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

В этом случае при входе в решетку образуются так называемые головные скачки. Головные скачки создают дополнительные вол-

щей решетке при различных числах yW,

новые потери. Структура головных скачков и величина потерь, вы­ званных ими, зависят от скорости потока на входе в решетку, от

Таким образом, головной скачок является Х-образным. В точке А наблюдается отрыв пограничного слоя, который сохраняется

41

до выходного сечения межлопаточного канала. Причем граница вихревой зоны, появившейся в результате отрыва пограничного слоя, и вогнутая поверхность соседнего профиля образуют фиктив­ ный канал практически постоянной ширины. Положение и протя­ женность вихревой зоны зависят от геометрических параметров ре­ шетки и скорости потока.

Пучок волн разрежения, идущих от выходной кромки соседней лопатки со стороны вогнутой поверхности ее, замыкается в точке С скачком III, расположенным выше кромки. За кромкой возникнет второй, кромочный скачок IV. В решетках с профилями, имеющи­ ми большую кривизну выпуклой части профиля за точкой С, поток ускоряется, скачок уплотнения III делается отсоединенным и сли­ вается со скачком IV в А-образный скачок, как показано на рис. 1-32.

§ 5. УГОЛ ВЫХОДА ПОТОКА ИЗ РЕШЕТКИ

Наряду с величиной потерь энергии в решетке к числу ее важ­ нейших характеристик относятся углы выхода потока си из напра­ вляющей или Рг— из рабочей решетки, определяющие величину окружных составляющих выходных скоростей потока в ступени, а следовательно, и окружное усилие, возникающее в ней.

Так же, как и на потери, на выходной угол оказывают влияние геометрические и режимные параметры решетки, поэтому величи­ на его для каждой решетки может быть установлена только экспе­ риментально.

Однако в результате обобщения большого количества опытов удалось установить, что в хорошо обтекаемых решетках при опти­ мальных значениях геометрических параметров и на докритиче-

При плохом обтекании решетки, вызванном дефектами профи­ ля или значительным отклонением геометрических параметров от оптимальных значений, формула (1-3) будет давать заниженные зна­ ния. Это объясняется тем, что в данном случае на выходной части выпуклой стороны профиля в решетке появляются значительные диффузорные участки с большим градиентом давления, на которых происходит взбухание пограничного слоя и оттеснение линий тока от выпуклой поверхности лопатки, в результате чего выходные углы так же, как это было при рассмотрении явлений на концах лопатки (см. рис. 1-8), растут.

Углы выхода потока будут возрастать и при увеличении чисел М на выходе из решетки (М! или М2) сверх критических значений.

42

В этом случае также будет наблюдаться взбухание пограничного слоя и отклонение линий тока от выпуклой части лопатки при пере­ сечении ими косых скачков, замыкающих местную сверхзвуковую зону. По опытам ЦКТИ, при изменении числа М от М = Мкр до

М= 1, выходной угол возрастает на величину, равную около 1°. Наиболее интенсивный рост угла выхода потока из решетки

происходит при значениях М > 1 , то есть когда имеет место рас­ ширение в косом срезе.

Увеличение выходного угла в косом срезе Аа\ (или Др2) может быть определено по приближенной формуле Г. Ю. Степанова [1,61], полученный с учетом волновых потерь путем применения уравне­ ний неразрывности, энергии и количества движения. При тонких выходных кромках для значений Acti(Ap2) < 10° эта формула име:- ет следующий вид:

в косом срезе от числа /И,, подсчитанная по формуле (1-4) для двух значений показателя изоэнтропы /е = 1,3 и k = 1,4.

«6. ПРОФИЛИ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК

Врезультате произведенного выше рассмотрения эксперимен­ тальных данных по исследованию турбинных решеток можно ви­ деть, что влияние изменения геометрических и режимных парамет­

ных значениях геометрических и режимных параметров решетки вид эпюры давлений определяется только профилем лопатки. По­ этому с началом развития газодинамики турбомашин теоретиче­ ские и экспериментальные исследования турбинных решеток были направлены, прежде всего, на отработку качества профилей тур­ бинных лопаток. Накопленный опыт исследований, основанных на положениях газодинамики, позволил получить новые турбинные профили значительно лучшего качества по сравнению с профи­ лями, применявшимися ранее в турбостроении.

