3.4 Решетки турбин

Лопатки одной решетки устанавливают на равном расстоянии друг от друга. В одной решетке одинаковы размеры и тип про­филя лопаток, их шаг t,

угол и диаметр установки. Сектор коль­цевой решетки показан на рис. 3.9.

Если геометрические харак­теристики лопаток изменяются по высоте l (т. е. размеры и фор­ма лопаток переменны по радиусу), их называют лопатками пе­ременного профиля (иногда — закрученными, или винтовыми). В случае, если профиль лопаток по ра­диусу не изменяется, их называют ци­линдрическими или лопатками постоян­ного сечения. Аналогично называют ре­шетки из таких лопаток. Если кольцевую решетку, показанную на рис.3.9, рассечь цилиндрической поверхностью и получен­ное сечение развернуть на плоскость, по­лучим так называемому плоскую решетку профилей, образующую сопловые (рис.

3

Рис 3.9 Сектор кольцевой решетки

.10, а) и рабочие (рис.3.10,б) каналы, обо­значения которых имеют на рис. 3.10, а, б соответственно индексы 1 и 2. Канал, об­разуемый соседними профилями, делит­ся на три участка: входной — от линии входных кромок до сеченияО'; собственно канала — от сечения О' до расчетного выходного сечения О (в сужающихся ре­шетках сечение О называется горлом); косого среза — от выходного сечения О до линии выходных кромок. (см. рис. 3.10).

Рис 3.10 Сопловые (а,в) и рабочие (б) каналы турбинных решеток и их геометрические характеристики

Выпуклую часть профиля называют спинкой или стороной разряжения, а во­гнутую— стороной давления. Размеры профилей обозначают: хорду — b, шири­ну В, толщину выходной кромки — Δ_кр. Кольцевая решетка име­ет следующие геометрические характеристики: тип профиля ло­паток, угол их установки α_у или β_у, высоту l, средний диаметр d и шаг (где z — число лопаток). Для определения аэродинамических характеристик решеток прежде всего важны их относительные размеры: высота l=l/b, шаг t=t/b, длина 1/Θ = = l/d, толщина кромки а также эффективный (геометрический) угол.

Изменяя формулу профиля лопаток, шаг и угол их установ­ки, можно получить требуемую форму канала. Так, решетка, по­казанная на рис. 3.10, а, имеет суживающиеся каналы; их ширина на входе O'₁ значительно больше ширины O₁ на выходе. Решет­ка, показанная на рис. 3.10, б, имеет практически постоянное се­чение каналов. Решетка с каналами, которые сначала сужаются от O₁ до O_min,, а затем расширяются от О_min до min О₁ показана на рис. 3.10, в. Такие решетки имеют каналы типа сопла Лаваля и иногда используются при сверхзвуковых скоростях.

Основными параметрами сопловых и рабочих решеток, уста­навливаемых в паровых турбинах, являются:

скорость пара на выходе из решетки (число Маха М) М_1t=с_1t/а₁ и M_2t = w_2t/a₂ (где а₁ и а₂ — скорости звука, определяемые соответственно по параметрам пара на выходе из соответст­вующей решетки);

число Рейнольдса (число Re), характеризующее влияние сил вязкости, и (гдеb₁ и b₂—хорды; v₁ и v₂ — кинематические вязкости);

угол входа пара в решетку α_о или β₁;

влажность пара у=1—х (где х— степень сухости пара в со­ответствующих сечениях решеток).

Иногда кроме этих параметров используют также начальную степень турбулентности, неравномерность полей параметров, раз­меры капель влажного пара и др.

Применяемые в паровых турбинах решетки можно в зависи­мости от назначения, числа М, относительной высоты, веерности и других признаков разделить на несколько групп. Так, по на­значению решетки турбин подразделяют на сопловые (рис.3.11,а-г) и рабочие (рис.3.11,д-з). В пределах каждого из этих типов решеток их можно разделить на несколько групп по числу Маха.

На заводах при изготовлении паровых турбин подбирают со­ответствующие аэродинамические отработанные профили, исполь­зуя отраслевые нормали.

В зависимости от числа Маха принята следующая классифи­кация сопловых и рабочих решеток:

типа А (дозвуковые) при М<0,70,9;

типа Б (околозвуковые) при 0,9<М<1,15;

типа В (сверхзвуковые) при 1,1<М<1,3;

типа Р (расширяющиеся —сопла Лаваля) при М>1,3-1,5.

Рис 3.11 Реактивные сопловые (а,б,в,г) и рабочие (д,е,ж,з) решетки

Профили типа А (рис.3.11,а, д) имеют обводы с плавно меня­ющейся кривизной и образуют межлопаточные каналы, плавно суживающиеся к выходу. Профили типа Б (рис.3.11,б, е) имеют прямолинейные участки на спинке в косом срезе и образуют су­живающиеся каналы. Профили типа В (рис.3.11,в) имеют вогну­тую поверхность спинки в косом срезе и образуют суживающие­ся каналы. Профили типа Р (рис.3.11,г, д) образуют каналы ти­па сопла Лаваля.

Принята следующая система обозначения решеток. Первая буква С или Р указывает назначение решетки (сопловая или ра­бочая), следующие за ней через дефис две первые цифры — рас­четный угол входа в градусах, две вторые — угол выхода, а бук­ва после них — тип решетки по числу Маха. Например, обозна­чение С-90-15Б расшифровывается так: сопловая решетка с рас­четным углом входа 90°, угол α_1э== 15°, околозвуковая на число 0,9<М<1,15.

Для расчета и проектирования турбинных ступеней необхо­димо знать энергетические и аэродинамические характеристики сопловых и рабочих решеток, важнейшими из которых явля­ются:

коэффициенты потерь энергии _и (или соответственно коэффициенты скорости _{и ),}

коэффициенты расхода и,

углы выхода потока α₁ и β_2.

Энергетические и аэродинамические характеристики решеток зависят как от их геометрии, так и от режимных параметров. Существующие теоретические методы определения коэффициен­тов ξ, µ и угла выхода, особенно с учетом вязкости, сжимаемо­сти, влажности, нестационарности и неравномерности потока, весьма громоздки, трудоемки и недостаточно точны. Поэтому в настоящее время аэродинамические характеристики определя­ют чаще всего опытным путем или на основании обобщения экс­периментальных исследований.

Потери в решетках могут быть нескольких видов. Значитель­ную долю составляют профильные потери, которые определяют­ся в первую очередь трением пара в его пограничном слое и вихрями за выходной кромкой лопатки. Большие потери возни­кают также в концевых областях лопаток (концевые потери) вследствие трения пара на стенках, ограничивающих канал по высоте, и вихреобразования у концов лопаток. Кроме профиль­ных и концевых возникают другие потери, например от взаимо­действия решеток, влажности пара и т. д. Для оценочных расче­тов турбинных ступеней в большинстве случаев принимают ко­эффициенты скорости φ = 0,95-0,97 и ψ = 0,91-0,93, а также коэффициенты расхода µ=0,93-0,98 при работе на перегретом паре и µ=0,94- 1,04 — на влажном.