книги из ГПНТБ / Копелев С.З. Расчет турбин авиационных двигателей. (Газодинамический расчет. Профилирование лопаток)

шетки (b/t), угол набегания потока на лопатку (I), форма линий, очерчивающих профиль, форма межлопаточного канала, вели­ чина узкого сечения канала и т. д.

Соблюдение оптимальных значений этих критериев позволяет уверенно строить профили с высокими гидродинамическими ка­ чествами [18]. Основные рекомендации по построению профилей лопаток турбины с высокими коэффициентами полезного дейст­

где с — относительная толщина профиля.

Для приближенного определения густоты решетки можно также воспользоваться зависимостью угла поворота потока е=

=180— (ßi -(-ß2) от относительного шага и угла ß2 (рис. 5.1). Однако при построении решеток профилей авиационных газо­

вых турбин иногда из соображений обеспечения необходимой прочности лопаток приходится отходить от оптимальной густоты

вкорневых сечениях рабочих лопаток и развивать их площадь,

аплощадь профиля периферийного сечения выполнять как можно меньшей, отходя здесь от оптимальной густоты в сторону уменьшения.

Всопловых лопатках отход от оптимальной густоты чаще всего продиктован технологией их изготовления и конструктив­ ным выполнением турбины. Так, например, если внутри сопло­ вых лопаток проходят силовые связи (рис. 5.2), то для обеспе­ чения нужной для этого толщины профиля решетка получается, особенно у корневого сечения, более широкой, чем это диктуется оптимальным отношением хорды к шагу.

Так как оптимум по густоте для подавляющего большинства решеток профилей, применяемых в газовых турбинах авиацион­ ных двигателей, имеет относительно пологий характер, то неко­

к оптимальному значению в пределах, допустимых с точки зре­ ния потерь, может привести к отклонению от расчетного направ­ ления потока на выходе из решетки. Это особенно проявляется в решетке рабочего колеса у периферийных сечений лопаток.

107

2. Межлопаточный канал должен быть плавно суживаю­ щимся. Если это не удается осуществить, т. е. выполнение плавно суживающегося канала входит в противоречие с другими важ­ ными требованиями, предъявляемыми не только соображениями

из-за наличия технологических отклонений при производстве ло­ паток они превращаются у выполненных турбин в диффузорные с минимальным сечением, расположенным в любом (произволь­ ном) месте канала. Такие решетки, как известно, имеют сущест­ венные гидравлические потери и не обеспечивают расчетного на­ правления потока на выходе.

3. Угол атаки і (угол набегания потока на лопатку) должен выбираться в пределах от —2° до —6° для реактивных относи­ тельно редких решеток с малым радиусом скругления входной кромки профиля, что характерно для периферийных сечений ра­ бочих лопаток и встречается у лопаток соплового аппарата пос­ ледних и предпоследних ступеней. Для корневых сечений, где относительно густые решетки с довольно большим радиусом скругления входной кромки, можно допускать положительные углы атаки до +12°. Опыт показывает, что при сравнительно боль-

108

шой скорости газа на входе Mlw = 0,65^-0,70 решетки профилей корневых сечений рабочих лопаток имеют небольшие потери

при положительных углах атаки. Этим пользуются при профили­ ровании решеток для то­

го, чтобы получить конфузорный межлопаточный канал, ибо в корневом се­

У лопаток соплового аппарата, особенно пер­ вых ступеней, имеющих большие радиусы скругления входной кромки и ма­ лые скорости на входе, из­ менение угла атаки в пре­ делах + 10° практически не оказывает влияния на потери в решетке.

4.Кривизна выпуклой

16° в зависимости от числа М2 потока газа на выходе из решет­ ки (меньшие значения угла бл соответствуют М2>1).

Рис. 5. 3. Изменение коэффициента фпр для решеток профилей с углом ß2=31° и раз­ личным углом бл

На рис. 5. 3 приведены результаты продувок в аэродинамиче­ ской трубе двух плоских решеток, составленных из профилей с различными углами блВидно, что у решетки с меньшим углом 0Л потери при М2<1 больше, а при М ^1,0 существенно меньше, чем у решетки с большим отгибом выходной кромки. К тому же

Ю

относительная толщина выходной кромки dz/а, где d2 = 2r2, можно допустить некоторое превышение ß2n(ai.n) над ß2(«О. Объяс­ няется это тем, что чем больше отношение d2/a, тем в большей степени наблюдается уменьшение угла ß2(ai) по сравнению

Сß2n (аіл)■

8.Угол заострения выходной кромки ф2 не должен превышать

6°. При больших значениях угла ф2 уже заметно возрастают по­ тери в решетке из-за увеличения неравномерности поля скоро-

сіей и полных напоров на выходе из нее. Это особенно сказы­ вается при относительно толстых выходных кромках (d2ja ^ t 0,1), характерных для корневых сечений лопаток.

