, чем лопатка первой ступени. При уменьшении перепада давлений в турбине в первую очередь уменьшается перепад давлений на последних ступенях. Поэтому при малых нагрузках, особенно на режимах двигателя, близких к режиму малого газа, вторая ступень настолько недогружается, что может попасть в так называемый компрессорный режим. И чем больше ступеней в турбине, тем в большей степени это проявляется. В многоступенчатой турбине последняя ступень может попасть в компрессорный режим даже при сравнительно небольшом уменьшении частоты вращения турбокомпрессора против его максимального значения, так как в этом случае объемный расход газа через первую ступень турбины изменяется очень мало, и чем больше степень повышения давления в компрессоре на максимальных оборотах, тем в большем диапазоне их уменьшения он остается неизменным.

Такая турбина будет иметь плохие пусковые характеристики, т.е. запустить двигатель будет трудно. Исходя из этих соображений, желательно нагружать последнюю ступень турбины больше, чем первые.

С другой стороны, перегрузка последних ступеней турбины может изменить обычный характер изменения КПД турбины при изменении частоты вращения так, что максимальное значение КПД будет не на максимальных, а на меньших оборотах. Разумеется, что распределение работы между ступенями турбины зависит и от схемы проточной части в меридиональном сечении. Если, например, принять схему проточной части с постоянным наружным диаметром, то ясно, что передать на последнюю ступень работу, большую или такую же, как на первую, не удастся без заметного снижения КПД турбины на расчетных максимальных оборотах.

Широко используемые на практике рекомендации по распределению теплоперепада связаны с обеспечением направления потока за турбиной, близкого к осевому, и достижением хотя бы небольшой положительной величины реактивности на втулке r_вт. Первое из этих требований является весьма серьезным с точки зрения работы затурбинного устройства двигателя, а второе продиктовано желанием повысить устойчивость потока против отрывных явлений в прикорневых сечениях лопаток и увеличить h_т^*. Учет этих взаимосвязанных требований налагает строгие ограничения на нагрузку последней ступени, ибо для получения в ней заданной величины r_вт необходима определенная величина r_ср, для которой, в свою очередь, при a_т » 90° требуется вполне определенное значение параметра нагруженности u_ср/с_ад, увеличивающееся с ростом r_ср. При умеренных величинах параметра нагруженности турбины это однозначно ведет к разгрузке последней ступени турбины по сравнению с предыдущими.

Опыт также показал, что перегрузка передних ступеней может дать и более сильный отрицательный эффект, чем получается по расчету. Из-за возникновения в них отрывных течений происходят значительные нарушения потока, воздействие которых на параметры турбины теоретически трудно предсказать. Рекомендации по снижению теплоперепада в последней ступени при обычном подходе к ее проектированию могут не способствовать получению благоприятных условий течения в турбине и максимальной ее эффективности. Необходимо перераспределять теплоперепад в сторону большего нагружения последней ступени и использовать ступень с пониженной на среднем диаметре степенью реактивности и с уменьшенным радиальным градиентом статического давления в межвенцовом зазоре. Для выравнивания статического давления по радиусу в осевом зазоре предлагается использовать наклонные или криволинейные (саблевидные) в тангенциальном направлении сопловые лопатки в сочетании с их обратной закруткой по углу a_1эф. Такие лопатки позволяют существенно уменьшить вероятность отрывных течений и снизить потери энергии в ступени.

Проектируются турбины и с одинаковой нагрузкой всех ступеней. В многоступенчатых турбинах влияние КПД первой ступени на КПД турбины быстро ослабляется по мере увеличения числа ступеней, причем относительное влияние КПД первой ступени на КПД турбины практически не зависит от p_т^*, несмотря на рост нагрузки первой ступени с ростом p_т^*. Однако при фиксированном значении p_т^* отрицательное влияние снижения КПД первой ступени усиливается с увеличением числа ступеней турбины, при этом при достаточно высоких значениях КПД первой ступени может существовать некоторое оптимальное значение степени понижения полного давления в первой ступени, соответствующее максимуму КПД турбины.

Следовательно, при распределении нагрузок по ступеням многоступенчатой турбины возможны самые разнообразные принципы:

- одинаковые доли теплоперепада на каждую ступень;

- разгрузки последних ступеней (для достижения близкого к осевому выхода из турбины);

- большего нагружения последней ступени (с использованием пониженной на среднем диаметре степенью реактивности и с уменьшенным радиальным градиентом статического давления в межвенцовом зазоре);

- равномерная нагруженность всех ступеней, то есть u/с_ад = idem;

- разгрузка первой ступени, так как она имеет короткие лопатки, а следовательно, увеличенные концевые потери;

- перегрузка первой ступени для уменьшения температуры газа перед последующими ступенями и, следовательно, улучшение их теплового состояния и т.д.

Дата добавления: 2015-07-20