Турбинная ступень с диффузором

4.1. Устройство и рабочий процесс.

Диффузоры предназначены для преобразования части кинетической энергии рабочего тела в потенциальную энергию давления.

Если предположить, то давление перед и за турбинной ступенью определяются внешними условиями, то установка диффузора за обычной ступенью приведет к понижению давления за рабочим колесом, так как давление за диффузором будет равно выходному давлению ступени без диффузора. На рис. 9 приведена схема ступени с диффузором и изменение давления и скорости по длине проточной части.

Рис. 9. Схема проточной части ступени с диффузором и изменения давления и абсолютной скорости по длине проточной части: - ступень без диффузора; --- ступень с диффузором.

Понижение давления в рабочей решеткой увеличивает располагаемую работу ступени, повышая ее тепловую эффективность. На рис. 10. представлен рабочий процесс турбинной ступени с диффузором. Из рисунка видно, что располагаемая работа повышается на величину L_д, что равносильно увеличению ее КПД. Изменение энтропии, вызванное внутренними потерями энергии в сопловой и рабочей решетках на диаграмме отмечено процессом А₁Д₁, а действительный процесс в диффузоре изображен линией Д₁Д₂.

Использование диффузора целесообразно в одиночных ступенях или последних ступенях группы. В первых и промежуточных ступенях группы энергия с выходной скоростью практически полностью используется в последующих.

Эффективность ступени с диффузором будет тем выше, чем больше скорость с₂ за рабочей решеткой. Увеличение скорости с₂ наблюдается при изменении режима работы, особенно при отклонении частоты вращения от номинальной. Однако, с увеличением скорости имеет место существенное изменение угла выхода потока a₂. Поэтому для обеспечения высоко КПД диффузора его следует выполнять лопаточным, а лопатки поворотными.

Потери энергии в диффузоре можно определить по формуле (см. рис.10):

, (4.1)

где -газодинамический КПД диффузора.

Рис. 10. Рабочий процесс в Si - диаграмме турбинной ступени с диффузором.

Увеличение располагаемой работы ступени с диффузором на величинуприведет к повышению КПД, если при этом увеличится внутренняя работа. Для увеличения внутренней работы ступени с диффузором должны выполняться три условия:

1) должна быть достаточно велика выходная энергия из рабочей решетки;

2) диффузор должен быть аэродинамически совершенен, т.е. иметь высокий КПД;

3) скорость с₃ должна быть существенно меньше с₂.

Третье условие сводиться к тому, чтобы сжимающая способность диффузора, определяемая отношением площадей f_д, была достаточно велика.

Поскольку , то

. (4.2)

Прирост внутреннего КПД за счет установки за ступенью лопаточного диффузора можно определить по выражению

. (4.3)

В уравнении (4.3) неизвестные величины определяются по уравнениям [8]:

;

;

;

,

.

В силу того, что с₂=с_2д формулу (4.3) можно привести к более простому виду:

. (4.4)

Формула (4.4) наглядно указывает факторы, обеспечивающие прирост КПД, вследствие добавления диффузора и позволяет произвести достаточно точную количественную их оценку.