9. Выходные кромки лопаток должны быть возможно тон­ кими, так как гидравлические потери в решетке прямо пропор­ циональны их толщине. Радиус скругления выходной кромки обычно выбирается в пределах г2= (0,03-^0,08)стах у корня и г2= (0,08-=-0,І6)стах на периферии лопатки.

Однако, несмотря на это, иногда все же приходится делать их достаточно толстыми из соображений прочности и технологии изготовления. Поэтому в каждом конкретном случае проектиро­ вания лопаток приходится решать вопрос о выборе толщины кромок. Нужно только во всех случаях позаботиться о том, чтобы

урабочих лопаток толщина выходной кромки (это же относится

ик входной кромке) уменьшалась от корневого сечения к пери­ ферийному настолько, чтобы с учетом допусков на изготовление

ill

исключить ее утонение в нижележащих сечениях. Этим исклю­ чается. одна из причин нестабильности частотных характеристик изготовленных лопаток, что важно с точки зрения их динами­ ческой прочности.

Соображения прочности лопатки, определяют, кроме разме­ ров сечений, их взаимное расположение, от которого в значи­ тельной степени зависит величина нескомпенсированных центро­ бежными силами изгибных напряжений в профильной части.

Обычно хорошей компенсации можно достигнуть при такой форме лопатки, когда центры тяжести сечений располагаются на прямой или близкой к прямой линии.

Помимо высоких аэродинамических и прочностных качеств, лопатки турбины должны обладать достаточной технологич­ ностью. Это качество является весьма важным, так как значи­ тельная доля трудоемкости газотурбинного двигателя прихо­ дится именно на лопатки турбины и компрессора. Поэтому про­ филирование лопаток обязательно должно вестись с учетом способа, которым они будут изготавливаться.

--Многие применяющиеся способы изготовления лопаток ока­ зывают определяющее влияние на форму профильной части и на

мер, методом точного литья, чеканки, электрохимической и элек­ троискровой обработки и т. п.), а также механическая обработка с применением объемного копирования. При этих способах изго­

112

товления к форме поверхностей профильной части никаких спе­ циальных технологических требований не предъявляется. Кон­ структор в этом случае имеет относительную свободу в выборе формы профилей для различных сечений лопатки.

Однако при проектировании лопаток не всегда представ­ ляется возможным удовлетворить в полной мере все перечислен­ ные требования. Так, например, часто бывает затруднительно получить площади профиля корневого сечения лопатки, диктуе­ мые требованиями прочности. Действительно, площадь профиля периферийного сечения рабочей лопатки при минимально допу­ стимой густоте решетки определяется его толщиной, уменьше­ ние которой в свою очередь ограничивается соображениями кон­ струкционной прочности материала и технологией изготовления лопатки. При этом не рекомендуется, чтобы относительная тол­ щина профиля (отношение максимальной толщины его к хорде) с= стйх/Ь, была меньше, чем 4,5%, ибо, как показывает опыт доводки и эксплуатации газовых турбин, профили периферийных сечений рабочих лопаток с меньшей относительной толщиной в значительно большей степени, чем другие, подвержены полом­ кам от резонансных колебаний высокочастотных форм. Таким образом, площадь профиля периферийного сечения для проекти­ руемой лопатки практически уже задана, а так как отношение площадей верхнего и нижнего сечений тоже задано величиной допускаемых напряжений ріастяжения (стр), то по существу ми­ нимальное значение площади профиля корневого сечения опре­ делено. Но если не удается получить требуемую площадь в пре­ делах, допускаемых густотой решетки (дальнейшее ее увеличе­ ние уже приводит к значительному росту потерь) и максималь­ ной толщиной профиля, при которой межлопаточный канал получается постоянного сечения (стах = /—а), то приходится идти на увеличение стах, уменьшая узкое сечениеканала (горла). Тогда стж> стах, так как аі< а.

