книги из ГПНТБ / Абрамов, В. И. Тепловой расчет турбин

2. Характеристики сопловых и рабочих решеток модельных одновенечных активных ступеней

но можно использовать подобные профили соответствующих ведом­ ственных нормалей. При подборе решеток ступени следует про­ верять угол входа потока на рабочую решетку, построив по расчет­ ным данным приближенные треугольники скоростей.

Рис. 11. Проточные части одно­ венечных модельных ступеней:

а — с цилиндрическими обводами сопловой решетки и бандажом ра­ бочих лопаток и с радиальными уплотнениями; 6 — с меридиональ­ ным профилированием верхнего об­ вода сопловой решетки (см. гл. IV); в — с рабочими лопатками без бан­

дажа

В процессе детального расчета каждой ступени на основании статистических данных по выполненным турбинам, а также из условий надежной работы турбины и обеспечения высокой эконо­ мичности ее, необходимо оценивать и правильно выбирать вели­ чины перекрыш лопаток, осевых и радиальных зазоров и число

20

пользуя размеры подобных ступеней выполненных конструкций турбин с последующими уточнениями согласно расчетам на проч­ ность диафрагмы и рабочих лопаток.

Величины перекрыт как по корневому диаметру ступени, так и на периферии можно брать по табл. 3. Следует иметь в виду, что величина оптимальной перекрыши зависит от осевого зазора между сопловой и рабочей решетками. Большему осевому зазору соответствует большая величина перекрыши. С увеличением высоты лопатки и среднего диаметра ступени необходимо увели­ чивать осевые зазоры с тем, чтобы не было задевания подвижных и неподвижных деталей.

К. гг. д, т]ол модельных ступеней

На рис. 12 приведены значения к. п. д. исходных модельных одно­ венечных ступеней активного типа. Эти кривые к. п. д. получены обобщением результатов испытаний одиночных ступеней в экспе­ риментальных турбинах различных организаций. При составле­ нии кривых к. п. д. модельных ступеней в основу положены ре­ зультаты экспериментальных исследований одновенечных ступе­ ней с профилями МЭИ. Для уточнения и корректировки отдельных характеристик модельных ступеней использовались также резуль­ таты испытаний ступеней с аналогичными профилями других организаций.

На рис. 12 приведены кривые к. п. д. лопаток т)оЛ в зависи­ мости от отношения скоростей и высоты сопл без учета исполь­ зования энергии выходной скорости (одиночная ступень). Кривые к. п. д. получены в результате обобщения данных испытаний одиночных ступеней различными организациями и составлены для ступеней с профилями МЭИ. Однако эти данные могут быть применены и для ступеней с профилями других организаций, аналогичных профилям МЭИ. Следует иметь в виду, что кривые рис. 12 получены на модельных ступенях с диафрагмой сварной конструкции и цилиндрическими торцовыми (бандажными) поверх­ ностями в сопловых каналах. Рабочие лопатки имеют цилиндри­ ческий бандаж.

21

В реальных ступенях конструктивные и режимные параметры колеблются в широких пределах. Основные кривые к. п. д. со­ ставлены по следующим данным конструктивных и режимных параметров:

Рис. 12. К- п. д. модельных ступеней активного типа

Если ступень имеет отклонения от перечисленных условий, то при расчете лопаточного к. п. д. ступени т]ол необходимо вводить

22

где k6, kE, kKp и т. д. — поправочные коэффициенты, учитываю­ щие отклонение конструктивных и режимных параметров от принятых значений для модельных ступеней. Следует отметить, что введение поправок по формуле (2) не является достаточно строгим, так как каждый из приведенных коэффициентов, как правило, представлен в виде зависимости от одного определяющего параметра, хотя в действительности поправочные коэффициенты являются функцией нескольких параметров; например, харак­ тер зависимости кг = / (е) будет определяться не только отноше­ нием давлений на ступень, но и степенью реакции ступени, отно­ шением скоростей Хф и другими факторами, т. е. ke = / (е, р, Хф, Re). Однако зависимость коэффициента ke от других факторов, как правило, значительно меньше, чем от основного фактора. Если другие параметры оказывают значительное влияние на поправочные коэффициенты, то следует учитывать это влияние.

Поправки, учитывающие влияние геометрических и режимных факторов на лопаточный к. п, д, ступени

Влияние отношения давлений на ступень* Одновенечные ступени чаще находят применение для сравнительно небольших теплоперепадов и, следовательно, работают в зоне дозвуковых скоро­ стей. Как известно, при дозвуковых скоростях сжимаемость по­ тока оказывает заметное влияние на потери в решетках.

