книги из ГПНТБ / Ипатов Е.А. Теория и тепловые расчеты корабельных паровых и газовых турбин учебник

той в ядре потока. Результирующий поток в межлопаточиых кана­ лах вблизи торцевых плоскостей вследствие вторичных течений пред, ставляет собой две симметрично расположенные по высоте решетки области с противоположно направленным винтообразным течением.

На рис. 1-6 представлена схема вторичных токов в радиальном се­ чении межлопаточного ' канала. Вызванное вторичными течениями движение жидкости по выпуклой стороне лопатки при удалении от торцевых поверхностей затормажи­ вается под влиянием трения и сно­ сящего действия основного потока. В результате на некотором удале­ нии от торцевых поверхностей на выпуклой стороне лопатки проис­ ходит накопление подторможенной жидкости, которая, взаимодействуя с основным пограничным слоем в- этой части поверхности лопатки, вызывает резкое его взбухание.

лой стороны лопатки резко восстанавливается давление в на­ правлении основного течения в решетке, то вблизи этих поверх­ ностей диффузорный эффект значительно уменьшается (см.

рис. 1-5),

Описанные выше явления, происходящие вблизи торцевых по­ верхностей межлопаточного канала (по концам лопаток), вызы­ вают потери энергии, которые называют концевыми потерями.

21

Концевые потерн включают в себя следующие основные состав­ ляющие: а) потери на трение в пограничном слое на торцевых по­ верхностях; б) потери при перемешивании винтообразного течения по концам лопаток с основным потоком за решеткой (потери при выравнивании потока за решеткой); в) потери, явившиеся следст­ вием особенностей течения в местах взбухания пограничного слоя.

Как показывают опыты, проведенные в ЦКТИ [14], последняя составляющая является основной частью концевых потерь. Это ил­ люстрируется рис. 1-8, на котором показано изменение коэффи­ циента потерь по высоте лопатки.

толщин пограничного слоя. В местах вспучивания пограничного слоя выходные углы потока увеличиваются из-за оттеснения ли­ ний тока от поверхности лопатки и вследствие более раннего отрыва струй при обтекании задней кромки. Вблизи торцевых стенок, где пограничный слой значительно тоньше и в резуль­ тате вторичных токов составляющая скорости, направленная к выпуклой части лопаток, увеличена, углы выхода потока умень­ шаются.

22

Рассмотренные до сих пор явления, вызывающие концевые по­ тери, возникают вблизи торцов лопаток только в том случае, если торцевые поверхности примыкают непосредственно к торцам лопа­ ток. Если же торцевая поверхность расположена по отношению к торцам лопаток с некоторым радиальным зазором, как, например, в турбинных ступенях с необандаженными лопатками, то явления, вызывающие концевые потери у необандаженных концов лопаток, будут отличаться от только что рассмотренных явлений в решет­ ках с бандажом.

В необандаженной решетке происходит интенсивное перетека­ ние жидкости от вогнутой к выпуклой поверхности той же лопатки через, радиальный зазор между торцом лопатки и торцевой поверх­ ностью, ограничивающей зазор. Течение через радиальный зазор, имеющее большую скорость, взаимодействуя с основным потоком и со встречным течением в пограничном слое (от вогнутой сторо­ ны соседней лопатки к выпуклой стороне данной лопатки), свора­ чивается в вихрь. Этот вихрь по мере движения к выходному сече­ нию межлопаточного канала значительно усиливается. На образо­ вание вихрей и диссипацию их необходимы затраты энергии, кото­ рые и будут составлять концевые потери на необандаженных кон­ цах лопаток.

Вращение вихря происходит в непосредственной близости от выпуклой поверхности лопатки, вследствие чего происходит сдува­ ние вихрем пограничного слоя с конца лопатки в сторону радиаль­ ного зазора. В результате этого явления, а также из-за индуциро­ вания вихрем повышенных скоростей, обтекание участков выпук­ лой стороны лопаток, расположенных вблизи радиального зазора, происходит с большими скоростями, чем в среднем сечении лопат­ ки (рис. 1-9).

Рассмотрение явлений, вызывающих возникновение концевых потерь, показывает, что интенсивность вторичных течений и их вза­ имодействие с основным потоком, а следовательно, и величина кон­ цевых потерь (как и профильных) в значительной мере опреде­ ляется характером эпюры давлений на профиле лопатки. Особен­ но большую роль на величину потерь оказывает отсутствие или на­ личие диффузорных участков, место расположения этих участков на профиле и характер диффузорного эффекта.

