Файл: Кононов, Н. И. Газовые турбины. Теория и расчет учебное пособие.pdf

то между различными слоями газа в пограничном слое возни­ кает трение. На преодоление этого трения затрачивается часть располагаемой энергии движущейся среды. Потери на трение существенно зависят от режима течения в погранич­ ном слое. Движение газа в пограничном слое на профиле может быть ламинарным или турбулентным. Потери на трение в турбулентном пограничном слое могут в несколько раз пре­ вышать потери энергии в ламинарном пограничном слое. По­ этому одной из задач профилирования является необходимость создания таких профилей лопаток, у которых на возможно большей длине пограничного слоя имело бы место ламинарное движение.

Потери на трение в решетке в значительной степени за­ висят от качества (шероховатости) поверхности профиля, поэтому при изготовлении сопловых и рабочих лопаток боль­ шое внимание уделяется обработке этих поверхностей. Харак­ тер и толщина пограничного слоя находятся в соответствии

сраспределением давлений и скоростей по профилю. Потери на трение пропорциональны квадрату скорости и

увеличиваются с ростом толщины пограничного слоя. В по­ граничном слое на выпуклой поверхности профиля, начиная от точки С и до выходной кромки, сосредоточивается основ­ ная часть потерь на трение во всем пограничном слое по выпуклой и вогнутой поверхностям профиля, так как в этом месте (район косого среза) наибольшая толщина погранично­ го слоя и большие уменьшающиеся скорости потока. Таким образом, одной из составных частей профильных потерь явля­ ется потеря на трение и вихреобразование в пограничном слое, которая оценивается коэффициентом 2,Тр. Эти потери в настоящее время могут быть определены расчетным путем по известному распределению давлений по профилю. Теорети­ ческие методы расчета потенциального течения через решет­ ку и полуэмпирические методы расчета пограничного слоя позволяют эту часть задачи решить с удовлетворительной точностью.

54

Вторую часть профильных потерь составляют вихревые по­ тери за выходной кромкой. Они зависят от конструкции вы­ ходных кромок профиля и поэтому должны быть учтены как профильные потери. Сход потока с выпуклой и вогнутой по­ верхностей профиля .у выходного фронта решетки явяяетоя по существу отрывом потока от кромок профилей решетка. Вихре­ вой след, образующийся за кромками, требует для своего образования и поддержания затраты кинетической анергии потока. Этот след взаимодействует с пограничными слоями потока, вышедшими из канала, а также я с ядром потока.Это приводит к выравниванию скоростей., давлений а углов иотока за решеткой. Кромочные следы за выходными кромками мож­ но условно разбить на три участка: начальный участок, рас­ положенный непосредственно за кромкой, где образуются пе­ риодически срывающиеся вихри; основной участок, на протя­ жении которого происходит активное взаимодействие с ядром потока; участок полного выравнивания, начинающийся в ток сечении, где кромочные следы соседних профилей встречает­ ся. Схематическая картина потока за выходными кромками представлена на рис. 20. Практически выравнивание потока происходит на расстоянии ( 0 ,8 - I ,0 ) t от решетки. Потеря на образование и выравнивание вихревых следов за выходны­ ми кромками определяется экспериментально и оценивается коэффициентами £ кр. Лопатки газовых турбин, работающих в области высоких температур (700-800°С), изготавливаются о толщиной выходных кромок 0,25-2,0 ым и более.

Третьей составной частью профильных потерь могут быть потери, связанные с отрывом пограничного слоя от поверхно­ сти лопатки. Отрыв пограничного слоя у входной кромки на выпуклой поверхности иди у входной кромки на вогнутой по­ верхности успевает ликвидироваться в процессе течения в самом канале. Этот случай имеет место при неблагоприятных углах атаки на нерасчетных режимах работы решетки. Наи­ более неприятен отрыв на выходной части выпуклой поверхяо-

55

сти профиля. На участках пограничного слоя, где имеется положительный градиент давления, происходит замедление потока и создаются благоприятные условия для роста толщи­ ны пограничного слоя. В этих случаях кинетической энергии потока в пограничном слое может нехватить для преодоления возрастающего давления, вследствие этого возникнут обрат­ ные течения и произойдет отрыв пограничного слоя (рис.21).

Практически это связа­ но с неудачной конст­ рукцией формы профиля или неудачным подбором параметров решетки. В результате отрыва по­ граничного слоя вихре­ вые элементы из него попадают в основной поток, вызывая допол­ нительные потери. Эти

потери можно находить только экспериментально.