В одновенечных ступенях при дозвуковых скоростях влияние отношения давлений на ступень проявляется главным образом вследствие изменения потерь энергии в сопловой решетке при изменении отношения давления ег [4]. Кроме того, частично это влияние связано с изменением степени реакции ступени при изменении отношения давлений е2 на ступень и, следовательно, с изменением величины утечек в ступени, а также коэффициента скорости рабочих лопаток.

Интегрально все эти факторы дают общую зависимость попра­

оказывает влияние степень реактивности ступени.

Следует также отметить, что при различных отношениях скоростей Хф степень влияния отношения давлений на к. п. д. ступени различная.

Влияние числа Re* Как правило, одновенечные ступени с по­ стоянным профилем по высоте устанавливают в качестве промежу­ точных в зоне с повышенным давлением пара, т. е. в зоне с боль­ шими числами Рейнольдса ReCl > 5-10®, при которых влияние Re не обнаруживается. Однако в некоторых случаях эти ступени

23

Рис. 13. Поправочные коэффициенты k£ и k Re для ступеней:

где Ьг — хорда сопловой решетки в м; с1(— теоретическая ско­ рость рабочего тела на выходе из сопловой решетки в м/с; v x — кинематический коэффициент вязкости рабочего тела (пара или газа) на выходе из сопловой решетки в м2/с.

Приведенные выше зависимости kRe = f (ReCl) получены обоб­ щением разных исследований ([4], [13], [18]).

Влияние хорды сопловых лопаток* Влияние хорды связано с изменением как профильных потерь, так и концевых при фик­ сированном значении абсолютной шероховатости поверхности лопатки и ее высоты 1г. Увеличение хорды снижает относительную шероховатость и, следовательно, уменьшает потери энергии.

Одновременно рост хорды Ьг приводит к увеличению конце­ вых потерь в решетке, так как уменьшается относительная вы­ сота лопатки. Таким образом, снижение потерь вследствие умень­ шения относительной шероховатости и увеличение концевых потерь из-за уменьшения относительной высоты обусловливает оптимальное значение хорды.

На рис. 14, а даны кривые поправочных коэффициентов &в, влияния хорды сопловой решетки на к. п. д. ступени т]ол в зави­ симости от хорды при различных высотах лопаток 1г и фиксиро­ ванной абсолютной шероховатости h = 0,015 мм. Принятое зна­ чение шероховатости в среднем соответствует обычной заводской обработке сопловых и рабочих лопаток. Увеличение шерохо­ ватости при значительном заносе лопаток солями снижает к. п. д. проточной части на 1,5—2,0%.

Следует заметить, что при высоте лопаток 25— 100 мм изме­ нение хорды в диапазоне 30—70 мм для чистых лопаток практи­ чески не влияет на к. п. д. ступени [8].

Влияние толщины кромок сопловых лопаток* Влияние толщины выходных кромок можно учитывать поправочным коэффициен­

том &KD, представленным на рис. 14, б в зависимости от относи-

/дкр\

тельной толщины выходной кромки. Зависимость &кр = f I — 1 по­ лучена на основе формулы Флюгеля

Коэффициент k уточнялся по результатам статических иссле­ дований решеток типа МЭИ. Имея в виду сравнительно слабое влияние толщины выходных кромок рабочих лопаток на к. п. д. ступени, а также чтобы не усложнять расчет, в настоящей мето­ дике толщина кромок рабочих лопаток не учитывается.

25

Влияние осевых и радиальных зазоров по^бандажу. Поправоч­ ный коэффициент /ее, учитывающий отклонение зазоров по бан­ дажу от их типовых значений для модельных степеней, опреде-

ляют по кривым рис. 14, в в зависимости от разности относи* тельных эквивалентных зазоров бэ/11— (бэ//1)т и веерности, т. е. от отношения dll

где 8В— осевой зазор по бандажу; бр — зазор в радиальном уплот­ нении бандажа; ру — коэффициент расхода в радиальном уплот-

26

нении; zy — число гребней в радиальном уплотнении; (6Э)Т— эк­ вивалентный зазор типовой ступени, к. п. д. которой представлен на рис. 12 и равен 1,0 мм.

Необходимо также иметь в виду, что поправочные коэффи­ циенты (рис. 14, в) относятся к ступеням с небольшой степенью реакции у корня рабочих лопаток.

Если ступень не имеет бандажа, поправочный коэффициент [61

где (бэ)т = 1,0 мм; рр — радиальный зазор по рабочим лопаткам в мм; рср — степень реакции на среднем диаметре; 1г — высота сопловой лопатки в мм.

Влияние диаметра. Влияние диаметра на к. п. д. ступени свя­ зано при прочих равных условиях с изменением веерности лопа­ ток, а также с изменением кривизны ограничивающих (торцо­ вых) поверхностей сопловых каналов.