В центростремительной ступени вторичные течения имеют ха­ рактер, отличающийся от характера явлений в осевых турбинах.

При проведении опытов в Казанском авиационном институте [66] было установлено, что в межлопаточных каналах рабочего ко­

23

леса центростремительной турбины образуется циркуляционное те­ чение, которое накладывается на основной поток. Направление циркуляционного течения обратное направлению вращения рабо­ чего колеса, а ось этого течения параллельна оси турбины. В про­ цессе изменения направления потока в рабочем колесе с радиаль­ ного на осевое ось циркуляционного течения перемещается парал­ лельно самой себе.

Циркуляционное течение взаимодействует со вторичными тока­ ми, возникающими вследствие разницы давлений между вогнутой

ивыпуклой сторонами рабочих лопаток. На рис. 1-10 представле­ на схема вторичных течений в рабочем колесе центростремитель­ ной турбины.

Укорня лопаток (точка А) направления течения, вызванного разностью давлений, и циркуляционного течения противоположны,

иони гасят друг друга. На периферии лопаток в пограничном слое

устенки Б вторичные токи ускоряются за счет циркуляционного течения, имеющего в данном месте то же направление.

Рис. 1-10. Схема вторичных течений в рабочем колесе центростремительной турбины

Вследствие взаимодействия вторичных течений у периферийных сечений лопаток в выходной части происходит набухание погранич­ ного слоя и местный отрыв потока с образованием вихря. Это яв­ ление приводит к увеличению угла выхода потока.

Многочисленные теоретические и, главным образом, экспери­ ментальные исследования течений в различных турбинных решет­ ках показали, что характер течения и величина возникающих при этом потерь существенно меняются при изменении режимных па­ раметров, профиля лопаток, геометрических параметров решетки и других конструктивных факторов турбинной ступени.

24

б) относительная высота лопатки / = -^— ;

г) относительная вогнутость профиля d = - ^ - и т. д.

Относительный шаг решетки является одним из важнейших параметров решетки, определяющих эффективность ее работы. Это обусловливается тем обстоятельством, что изменение шага приво­ дит к изменению формы межлопаточного канала. Пример такого изменения формы канала между лопатками, имеющими профиль

Рис. 1-12. Влияние шага лопаток на форму меж­ лопаточного канала

МЭИ [18] TP-ЗБ, представлен на рис. 1-12. Как видно, из этого ри­ сунка, при увеличении шага начало межлопаточного канала при­ обретает диффузорную (расширяющуюся) форму. Такое измене­ ние формы канала при увеличении шага приводит, в свою очередь, к ухудшению эпюры давления на профиле, а следовательно, и к увеличению потерь энергии.

На рис. 1-13 показано изменение характера распределения да­ влений на профиле ТН-2 [14] при увеличении шага. При увеличе­ нии шага заметно ухудшается обтекание выпуклой части профиля, так как по мере увеличения шага падение давления на ней увели­ чивается и минимум давления смещается внутри межлопаточного канала в сторону входной кромки. Следовательно, растет протя­

26

женность диффузорного участка и диффузорный эффект при обте­ кании его. Соответственно рост толщины пограничного слоя на вы­ пуклой части профиля делается более интенсивным и начинается ближе к входной кромке. В результате потери на трение в погра­ ничном слое растут. Увеличи­ ваются также и концевые по­ тери, так как при этом растет

При уменьшении относительного шага характер обтекания про­ филя делается более благоприятным, однако при чрезмерном уменьшении шага, как видно из рис. 1-12, межлопаточный "канал в своей выходной части приобретает резко выражен­ ную диффузорную форму (это относится главным об­ разом к решеткам активно­ го типа, в которых измене­ ние шага сказывается в большей мере на форме межлопаточного канала;

реактивные решетки с та­ ким малым шагом, при ко­ тором межлопаточный ка­ нал приобретает сходящерасходящуюся форму, не имеют практического при­ менения). В этом случае обтекание лопаток так же, как и при большом шаге резко ухудшается, профиль­

ные и концевые потери увеличиваются.

На рис. 1-14 представлено изменение давления по профилю А-1 активных лопаток с заостренными входными кромками при

двух значениях шага t [18].

