5.3.2 Особенности течения газа в решетках турбинных лопаток

Поток газа при прохождении через межлопаточный канал изменяет свое направление. Кривизна линий тока переменна по ширине канала и максимальна на спинке профиля. В связи с этим скорость газа уменьшается в направлении от спинки к вогнутой поверхности межлопаточного канала, а давление возрастает.

Из-за переменной кривизны и площади проходного сечения межлопаточного канала скорость изменяется также от входного сечения к выходному. Изменение скорости вдоль и поперек межлопаточного канала существенно влияет на характеристики пограничного слоя.

На рис. 5.3 представлено распределение скорости по периметру профиля. Оно определяет соответствующее распределение давления.

О

Рисунок 5.3 - Типичные распределения скоростей по периметру турбинных лопаток

бразование пограничного слоя на профиле начинается непосредственно от точки А разветвления потока (рис. 5.4), в которой линия тока нормальна к поверхности профиля, а давление равно полному давлению потока в относительном движении.

Вниз по потоку от точки А начинается нарастание пограничного слоя, скорость на внешней границе которого вдоль профиля лопатки существенно изменяется. Пограничный слой является ламинарным, его толщина стабилизируется.

Рисунок 5.4 - Схема развития пограничного слоя (а) на профиле турбинной лопатки и распределение по ее периметру локальных коэффициентов теплоотдачи (б)

На выпуклой поверхности профиля по мере удаления от входной кромки темп увеличения скорости замедляется. На большей части вогнутой поверхности профиля скорость на внешней границе пограничного слоя непрерывно возрастает. Распределение давления и скорости по профилю зависит от следующих параметров:

- угла поворота потока в решетке и диффузорности в косом срезе;

- шага решетки t/в;

- угла натекания на решетку (который изменяется на нерасчетных режимах);

- числа Маха потока.

Толщина ламинарного слоя, образовавшегося на входной кромке, по мере удаления от нее увеличивается.

На некотором расстоянии от точки разветвления потока ламинарный турбулентный слой теряет устойчивость и переходит в турбулентный. Координата точки перехода зависит от многих факторов и может быть определена из условия

откуда . (5.6)

Толщина турбулентного пограничного слоя в рассматриваемом сечении зависит от тех же параметров, что и ламинарного, а также от расстояния данного сечения от области перехода. Она увеличивается по мере удаления от области перехода.

Условия течения в сечениях решетки профилей, близки к корню и периферии лопатки, усложняются вследствие явления парных вихрей и перетекания через радиальный зазор.

5.3.2. Теплообмен между газом и поверхностью профиля лопатки

Величина коэффициента теплоотдачи от газа к профилю лопатки определяется как толщиной пограничного слоя, так и характером течения в нем. На участке А-н (рис. 5.4) величина коэффициента теплоотдачи монотонно снижается. Темп снижения уменьшается по мере удаления от критической точки.

Рисунок 5.5 - Распределение относительной скорости и локальных чисел Нуссельта по периметру лопатки в среднем по высоте сечения при i = 0:

1 – Re₂ = 2,32 10⁵; 2 – Re₂ = 3,02 10⁵;

3 – Re₂ = 5 10⁵; 4 – Re₂ = 6,75 10⁵

В области перехода на участке н-к (рис. 5.4) интенсивность теплообмена резко возрастает. Затем по мере увеличения толщины турбулентного пограничного слоя она уменьшается.

Показатель n уравнения (5.4) для ламинарного пограничного слоя равен 0,5 для турбулентного – 0,8.

Для турбины высокого давления значение на входной кромке составляет 6000÷10000 Вт/(м²К), а среднее значение по профилю 3000÷5000 Вт/м²К.

Пример распределения скорости и чисел Нуссельта по периметру лопатки представлен на рис. 5.5.

Расчет коэффициентов теплоотдачи обычно проводится для пяти участков профиля лопатки: I – входная кромка (область ламинарного пограничного слоя); II – спинка лопатки; III – область выходной кромки со стороны спинки лопатки; IV – корыто лопатки; V – область выходной кромки со стороны корытца лопатки. На каждом участке для определения значения коэффициента теплоотдачи используют критериальное уравнение

S, (5.7)

где - коэффициент, учитывающий вращение лопатки:

,

S - коэффициент, учитывающий особенности геометрии решетки профилей;

H - длина лопатки.

Рекомендации по выбору характерного размера L при расчете значений критериев Нуссельта и Рейнольдса, а также значения коэффициентов Z и q для различных участков лопатки приведены в таблице 5.1.

В предварительных расчетах можно считать, что вращение увеличивает теплоотдачу в 1,3…1,4 раза.

Рекомендации по выборы значений коэффициентов А и n в уравнении (5.7) для различных участков профиля лопатки приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.1 – Значения характерного размера и коэффициентов для различных участков лопатки

Участок профиля	Характерный размер	Z	q
I	Диаметр входной кромки, 2R	0,20	0,17
II, III	Хорда, b	0,80	0,42
IV, V	Хорда, b	0,87	0,37