Турбинная ступень образуется из неподвижной (сопловой) и вращающейся (рабочей) лопаточных решёток.
В каждой решётке лопатки одинаковы, установлены под одним и тем же углом и расположены относительно друг друга на одинаковом расстоянии.
Все турбинные решётки – кольцевые.
Вначале рассмотрим решётки осевой ступени, где в меридиональной плоскости направление потока примерно параллельно оси ступени.
Рис.5
Рис. 6
На рис.5 показаны геометрические параметры кольцевых турбинных решёток – сопловой (а) и рабочей (б)в меридиональной плоскости:
· d – диаметр по среднему сечению кольцевой решётки (рис. 6);
· dk – диаметр в корневом сечении кольцевой решётки;
· dп - диаметр по периферии кольцевой решётки;
· l’ - высота лопатки на входе в решётку;
· l - высота лопатки на выходе из решётки;
· vк – угол наклона корневого меридионального обвода;
· vп – угол наклона периферийного меридионального обвода.
Развёртка цилиндрического сечения называется решёткой профилей, на выбранном диаметре d характеризуемой формой и размерами самого профиля и канала, образуемого соседними профилями.
Характерными размерами профилей являются:
· b – хорда профиля;
· ∆кр – толщина выходной кромки;
· ∆'кр - – толщина входной кромки;
· t – шаг профилей (), где z – число лопаток, расположенных на решётке;
· αу – угол установки профиля к фронту сопловой решётки;
· βу – угол установки профиля к фронту рабочей решётки;
· α0ск – скелетный угол входной кромки сопловой решётки;
· β0ск – скелетный угол входной кромки рабочей решётки;
· О – поперечное сечение канала, образованного соседними профилями решётки.
Сам канал делится на три участка:
1 – входной участок от линии входных кромок до сечения О’;
11 – собственно сам канал от О’ до О;
111 – от выходного сечения О до выходных кромок профилей (косой срез).
Выходное сечение О – называется горлом.
Выпуклая поверхность профиля называется спинкой, а вогнутая – корытом.
Все характеристики, относящиеся к входу в сопловую решётку, имеют индекс 0, к выходу из сопловой решётки – индекс 1, к выходу из рабочей решётки – индекс 2.
Абсолютные скорости, характеризующие обтекание сопловой решётки, обозначаются буквой с, а углы – буквой α; соответственно для относительного движения, определяющего обтекание рабочей решётки, обозначают скорости через w, а углы – через β.
Обычно в геометрически подобных решётках их геометрические размеры целесообразно выражать в безразмерных относительных величинах, называемых относительными геометрическими параметрами:
* - верность решётки;
* - относительная высота решётки;
* - относительный шаг решётки;
* - эффективный угол выхода из сопловой решётки;
* - эффективный угол выхода из рабочей решётки;
* - относительная толщина выходной кромки;
* - конфузорность канала сопловой решётки;
* - конфузорность канала рабочей решётки;
* - степень расширения канала;
Важной характеристикой решёток профилей является поворот канала:
(21);
(22).
Формы профиля и канала в первую очередь определяются безразмерной скоростью потока (числом М) на выходе из решётки М1t (или М2t) и углом поворота ∆α (или ∆β).
В зависимости от числа М рекомендуются следующие типы решёток:
* для М>0.7 – 0.9 – типа А (дозвуковые);
* для 0.9<М<1.15 – типа Б (околозвуковые);
* для 1.1<M<1.3 – типа В (сверхзвуковые);
* для М>1.3 – 1.6 – типа Р (расширяющиеся);
* для широкого диапазона чисел М – типа И (с изломом профиля).
Обозначение решёток следующее:
первые буквы С – сопловые или Р – рабочие;
число – среднее значение угла входа α0 (или β1) в градусах;
следующее число – среднее значение эффективного угла выхода α1э (или β2э);
последняя буква – тип профиля.
Пример, С-90-12Б обозначает сопловую решётку, предназначенную для околозвуковых скоростей, с углом входа и эффективным углом выхода .
Выходные площади кольцевых решёток можно определить из выражения: для кольцевых сопловых решёток
(23)
Если , то
. (24)
Для кольцевых рабочих решёток
. (25)
Если , то
(26)
Хотя турбинные решётки являются кольцевыми, более просто экспериментально получить аэродинамические характеристики плоских решёток, т.е. решёток с одинаковыми по высоте профилями и каналами, ограниченными плоскими стенками, нормальными цилиндрическим образующим профилей.
На рис. 6 показаны сектор кольцевой лопаточной решётки и плоский пакет решётки профилей. Преимуществом плоских решёток является возможность использования их характеристик для кольцевых решёток различных форм и размеров.
Основная характеристика – коэффициент потерь энергии:
для сопловой решётки
(27)
и аналогично для рабочей решётки
, (28)
где c1 и w2 – действительные, а c1t и w2t - теоретические скорости выхода из решётки ( для рабочей решётки – в относительном движении).
Другой важной характеристикой решётки является коэффициент расхода
, (29)
где G – действительный расход рабочего тела, Gt – теоретический расход рабочего тела.
И, наконец, для расчёта турбинной ступени требуются знания третьей характеристики – угла выхода потока из решётки α1 (или β2).
Аэродинамические характеристики определяются в зависимости от режимных и геометрических параметров решётки.
Режимными параметрами решётки являются :
1. скорость рабочего тела на выходе из решётки (число Маха)
и,гдеи - скорость распространения звука на выходе из сопловой и рабочей решёток.
2. число Рейнольдса, характеризующее влияние сил вязкости,
и , где ν1 и ν2 - кинематические вязкости на выходе соответственно из сопловой и рабочей решёток.