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

В решетках с I < 1 коэффициенты потерь в средних сечениях лопатки возрастают в результате взаимодействия противоположно направленных вторичных течений в местах взбухшего пограничного слоя на выпуклой части.

Минимальное значение высоты лопаток /min, при котором про­ исходит смыкание вторичных течений в межлопаточных каналах, зависит от типа, геометрических параметров и режима работы ре­ шетки.

Рис. 1-18. Изменение потерь по длине лопатки в активных решетках различ­ ной высоты

Опытами, приведенными в МЭИ [18] и ЦКТИ[14], было установ­ лено, что зависимости /min от безразмерной разности давлений

где р1 и р2 — давление перед и за решеткой; для различного типа решеток укладываются на одну кривую.

На рис. 1-19 представлена опытная зависимость Jmin =f(Api), полученная в МЭИ для лопаток различных типов. Как видно из

рисунка, при значениях Др1> 0,1 зависимость /т1п от Дрi являет­ ся линейной и может быть представлена формулой

Anin = 1,4 2 — 0 ,9 4 ДP i .

31

Н. А. Скнарь [14] для определения /min получил следующую формулу

При уменьшении относительной высоты лопаток до величины

4im обратно пропорциональная зависимость между коэффициен­ тами концевых потерь и относительной высотой лопаток нарушает­ ся в сторону увеличения коэффициентов потерь. Изменение же структуры потока в межлопаточном канале в этом случае приводит к изменению оптимальных значений шага и угла установки профи­ ля. Опыты показывают, что при смыкании вторичных течений в межлопаточном канале рабочей решетки малой высоты наимень­ шие потери (концевые) обеспечивает не конфузорный (равномерно

канал, у которого входная половина имеет диффузорную (расши­ ряющуюся) форму, переходящую в выходной части в конфузорную. Такая форма канала уменьшает поперечные градиенты дав­ лений, понижая интенсивность вторичных течений, а следователь­ но, и величину концевых потерь. Это явление было обнаружено в опытах X. Нипперта [49] ВТИ [2] и особенно детально исследовано в опытах МЭИ [19; 20].

Опыты показали, что величина оптимальной диффузорности входного участка межлопаточного канала, которую можно харак­

теризовать отношением ( ) [где ат — ширина межлопаточного

\/опт

канала в среднем сечении (см. рис. 1-20), а ах— ширна межлопа-

32

точного канала На входе] при дозвуковых скоростях течения, зави­ сит от общей конфузорности канала, характеризующейся отноше-

сечении), от относительной высоты канала — , а также от угла по-

CL2

ворота и радиусов кривизны выпуклой и вогнутой поверхностей лопатки. Причем наибольший эффект от применения диффузорноконфузорной формы межлопаточного канала получается в решет­ ках с большими углами поворота со и с малой реактивностью (в ре­ шетках активного типа).

Рис. 1-21. Распределение давления в двух турбинных решетках: в конфузорной решетке при ai < 1

решетке с диффузорно-конфузорными каналами при

Причины, приводящие к снижению концевых потерь в турбин­ ных решетках с диффузорно-конфузорными каналами, видны из рис. 1-21, на котором показано распределение давлений по профи­

лю в конфузорной решетке при — < 1 и в решетке с диффузорно-

а>

конфузорными каналами при отношении — , равном оптимальному ai

значению. Из распределения давлений, видно, что наибольший по­ ворот потока в диффузорно-конфузорном межлопаточном канале происходит при меньшей средней скорости, а следовательно, и при меньшей разности давлений между вогнутой и выпуклой сто­ ронами, чем в конфузорном канале. Это снижает интенсивность вторичных течений и уменьшает концевые потери. В решетках с

тельного шага приводит к изменению углов выхода потока из ре­ шетки и делает такую решетку очень чувствительной (с точки зре­ ния потерь) к возможным отклонениям от установленного значе­ ния шага. Более эффективным способом создания диффузорноконфузорной формы межлопаточного канала и уменьшения потерь в решетке малой высоты является внесение коррективов в исход­ ные профили турбинных, лопаток путем подрезки вогнутой поверх­ ности. При этом значение оптимального шага остается таким же, как и для исходных профилей, отработанных для решеток, имею­ щих нормальные длины лопаток. Пример изменения формы канала при подрезке вогнутой поверхности лопатки показан на рис. 1-23.

Опыты, проведенные с решетками лопаток различной длины, также показывают (см. рис. 1-22), что применение расширяющего­ ся во входной части межлопаточного канала целесообразно не

только в случаях / < /min, но и в решетках с более длинными ло­ патками в тех случаях, когда концевые потери являются превали­ рующими в общем балансе потерь энергии в решетке.

Предельная высота лопаток /пред, определяющая область ис­ пользования решеток с диффузорно-конфузорными межлопаточны­ ми каналами, зависит от кривизны канала, то есть угла поворота

о. Чем больше этот угол, тем больше будет /пред. С другой сторо­

ны, для постоянного значения I имеется определенное значение угла поворота, соответствующего началу области использования решеток с расширяющейся входной частью межлопаточного ка­ нала.