Поправочный коэффициент, учитывающий влияние диаметра

Поправочный коэффициент, учитывающий использование энер­ гии выходной скорости. Использование энергии выходной скорости в последующей ступени учитывается поправочным коэффициен­ том kB.с, который следует вводить в расчет всех ступеней, за исклю­ чением тех ступеней, энергия выходной скорости которых не ис­ пользуется в последующей ступени.

Следует отметить, что коэффициенты kB с зависят не только от отношения хф, но и в небольшой степени от отношения давле­ ний на ступень е. При е = 0,70^-0,85 сжимаемость практически не изменяет величины kBC (рис. 14, г). При е < 0 ,7 следует повы­ шать приведенные значения kBC.

В диапазоне отношений скоростей хф = 0 35-ь0,60 для сту­ пеней давления, рассчитанных на хф == 0,42ч-0,52, энергия вы­ ходной скорости повышает к. п. д. промежуточной ступени; при уменьшении значения хф ниже 0,35 поправочный коэффициент становится меньше единицы, так как в этом случае к. п. д про­ межуточной ступени в отсеке становится ниже к. п. д. одиночной ступени из-за неблагоприятного угла натекания потока на сопло­ вую решетку последующей ступени.

Следует также отметить, что отклонение отношения площа­ дей F J F 1 и угла a j от их значений для типовой ступени не вносит существенных коррективов, т. е. в рекомендуемом диапазоне от­

27

няющемся отношении площадей F2/Fа и переменной энергией выходной скорости легко разрешается. Увеличению энергии

выходной скорости с2 соответствует снижение к. п. д. Цол оди­ ночной ступени, т. е. к. п. д. без учета использования энергии выходной скорости. При этом к. п. д. т]°л с учетом использования

выходной скорости для промежуточной ступени практически не изменится. Следовательно, в методике целесообразно пользоваться значениями к. п. д. т]дл, неизменными для переменных отноше­

ний площадей F 2/F1 и углов а ъ и кривыми kBC, не зависящими

бандаже, поправочный коэффициент kBC= 1.

Если угол а г рассчитываемой и типовой'ступеней имеет суще­ ственное различие, необходимо оценить потери с выходной ско­ ростью для одиночных и последних ступеней (например, построе­ нием треугольников скоростей для обеих ступеней) и разницу Д |в с учесть при определении к. п. д. одиночной ступени или последней

Т]ол — Г ] о л ^ б ^ г ^ к р ^ ^ в 1 ^ Ц е Д?в.с-

Расчет степени реакции одновенечной ступени

Как известно, для одновенечных ступеней с полным подводом степень реакции является функцией отношения площадей F2/Fx, отношения скоростей хф и отношения давлений е на ступень. Помимо отмеченных основных факторов существенное влияние на реактивность ступени оказывают также протечки из зазора между сопловой и рабочей решетками или подсос среды в этот зазор, число Рейнольдса ступени, отношение коэффициентов рас­ хода сопловой и рабочей решеток.

Для расчетов ступени по модельным характеристикам целе­ сообразно представить величину степени реакции на среднем диа­ метре в зависимости от отношения скоростей хф и отношения давле­ ний е для типовой ступени с фиксированными зазорами в проточ­

28

ной части. Для ступеней, отличающихся от типовой величинами отношения площадей F 2IFlt зазоров в проточной части и высотой сопла, необходимо ввести соответствующие поправки.

На рис. 15 дана зависимость степени реакции на среднем диа­ метре от отношения скоростей и отношения давлений для типовой ступени, характеризующейся следующими параметрами: F J F г =

= 1,75; Д = 48 мм; /2 = 52 мм; профиль С-9012А; а 1э = 12° 20';

Рис. 15. Степень реакции на среднем диаметре для типовой

ступени (КД-1-2А; FjF-x — 1,75; 11 = 48 мм; бэ = 1 мм; d = 1м)

профиль Р-3021А; рЯэ = 20° 44'; 6В= 1,2 мм; 6р = 0,8ч-0,9;

2у = 2.

Значения р для приведенной зависимости получены обобще­ нием ряда экспериментальных исследований МЭИ и турбинных заводов на аналогичных ступенях. При этом кроме непосредствен­ ных измерений степени реакции использовались также расходные характеристики ступеней р х<7, которые позволили получить наи­ более достоверные значения^ степени реакции на среднем диа­

метре.

Дополнительно значения степени реакции р проверялись расче­ тами по треугольникам скоростей при коэффициентах расхода для сопел pj = 0,97 и рабочих лопаток р 2 = 0,89-ь0,95 и при изменении р 2 в зависимости от отношения скоростей хф.

Приведенная на рис. 15 зависимость степени реакции типовой ступени от отношения скоростей хф и отношения давлений г

29