Турбинные решетки

Турбинная ступень образуется из неподвижной (сопловой) и вращающейся (рабочей) лопаточных решеток. В каждой решетке лопатки одинаковы, установлены под одним и тем же углом и расположены относительно друг друга на одинаковом расстоянии. Все турбинные решетки —кольцевые.

Рассматриваемые в этой главе решетки принадлежат главным образом осевым ступеням, где в меридиональной плоскости направление потока примерно параллельно оси ступени. Другие виды ступеней (радиальные и радиально-осевые) рассматриваются в .

Геометрическое представление о решетке дается меридиональным сечением и цилиндрическими сечениями — развертками— на одном или нескольких диаметрах (рис. 2.6). В связи с тем что по высоте решетки могут меняться как профиль, представляющий цилиндрическое (в развертке) сечение лопатки, так и его установка, а в кольцевой решетке обязательно меняется шаг — расстояние между соседними лопатками, цилиндрические сечения всегда различны по радиусу.

; высота (длина) лопатки на входе / и выходе

Развертка цилиндрического сечения называется решеткой профилей, на выбранном диаметре й характеризуемой формой и размерами самого профиля и канала, образуемого соседними профилями.

Характерные размеры профилей: хорда Ь, толщина выходной Акр и входной А^р кромок, форма спинки профиля в выходной части: выпуклая, прямая, вогнутая или сложная.

Очертание профиля

должно обеспечивать высокую эффективность обтекания и удовлетворять требованиям надежности. В некоторых случаях, например при изготовлении лопаток на фрезерных станках, профиль образуется несколькими дугами окружностей и прямыми, касательными к ним. Выбирая или заново проектируя профиль, определяют такие важные геометрические характеристики, как площадь профиля /, моменты инерции / и сопротивления IV относительно главных осей инерции XV и уу (рис. 2.7).

называется скелетным углом.

Канал, образуемый соседними профилями, делится на три участка: входной — от линий входных кромок до сечения О; собственно канал — от О до расчетного выходного сечения О (в суживающихся решетках называемого горлом) и от выходного сечения О до линии выходных кромок (косой срез).

Выпуклая поверхность профиля называется спинкой или стороной разрежения, вогнутая поверхность —- стороной давления.

; соответственно для относительного движения, определяющего обтекание рабочей решетки, обозначают скорости через уу, а углы— через р.

Поскольку в геометрически подобных каналах при одинаковых параметрах на входе и выходе характер потока сохраняется приблизительно одинаковым, не зависящим от абсолютных размеров решетки, целесообразно величины, определяющие форму канала, выражать в безразмерных относительных величинах, называемых относительными геометрическими параметрами.

  и относительная высота

  решетки, для решетки профилей (т. е.

— так называемый эф-

фективный угол выхода

, конфузорность канала сопловой решетки профилей

и рабочей решетки профилей

  канал снова расширяется до Ох (см. рис. 2.8, д, к).

, и решетки, сначала расширяющиеся, а затем суживающиеся (рис. 2.8, з).

Важной характеристикой решеток профилей является поворот канала

,

  В рабочих

  , таким образом,

  (или Лр).

В зависимости от числа М рекомендуются следующие типы решеток:

для М < 0,7 -г 0,9 — типа А (дозвуковые);

для 0,9<М<1,15— типа Б (околозвуковые);

для 1,1 < М < 1,3 — типа В (сверхзвуковые);

для М > 1,3 -г 1,6 — типа Р (расширяющиеся);

для широкого диапазона чисел М—типа И (с изломом профиля).

Обозначения решеток следующие;

первые буквы С — сопловые или Р — рабочие;

  (или ^) в градусах;

) в градусах;

последняя буква — тип профиля.

соответственно рассматриваются в

Для заданного профиля, меняя шаг и угол установки, можно изменить и -эффективный угол. Зависимости

  ) обычно прилагаются к чертежу профиля. Примеры этих зависимостей для решеток профилей С-90-15А и Р-30-21А приведены на рис. 2.9.

Выходные плошали кольцевых решеток определяются из выражений:

для кольцевых сопловых решеток

Для расширяющихся сопловых решеток определяется также площадь минимального сечения:

Хотя турбинные решетки являются кольцевыми, более просто экспериментально по лучить аэродинамичес кие                характеристики плоских решеток, т. е. решеток с одинаковыми по высоте профилями и канала ми, ограниченными плоскими стенками, нормальными ци линдрическим образующим профилей.

решеток является их

универсальность, т. е. возможность использования их характеристик (с определенными оговорками, как правило, поправками, см. § 3.2) для кольцевых решеток различных форм и размеров.

В результате теоретического, а чаще экспериментального исследования определяются аэродинамические характеристики плоских решеток.

Основная характеристика -коэффициент потерь энергии (2.24):

для сопловой решетки

и аналогично для рабочей решетки

где сх и и2 - - - действительные, а си и н*2, — теоретические скорости выхода из решетки (для рабочей решетки—в относительном движении).

Другой важной характеристикой решетки является коэффициент расхода

представляющий отношение действительного расхода пара С через решетку к теоретическому Сг (см. § 2.6). И, наконец, для расчета турбинной ступени требуется знание третьей характеристики—угла выхода потока из решетки а! (или 02).

Аэродинамические характеристики определяются в зависимости от режимных и геометрических параметров решетки.