Укажем еще одну составляющую часть профильных потерь. Начиная с некоторых значений дозвуковых скоростей потока, входящего на лопатки, на выпуклой поверхности лопаток образуется область сверхзвуковых скоростей, которые при дальнейшем движении потока переходят опять в дозвуковые. Но переход сверхзвуковой скорости в дозвуковую происходит скачкообразно с образованием так называемого скачка уплот­ нения, вызывающего дополнительные потери, и в большинстве случаев отрыв пограничного слоя. Учет связанных с этим явлением потерь производится экспериментально. Надлежащим профилированием турбинных лопаток можно снизить эти поте­

ри.

Профильные потери определяются только опытным путем и возможна приближенная их оценка для некоторых частных случаев. При безотрывном обтекании профильные потери мож­ но рассматривать как сумму потерь на трение в пограничных

56

нии решетки, вызванные трением в пограничном слое и вихреобразованиями в кромочном следе за выходными кромками, называют профильными потерями.

Величина профильных потерь, кроме параметров потока, зависит и от правильного выбора геометрических параметров лопаток: формы профиля, шага, ширины лопаток и толщины вы­ ходных кромок.

Перечисленные геометрические параметры определяются при проектировании профилей турбинных лопаток с помощью теоретических и, главным образом, экспериментальных мето­ дов профилирования турбинных лопаток.

Применявшиеся ранее в турбостроении решетки характери­ зовались большими профильными потерями. Так, для направ­

щее время для хорошо обтекаемых профилей реактивных реше­ ток профильные потери уменьшены до 1,5-2,5%, а для актив­ ных до 3,5-6%.

Хорошо обтекаемые профили имеют скругленные входные и выходные кромки. Вся поверхность профиля, в том числе

у концов лопаток. Поток вблизи ограничивающих поверхно­ стей уже не будет плоским.

57

В каналах турбинных решеток конечной высоты поток имеет пространственный характер. Здесь возникают вторич­ ные течения, создающие дополнительные потери энергии. При­ чиной образования вторичных токов в ыенлопато^ных каналах являются вязкость газа и поперечный градиент давления по сторонам профиля.

потери энергии. Эти потери могут быть почти целиком отне­ сены за счет обтекания выпуклой стороны лопатки. Условно концевые потери можно разделить на три составные части:

58

а) потери на трение в пограничном слое на торцевых стен­ ках, увеличенные вследствие вторичных перетеканий к вы­ пуклой поверхности; б) потери в утолщениях пограничного слоя на выпуклой стороне лопатки; в) потери от компенси­ рующих течений и неравномерности потока по высоте решетки.

Опытами установлено, что концевые потери зависят от формы профиля и канала, от геометрических размеров решет­ ки и режима потока - угла входа fit , чисел М и Re, а также распределения скоростей по высоте канала на входе в решет­ ку. Эти потери определяются экспериментально.

Однако наибольшее решающее влияние на концевые потери

- А,

имеет относительная высота лопатки 4,=-^-. Опытами установ­

лено, что при относительной высоте лопатки А, > 1,0 конце­ вые потери сосредоточиваются на определенном участке от концов лопаток. Протяженность этих участков ограничена некоторой длиной, не зависящей от высоты лопатки. При из­ менении высоты лопатки абсолютное значение концевых по­ терь будет неизменным ц=соп£&и неизменным останется ради­ альный размер возмущенной этими потерями части основного потока газа. П^и этом потери на остальной части высоты лопатки остаются постоянными, равными профильным потерям, что и показано на рис. 24. Аналогично будет изменяться и угол выхода потока из решетки.

При таких условиях невозмущенная часть основного поточка будет уменьшаться с уменьшением высоты лопатки и уве­ личиваться с ее увеличением. Если абсолютную величину концевых потерь о ^ , сосредоточенную у концов лопатнр, равномерно распределить по всей высоте лопатки, то полу­ чим относительную концевую потерю. Относительная концевая потеря (потеря, отнесенная к располагаемой энергии всего потока) оудет увеличиваться с уменьшением высоты лопатки и уменьшаться с ее увеличением. Следовательно, увеличение высоты лопатки при неизменном абсолютном значении конце­ вых потерь будет все больше снижать относительное значе-

52.

яие и при бесконечно большой высоте канала их значение

опытный коэффициент.

В основном концевые потери определяются опытным путем. Опытами, проведенными в ЦКТИ, установлена зависимость кон­ цевых потерь для обандаженных лопаток от безразмерного критерия Эйлера:

60