Если (а—аі)/а^4°/о и если это уменьшение площади проход­ ного сечения в корневой части компенсируется соответствующим увеличением ее в других сечениях лопатки, то получающаяся при этом перестройка потока (по сравнению с расчетной), как показывает опыт, не приводит к заметным потерям в ступени Для такого случая на рис. 5.7 приведена экспериментальная за­ висимость 11*=/ ( « c p /c a ;J для ступени турбины с 0 СрМл = 5,6;

А л = 100 мм и а іс Р = 2 2 ° .

Во многих случаях встречаются затруднения и при профили­ ровании решетки соплового аппарата, у которой должны быть малые углы 6л = 5-^7°, ф 2^3° и такое соотношение конструктив­ ного и газового углов, при котором сцл^сц, так как при выбран­ ном ф2 чем меньше 6Л, тем <хіл больше сц.

Подобных примеров можно было бы привести достаточно много. Они говорят о том, что почти каждая проектируемая соп­

113

ловая или рабочая лопатка газовой турбины авиационного дви­ гателя представляет собой компромиссное решение задач, выдвигаемых требованиями газовой динамики, прочности и техно­ логии ее производства. Причем в зависимости от назначения тур-

Рис. 5.7. Изменение к. п. д. турбины в зависи­ мости ОТ «/Сад

бины, условий ее эксплуатации и назначения газотурбинного дви­ гателя в целом отдается предпочтение тем или иным из перечис­ ленных выше требований. Этим и объясняется и то обстоятель­ ство, что практически не удается непосредственно применить для вновь проектируемой турбины разработанные исследователь­ скими организациями решетки профилей, сколь эффективными они не были бы. Они могут служить только прототипами или образцами, показывающими для данного конкретного случая, ка­ кими средствами можно повышать аэродинамическое совершен­ ство профилей.

5. 2. ПОСТРОЕНИЕ ПРОФИЛЕЙ ЛОПАТОК

Для построения профилей сопловых и рабочих лопаток тур­ бины необходимо располагать следующими исходными данными.

1.Схемой проточной части турбины в меридиональном сече­ нии с выбранными на основании предварительных газодинами­ ческих и прочностных расчетов шириной и числом лопаток.

2.Газодинамическим расчетом турбины, включающим в себя расчет треугольников скоростей на трех диаметрах (корневом, среднем и периферийном).

форме профилей. Например, необходимость пропускать силовые связи или топливные и масляные коммуникации через сопловые лопатки с указанием минимального значения размеров, которые

114

должно иметь поперечное сечение лопатки; наличие бандажиро-

Корневое сечение выбираем на расстоянии 2—3 мм от начала переходной галтели от пера лопатки к полке. Это делается для того, чтобы можно было проконтролировать точность изготовле­ ния профиля.

Величина переходной галтели берется в зависимости от спо­ соба изготовления лопатки и ее размеров. На рис. 5. 11 приведен график, показывающий характер зависимости радиуса галтели от длины пера лопатки. Этими данными можно пользоваться при профилировании лопаток.

Верхнее сечение /•—I (см. рис. 5.10) выбирается на 2—3 мм ниже обреза лопатки. Остальные сечения располагаются между

115

нижним и верхним на одинаковом расстоянии друг от друга. Для сопловых лопаток берется 3 или 5 сечений, для рабочих — не ме­ нее пяти. Опыт показывает, что для надежного контроля точно­ сти изготовления рабочих лопаток максимальное расстояние между двумя соседними сечениями не должно превышать 25 мм.

Число сечений всегда выбирается нечетным из тех соображе­ ний, чтобы среднее сечение, по которому при профилировании можно судить, насколько будет отличаться у профилированной лопатки закон изменения по длине площади поперечного сече­ ния от заданного, приходилось на середину лопатки. Для разра­ ботки технологии изготовления лопатки строятся и задаются на чертеже для сведения профили двух дополнительных сечений вне профильной части лопатки (пера), расположенных выше перифе­ рийного и ниже корневого сечения. Эти сечения таки называются технологическими.

Как отмечалось выше, в настоящее время находят примене­ ние как аналитические, так и графические методы построения профилей лопаток.

Сущность аналитического метода построения профилей со­ стоит в том, что кривые, образующие профили лопаток (вогну­ тую и выпуклую часть) описываются полиномом п-й степени (п = 5^-7), коэффициенты которого находятся из граничных усло­ вий, определяемых требования гидродинамики, прочности и тех­

1 16