44

Так, например, величина профильных потерь в турбинных ре­ шетках с новыми профилями уменьшена в решетках реактивного типа (направляющих и рабочих) с 4—6% до 1,5—2,5%: и в решет­ ках активного типа с 8—14%'до 3,5—6%!-

Рис. 1-35. Распределение давления по профилю в активной решетке. Кривая I — с профилями ста­ рого типа; кривая II — с новыми профилями

На рис. 1-35 показаны распределения давлений по профилю в активной решетке при старом профиле (кривая I) и при новом про­ филе, разработанном МЭИ (кривая II), а также представлена за­ висимость профильных потерь в решетке от угла Pi при том и дру­ гом профилях.

Более благоприятное распределение давлений по профилю в решетках с новыми профилями приводит также и к уменьшению концевых потерь.

45

Т а б л и ц а 1 Основные характеристики новых профилей направляющих

___________ и рабочих турбинных решеток_____________

* Один и тот же профиль путем поворота (изменения угла установки) и из­ менения шага может быть также применен для треугольников скоростей, соот­ ветствующих величине углов профилей двух соседних групп. Например, профиль Р1 может быть применен для углов, соответствующих профилю Р2, профиль Р2 — для треугольников скоростей, соответствующих профилям Р1 и РЗ и т. д.

46

На рис. 1-36 показано изменение концевых потерь в зависимости от высоты лопатки в решетках с профилями старого типа (кри­ вая I) и нового типа (кривая II).

Новые профили турбинных решеток для докритических режимов обтекания приведены в отраслевой нормали, разработанной ЦК.ТИ [50]. Их основные характеристики показаны в табл. 1.

Новые профили турбинных лопаток, отработанные различными организациями (МЭИ, ЦК.ТИ, ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова и др.) можно подразделить на следующие основные группы:

а) профили направляющих и рабочих решеток, предназначен­ ные для докритических режимов обтекания;

б) профили направляющих и рабочих решеток, обтекаемые на сверхкритических режимах (при возникновении на профиле мест­ ной сверхзвуковой зоны);

в) профили рабочих решеток активного типа, работающие при сверхзвуковых скоростях на входе в решетку.

Профили группы А выполнены для различных углов входа и выхода потока. Благодаря скруглению входной кромки профилей обеспечивается нечувствительность их к изменению входного угла потока в пределах до ±10н12° по отношению к оптимальному углу. Радиус скругления входной кромки, отнесенный к максималь­ ной толщине профиля, по данным ЦКТИ [14], принимается в пре­ делах 0,10 н- 0,15.

По данным МЭИ величина радиуса скругления, отнесенного к длине хорды, может выбираться в пределах 0 , 0 3 0 , 0 8 (меньшие значения радиуса принимаются при увеличении числа М). Выход­

ные кромки профилей также закругляются, при этом толщина их g

выбирается минимально допустимой в пределах 0,01 < -£ --< 0,02.

Существенным мероприятием, повысившим качество работы новых профилей, явилось оформление их обводов без резких скач­ ков кривизны. В этих профилях отношение радиусов двух смежных дуг окружностей, очерчивающих профиль, не превышает 3—4 у про­ филей рабочих лопаток и 4—5 у направляющих лопаток. При этом кривизна уменьшается к выходной кромке.

Профили группы Б создавались на основании принципов, имею­ щих много общего с принципами, положенными в основу при раз­ работке профилей группы А.

В этом случае еще большее значение, чем в предыдущем, имеетблагоприятный вид эпюры скоростей. От степени конфузорности или диффузорности эпюры скоростей в месте падения скачка зави­ сит толщина пограничного слоя перед скачком и результат взаимо­ действия пограничного слоя со скачком.