Для перегретого пара режимными параметрами являются:

1)             скорость пара на выходе из решетки (число Маха)

—скорости распространения звука соответст-

венно на выходе из сопловой и рабочей решеток;

  где V! и у2 — кинематические вязкости на выходе соответственно из сопловой и рабочей решеток;

угол входа потока в решетку а0 (или §х)

начальная турбулентность Е0:

—средняя скорость установившегося движения; с

  — интервал времени осреднения;

5) неравномерность и периодическая Нестационарность поля скоростей и других параметров на входе в решетку.

В приложении 3 приведены упрощенные и обобщенные аэродинамические характеристики некоторых наиболее распространенных решеток, разработанных МЭИ. Эти характеристики могут использоваться в предварительных и учебных расчетах ступеней и при проектировании турбин.

Для анализа обтекания решетки профилей большое значение имеет распределение давления р и соответственно скорости с по обводу профиля. Это распределение показывает, какой поток в решетке—конфузорный или диффузорный, позволяет определить характер пограничного слоя, его характеристики, выявить возможность и место отрыва. Существует несколько методов теоретического расчета распределения давления р и скорости с в случае потенциального характера обтекания, т. е. в предположении безвихревого потока (без учета влияния сил вязкости). Во многих случаях характер этого распределения весьма близок к полученному экспериментально. Более сложны способы расчета реального, с учетом вязкости, обтекания решеток.

На рис. 2.11 представлено изменение давления по профилю для двух решеток сопловой и рабочей с малой конфузорпостью канала.

В сопловой решетке (рис. 2.11, а) на передней, входной кромке поток разветвляется. В точке разветвления скорость равна нулю и давление достигает наибольшего значения. За точкой разветвления при обтекании скругленной входной кромки поток ускоряется. Дальше распределение давления зависит от формы профиля и межлопаточного канала. На выпуклой поверхности (спинке) профиля рассматриваемой решетки продолжается интенсивное ускорение потока до точек 9 //в косом срезе решетки. На этом участке спинки давление р меньше, чем давление за решеткой /;,. На участке спинки между точками //и 15 давление повышается и у выходной кромки достигает величины, близкой к р1.

Характер распределения давления на вогнутой поверхности оказывается иным. Вслед за резким ускорением потока у входной кромки давление сохраняется почти неизменным До точки 27. Только вблизи выходной кромки наблюдается снижение р (точки 27—30) и, следовательно, новое ускорение потока.

Таким образом, на спинке и на вогнутой поверхности образуются области с отрицательным, нулевым и положительным градиентами давлений, т. е. с ускорением, неизменной скоростью и замедлением потока. В данной решетке область с положительным градиентом давления (диффузорная) имеется на выходном участке спинки профиля.

На основе рассмотренных в предыдущем пара1рафе особенностей обтекания криволинейной поверхности можно сказать, что наиболее бла! ©приятно конфузорное течение (с отрицательным градиентом давления <//><0). Здесь по потоку толщина пограничного слоя 5, начиная с точки 2 на спинке

профиля и с точки 27 на вогнутой стороне, увеличивается незначительно, а при некоторых условиях можно наблюдать даже -утонение слоя. Участок (1р^0 (точки 19 27) характерен ростом толщины слоя. Основное первоначаль-нос наращивание слоя происходит при обтекании входной кромки, где на небольшом участке давление р возрастает. На спинке профиля в косом срезе толщина слоя существенно увеличивается; здесь во многих случаях наблюдается турбулизация слоя, а в лиффузорной области, где Лр>0 (точки //- 16), возможен отры в слоя.

Схема образования пограничного слоя и изменения его толщины 5 при обтекании сопловой решетки показана на рис. 2.12. Здесь представлены случаи безотрывного течения и течения с отрывом. Для наглядности толщина пограничного слоя на рисунке утрированно увеличена.

Распределение давлений по профилю решетки активного типа, т. е. с малой конфузорностью канала, показано на рис. 2.11,6.

На входном участке спинки профиля происходит расширение потока, как и в сопловой решетке. Далее вновь происходит ускорение потока и давление

падает до минимального значения вблизи выходной кромки (точки 2, 3). Вслед за тем образуется лиффузорный участок, на котором давление повышается до р2 давления за решеткой.

На вогнутой поверхности давление также интенсивно понижается вблизи входной кромки, затем возрастает и потом медленно понижается до точек 21 22. В дальнейшем (за точкой 23) наблюдается интенсивное падение давления до р2.

Из-за менее благоприятных условий на входе в решетку, большого участка неизменной скорости потока, начала перерасширения (р<р2) еще до косого среза (точка 7) и более резкого повышения давления в диффузорной области следует ожидать, и но подтверждается опытами, что коэффициент потерь энергии при обтекании решетки активного типа будет выше, чем при обтекании сопловой решетки.

Распределение давления по профилю можно представить в виде векторной диаграммы, откладывая значения р по нормалям от линии профиля (рис. 2.13).

Как видно из рис. 2.11, давление рвот на вогнутой поверхности значительно выше, чем яа спинке рсп. Эта разность давлений создает окружное усилие, которое можно определить, проинтегрировав разность давлений но высоте / и длине обвода 5 каждого профиля:

где 5—длина обвода профиля; р -угол между направлением и и нормалью к элементу поверхности профиля с/5; I—высота лопатки.

  действующего на лопатку. Чем больше это усилие, тем эффективнее решетка.