27

Как видно из рисунка, градиент давления на диффузорных уча­ стках и протяженность последних при малом шаге значительно возрастают. Уменьшение шага, кроме того, даже при сохранений конфузорной формы по всей длине межлопаточного канала может вызвать увеличение суммарных потерь в решетке за счет изменения кромочных потерь. Величина кромочных потерь пропорциональна

пределение давлений в потоке и изменение структуры погранич­ ного слоя таким образом, что давление в начальном участке кро­ мочного следа уменьшается. Это приводит [18] к увеличению отно­ сительных размеров кромочного следа и интенсивности вихревого движения за кромкой, а следовательно, и к увеличению кромочных потерь.

Рассмотренная зависимость потерь энергии от шага пока­ зывает, что для каждой ре­ шетки должна существовать определенная оптимальная ве­ личина относительного шага, при' котором суммарные по­ тери в решетке будут мини­ мальными.

Для того чтобы иметь воз­ можность судить о влиянии небольших отступлений от от­ носительного шага на величи­ ну потерь энергии в турбин­ ной решетке, на основании обработки многочисленных опытных данных по исследо­

ванию современного облопачивания турбин построена обобщен­ ная кривая [57], изображенная на рис. 1-15. На оси ординат от­ ложено относительное изменение к. п.д. плоской решетки (без

ДГ: ^ОПТ t

где т)о — наибольшее значение к. п.д. решетки, соответствующее оптимальному шагу.

28

Величина оптимального шага для современного турбинного об-

-4- 1,0; для активных решеток t = 0,6 -f-0,7.

В результате обобщения тех же опытных данных, что и при по­ строении кривой на рис. 1-15, получена зависимость оптимального

значения относительного шага tQm рабочих лопаток от степени реактивности в ступени, представленная на рис. 1-16.

Форма межлопаточного канала, а следовательно, и потери энергии в решетке, в значительной степени зависят также от угла установки профиля (Зу. Поэтому величины относительного шага и угла установки профиля тесно связаны друг с другом.

При уменьшении угла установки уменьшается ширина выход­

ного сечения канала а, увеличивается значение относительной тол- 5

щины выходной кромки — и соответственно (рис. 1-17) увеличи­

ваются кромочные потери. Вследствие этого при уменьшении угла установки минимум суммарных потерь в решетке будет смещаться в сторону большего значения шага, то есть оптимальный шаг будет увеличиваться при уменьшении угла установки. Это обстоятель­ ство, а также изменение эпюры давлений на профиле при измене­ нии угла установки обусловливает для каждого профиля опреде­ ленную зависимость между оптимальным шагом и углом установ­ ки, то есть каждому значению угла установки соответствует опре­ деленная величина оптимального шага.

Задача определения оптимальных величин относительного шага и угла установки решается, как правило, экспериментально.

Ориентировочно оптимальный шаг при определенном угле уста­ новки или оптимальный угол установки при заданном шаге можно определить, если использовать известную из газодинамики прибли­

29

женную формулу для определения оптимального шага [27]. Соглас­ но этой формуле

Относительная высота лопаток I является геометрическим па­ раметром решетки, определяющим относительную величину кон­ цевых потерь.

Опыты показывают, что структура потока в межлопаточном ка­ нале при уменьшении высоты лопаток до определенных пределов, остается неизменной, следовательно, остаются неизменными при этом и абсолютные величины концевых потерь.

Поэтому в этих пределах уменьшения высот лопаток коэффи­ циенты концевых потерь (относительная величина концевых по­

терь) изменяются обратно пропорционально 7, то есть в зависи-

По данным Е. А. Гукасовой [14] коэффициент концевых потерь в этом случае равен

При некоторой малой высоте лопаток / = /mjn происходит смы­ кание вторичных течений, в результате чего структура потока в межлопаточных каналах меняется и область увеличенных потерь занимает всю среднюю часть канала.

На рис. 1-18 показано полученное в опытах МЭИ [71] измене­ ние по радиусу коэффициента потерь £ в активной решетке различ­ ной высоты. Из рисунка следует, что для данной решетки при

/ > 1,5 кривые = практически совпадают, имея в средней части лопатки горизонтальный участок, соответствующий профиль­ ным потерям.

* На первый взгляд эта формула противоречит сказанному выше относи­ тельно зависимости между шагом и углом установки, так как если не учитывать

значения выражения, стоящего в скобках, с уменьшением Ру уменьшается и <0птОднако с уменьшением ру увеличивается р1к и уменьшается Р2к, при этом вы­

ражение в скобках увеличивается в большей степени, чем уменьшается sin ру,

30