Для уменьшения количества и интенсивности скачков в межло­ паточном канале требования кшлавности обводов профилей в дан­ ном случае будут еще выше, так как резкое изменение кривизны

47

является причиной возникновения скачков. Особенно нежелательно сопряжение плоской поверхности с криволинейной, имеющей не-, большой радиус кривизны. Места сопряжений двух поверхностей различной кривизны должны располагаться таким образом, чтобы возникающие около них скачки находились за пределами межло­ паточного канала и не взаимодействовали с пограничным слоем противоположной стенки. При наличии сверхзвуковых скоростей в области косого среза для обеспечения устойчивости сверхзвуко­ вого потока и снижения степени перерасширения его в косом сре­ зе выпуклую часть профиля в этом месте необходимо описывать непрерывной кривой переменной кривизны, уменьшающейся к вы­ ходной части до нулевого значения, т. е. переходящей у выходной кромки в прямолинейный участок. Это будет также способствовать уменьшению интенсивности кромочного скачка.

Профили направляющих и рабочих решеток ЦКТИ и профили направляющих решеток ЦНИИ им. А. Н. Крылова, геометрические характеристики которых приведены в табл. 1, спроектированы и отработаны для докритических режимов, однако они в известной степени удовлетворяют требованиям к профилям группы Б. Поэто­ му эти профили находят применение и при числах М на выходе из решетки (Mi для направляющей и М2 для рабочей) больше крити­ ческих.

МЭИ разработаны специальные профили направляющих и ра­ бочих решеток, работающих с числами М > Мкр, но меньшими

1,25 н- 1,3.

Основные геометрические характеристики этих профилей даны в табл. 2.

Таблица 2

48

Профили направляющих и рабочих реактивных решеток груп­ пы Б, разработанные МЭИ, отличаются от соответствующих про­ филей группы А, представленных в табл. 1, в основном, только кри­ визной выходной половины выпуклой стороны профиля. В профи­ лях группы Б кривизна выпуклой стороны в выходной части про­ филя значительно меньше и доходит до нуля у выходной кромки.

На риЬ. 1-37 показано изменение потерь при увеличении числа в решетках с профилями ТС-2А и ТС-2Б. Как видно из этого рисунка, в решетках с профилями ТС-2Б потери остаются постоян­ ными до сравнительно больших значений Мь При малых же значе­ ниях Mi < Мкр потери в решетках ТС-2Б больше, чем в решетках

ТС-2А.

Рис. 1-39. Зависимость потерь в рабочей решетке актив­ ного типа от числа Мщ

На рис. 1-38 представлены профили рабочей лопатки активного типа группы А и группы Б. Как видно, последний имеет меньший радиус закругления входной кромки и меньшую кривизну выход­ ной части выпуклой стороны профиля.

На рис. 1-39 приведены зависимости потерь в активных решет­ ках от числа M2t на выходе из решетки.

Как видно из этого рисунка, потери в решетках с профилями группы А при М2< 0,95 ниже, чем в решетках с профилями груп­ пы Б, но интенсивный рост потерь в решетках группы А начинается при меньшем значении числа М2. При этом величина М2, при ко­ тором начинается интенсивный рост потерь в решетках группы Б,

зависит от величины шага t и угла установки (Зу .

Профили группы. В. При создании профилей данной группы ос­ новное внимание обращалось на уменьшение интенсивности голов­ ного скачка, чему способствует заострение входных кромок, и на отнесение возможно дальше внутрь межлопаточного канала точки отрыва пограничного слоя (точка А на рис. 1.32), так как ранний отрыв пограничного слоя и образование развитой вихревой зоны значительно увеличивают потери энергии. Для получения более позднего отрыва пограничного слоя необходимо возможно больше уменьшить перерасширение и ускорение потока на входной части выпуклой стороны профиля.

~Д - $ - - ы - Н -

Рис. 1-40. Профили группы В, разработан­ ные различными методами

Различными организациями: МЭИ, ЦНИИ им. А. Н. Крылова и ВТИ при создании новых профилей группы В были предложены способы, исключающие интенсивное перерасширение потока на вы­ пуклой части профиля.

Метод ЦНИИ им. А. Н. Крылова заключается в том, что вдоль выпуклой стороны профиля осуществляется поджатие потока до входного сечения канала. С этой целью входная часть выпуклой стороны профиля выполняется с некоторой вогнутостью или изло­ мом. Этот метод называется методом ступенчатого торможения по­ тока, так как в этом случае торможение потока осуществляется в

50