Основной характеристикой ступени газовой турбины является её К.П.Д. Он представляет собой отношение фактического теплоперепада в ступени к теоретически возможному. В идеальной газовой турбине предполагают адиабатический теплоперепад без потерь кинетической энергии, в результате чего работа расширения, располагаемая работа, может быть преобразована в полезную механическую работу.
В реальной турбине часть располагаемой теплоты теряется. Работа идеального процесса в Т-S координатах представляет собой Sab0c –количество подводимой теплоты. При нагревании рабочего тела в КС при Р = idem реальный процесс осуществляется по линии 0-1, и часть работы (теплоты) теряется вследствие необратимых потерь Se11’b (рис. 5.7).
Рис.5.7. Работа реального и идеального процесса сжатия.
В h-S координатах коэффициент полезного действия ступени представляет собой отношение действительной работы h(02) к располагаемой h0(02') (рис. 5.8).
(5.18)
Величина располагаемой работы определяется из уравнения истечения в адиабатном процессе. Если начальная скорость С0 = 0 и не учитывается разность положения центра тяжести, то из уравнения истечения получаем:
(5.19)
а величина располагаемого перепада
Рис. 5.8. Сопоставление идеального и реального
процесса расширения.
Разность теплоперепадов h0 – h = Δh – представляет собой величину потерь в ступени. Они (потери) представляют собой сумму потерь: потери энергии в направляющем аппарате, в рабочем колесе и с выходной скоростью (рис. 5.9).
· В направляющем аппарате
(5.20)
где h1 – теплоперепад, соответствующий абсолютной скорости С| на входе в рабочее колесо; ξ – коэффициент потерь энергии.
· Δh 2 = ξ 2· h 2 – теплоперепад в рабочем колесе.
· Δh 3 = ξ 3· h 3 = 
– потери энергии с выходной скоростью. Причем, оказывается, что Δh 1 и Δh 2, практически не зависят от скорости рабочего тела и остаются почти постоянными в рабочем диапазоне (ξ 1и ξ 2 определяются экспериментально).
Δh = Δh 1 – Δh 2 – Δh 3
или
(5.21)
Для активной ступени турбины, учитывая, что 
; φ – коэффициент скорости φ = 
.
Рис. 5.9. Коэффициент полезного действия ступени.
Выражение КПД ступени имеет вид:
(5.22)
,
где W1 = cos β1 = C1 cos α1 – U.
Учитывая, что для активной ступени W1 = W2, но в связи с потерями W1 = ψW2 и из треугольников скоростей 
. Обозначая 
получим:
(5.23)
Принимаем, что 
не зависят от х = 
. Определим максимум функции
(5.24)
т.е. 
. При α = 0, 
и при этих условиях К.П.Д. реактивной ступени имеет максимальное значение и
(5.25)
т.е. наибольшее значение КПД ступени получается, когда а = 0, т.к. U = 0,5 C. На практике а = 12-14°, т.к. меньшее значение получить трудно (малая толщина лопатки), то = 0,45-0,48 (рис. 5.8)
Для реактивной ступени рассмотрим частный случай, когда треугольники скоростей симметричны и следовательно C1 = W2 и W1 = С2, тогда:
(5.26)
и
(5.27)
и = х = cos α1
т.е. при α = 0, = 1 рис. (5.10).
Максимальное значение КПД реактивной ступени с симметричными треугольниками скоростей получается при соотношении окружной и абсолютной скоростей равным 1. Эти соотношения используются для определения зоны экономичной работы ступеней: активной и реактивной. Основными факторами, как видно из полученных соотношений является не величина скоростей, а их соотношение х = т.к. только при определенном значении К.П.Д. ступени достигает максимального значения. Причем оказывается, что существенное значение на К.П.Д. ступени оказывают коэффициенты скоростей φ и ψ.
Изменение К.П.Д. ступени при изменении φ при остальных неизменных величинах определяется соотношением:
(5.28)
а относительное изменение:
(5.29)
Рис. 5.10. Коэффициенты полезного действия
активной и реактивной ступени турбины:
а) активная; б) реактивная.
Т.е. изменение коэффициента скорости φ вызывает изменение К.П.Д. ступени в два раза больше. Т.е. если φ меняется на 10 %, то ηст на 20 %. Аналогичное влияние оказывает и коэффициент ψ,но его влияние в 4 раза меньше в связи с меньшим значением относительной скорости. Для обеспечения экономически выгодного режима работы турбины (в области работы 
) в принципе безразлично, за счет чего изменяется величина окружной скорости. Следует заметить, что величина абсолютной скорости С1 получается как результат преобразования теплоперепада в направляющем аппарате, и следовательно, характеризует работоспособность турбины (мощность N). Окружная скорость U характеризует быстроходность турбины (частоту вращения). В связи с тем, что эти величины имеют строго определенную зависимость, оказывается, что увеличение абсолютной скорости С1 (увеличение теплоперепада и мощности) приводит к необходимости увеличивать частоту вращения (n). В современных ГТУ С1 = 250 ÷ 350 м/с и выше, и следовательно, окружные скорости 120-170 м/с, поэтому даже стационарные ГТУ работают как правило с большой частотой вращения (n = 5000-7000 об/мин). Причем оказывается, что при уменьшении частоты вращения и неизменном теплоперепаде резко меняется х = , и, следовательно, ηст и ηе ГТУ. Именно этим объясняется высокая зависимость КПД ГТУ от частоты вращения. Наличие жесткой связи х = приводит к существованию предельного теплоперепада на ступени, т.к. для сохранения х = = idem при повышении С1 нельзя бесконечно увеличивать частоту вращения, т.к. лопатки турбины и так работают в жестких условиях (T3* = 750-1250). Причем оказывается, что для активной и реактивной ступени турбины при одинаковых частотах вращения в связи с различными значениями = 0,5; работоспособность (мощность) активных ступеней в 1,5-1,8 раза больше, чем у реактивных (теоретически в два раза), следовательно, при создании мощных турбин предпочтение, должно быть быть отдано активным ступеням, однако, газовые турбины, как правило, реактивные, причем степень реактивности возрастает по высоте лопатки, начиная от корня. Причиной этого является трудность осуществления активной ступени при наличии длинных лопаток, когда между ними проходят большие потоки рабочего тела, кроме того К.П.Д. реактивных ступеней выше активных. В условиях, когда по турбине необходимо сработать большие значения теплоперепада, чем допустимые для одной ступени, газовые турбины выполняются многоступенчатыми. При этом общий теплоперепад делят примерно на равные части между ступенями, которые выполняются как последовательные соединения этих ступеней в одном корпусе. Это дает возможность в одной многоступенчатой турбине реализовать большие значения теплоперепада при допустимых частотах вращения выходного вала и высоком общем значении К.П.Д. турбины.
Контрольные вопросы.
1. Перечислите основные элементы компрессорной ступени.
2. Что называют втулочным отношением ступени.
3. Какими параметрами характеризуется решетка профиля ступени?
4. При каком соотношении окружной и абсолютной скоростей достигается максимальный К.П.Д. реактивной ступени турбины?
5. Как влияют коэффициенты скоростей ψ и φ на К.П.Д. реактивной ступени турбины?