На рис. 1-24 показано полученное опытным путем влияние угла поворота потока на оптимальную величину С1п при относительной

35

высоте лопаток I = 1,18. Как видно, при этих высотах допаток це­ лесообразно применять диффузорно-конфузорные каналы при угле

поворота со > 109°.

Окончательное суждение о влиянии того или иного геометриче­ ского параметра на эффективность работы решетки корабельной турбины можно составить только при рассмотрении ее характери­ стик на переменных режимах, которые определяются различными значениями режимных параметров. Основными режимными пара­ метрами для турбинной решетки является угол входа потока в ре­ шетку pi и число М (считая процесс в решетке корабельной турби­ ны автомодельным по числу Re).

При изменении угла входа потока в решетку Pi меняется харак­ тер течения в межлопаточном канале, что приводит, в свою оче­ редь, к изменению потерь энергии в решетке.

Рис. 1-25. Распределение давления по профилю рабочей ре­ шетки активного типа при различных углах входа потока на решетку

На рис. 1-25 показано полученное в опытах МЭИ [18] распреде­ ление давлений по профилю активной решетки с большим углом поворота при различных углах входа потока. При уменьшении угла Pi по сравнению с конструктивным углом (положительный угол атаки), на входном участке выпуклой стороны профиля появляется диффузорная область со значительным градиентом давления; при этом существенных изменений в характере обтекания вогнутой сто­ роны не наблюдается. При увеличении угла Pi условия течения на входной части выпуклой стороны профиля улучшаются, оставаясь почти без изменений на выходной части.

На вогнутой стороне при увеличении Pi до 30° появляется диф­ фузный участок на входе, что может приводить к местному отры­ ву пограничного слоя и увеличению потерь энергии.

В соответствии с распределением давлений по профилю изме­ няются и потери энергии в решетке.

36

если Crain — коэффициент потерь при (3j = р1опт.

На рис. 1-27 дано сравнение опытных данных с результатами расчета по формуле (1-1) для активной решетки с профилями Р4-1 (А-26), разработанными ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова при двух значениях коэффициента с = 0,15 и с = 0,20. Как можно видеть из рисунка, при умеренных отклонениях угла Pi от оптимального зна­ чения наблюдается удовлетворительное совпадение результатов

Рис. 1-27. Сравнение опытных данных с ре­ зультатами расчета по формуле (1-1)

-------- опытные кривые

-------- расчетные кривые

расчета с опытными данными. При больших отклонениях pi от (3j

когда значительно ухудшаются условия обтекания, в результате расчета получаются заниженные величины коэффициента потерь. В решетках с большими углами поворота занижение еще больше. Особенно это резко выражено при малых углах рь то есть при больших положительных углах атаки, когда отрыв пограничного слоя распространяется на значительную часть выпуклой стороны профиля и потери энергии в решетке с уменьшением Pi быстро рас­ тут при одновременном росте выходного угла р2 (см. рис. 1-27).

38

Учитывая это обстоятельство, в случае отсутствия опытной зависи мости £ = /(Pi) и наличия необходимости определения коэффи ииента потерь при больших изменениях угла Рь можно рекомендо вать применение формулы (1-1) с переменным значением коэффициента с.

На основании обработки имеющихся опытных дан­ ных [50; 56] на рис. 1-28

даны пределы изменения с для решеток осевой турби­ ны и на рис. 1-29 — для центростремительной ради­ альной турбины.

Имея в виду, что С=

Влияние сжимаемости (параметра М) на потери энергии в тур­ бинной решетке при М\ < Мкр проявляются в основном в измене­ нии распределения давлений по профилю. С увеличением числа М

39

сравнительно большие диффузорные участки, увеличение числа М будет вызывать и увеличение потерь в решетке. В случае благоприятного распределения давлений на профиле в решетке при росте числа М до критических значений потери в решетке остаются без изменений либо несколько уменьшаются.

На рис. 1-30 и 1-31 приведены полученные опытным путем в МЭИ [18] кривые распределения давлений на профиле при различных числах М| и изменение профильных потерь в решетке в зави­ симости от числа М\ в двух направляющих решетках: менее совер­ шенной (рис. 1-30) и более совершенной (рис. 1-31).

Концевые потери в решет­ ках с благоприятным распре­ делением давлений по про­ филю уменьшаются при уве­ личении М в докритической зоне как за счет улучшения эпюры давлений с ростом М, так и за счет уплотнения по­ граничного слоя на поверхно­ сти межлопаточного канала.

Дальнейшее увеличение

значительно меньше при благоприятном распределении давления по профилю, так как в этом случае интенсивность скачков бу­ дет меньше и будут отсутствовать причины для набухания по­ граничного слоя.

Величина потерь энергии, появляющихся при возникновении на профиле в решетке сверхзвуковых скоростей может быть значи­ тельно уменьшена также в том случае, если решетку проектиро­ вать и отрабатывать специально для данных условий сверхкрити­ ческого обтекания, смещая возникающие при этом скачки за пре­ делы межлопаточных каналов.

Особые условия возникают при увеличении чисел М до таких пределов, когда скорости при входе в решетку превышают ско­ рость звука, что может иметь место в рабочих решетках ступеней с малой степенью реактивности и большим перепадом тепла.

40