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

по надежности работы, экономичности, весам и габаритам. Тогда приходится идти на компромисс и обороты компрессор­ ной турбины уточнять или изменять в зависимости от харак­ тера требований, которые желательно удовлетворить при проектировании компрессора.

Учитывая трудности, которые иногда возникают при созда­ нии компрессоров на заданное число оборотов, число оборо­ тов турбины может выбираться из условий работы компрессо­ ра. Если турбина работает на гребной винт, то при выборе числа оборотов турбины учитываются особенности редуктора и его габариты при известной характеристике гребного вин­ та.

При расчете турбины может потребоваться изменить при­ нятое число оборотов для получения более благоприятных

Иногда вместо значения мощности N , передаваемой на вал, для расчета турбины могут быть заданы и другие вели­ чины, связанные с мощностью, например внутренняя работа и

др.

Отдельно в требованиях к турбине и в исходных данных могут отмечаться габаритные и конструктивные данные тур­ бины: предельный наружный диаметр, число ступеней и вес турбины и др.

190

§ 2. Обоснование и выбор параметров и характеристик потока и

облопатывания

В основе различных методов теплового расчета газовых турбин лежит совместное решение уравнений энергии, коли­ чества движения и сплошности с использованием уравнений состояния газа и процесса. С этой точки зрения все методы тепловых расчетов равноценны и нет необходимости подробно рассматривать каждый из них.Ниже излагается метод теплово­ го расчета с использованием треугольников скоростей, ко­ торый при достаточной наглядности, точности и простоте позволяет глубже понять и изучить сущность работы турбины.

Указанная выше система уравнений не является замкнутой и поэтому при тепловых расчетах необходимо задаваться це­ лым рядом параметров и характеристик облопатывания и пото­ ка, к которым относятся в первую очередь отношение скоро­

ли сопловых и рабочих лопаток и др.

Качество используемых для этой цеди материалов оказы­ вает существенное влияние на точность и надежность поду­

ченных результатов.

Учитывая количество и разностороннее влияние перечислен­ ных параметров на характеристики турбины, расчет ведется одновременно в нескольких (2-4) вариантах, задаваясь раз­

личными значениями и др. Окончательно выбирается такой вариант, при котором наиболее полно удовлетворяются предъявляемые к турбине требования и обеспечивается полу­ чение необходимых экономических и конструктивных ее харак­

теристик.

При выборе параметров и характеристик потока и оодопатывания необходимо учитывать их влияние на экономические

19Г

и конструктивные характеристики турбины, что позволит сократить число вариантов расчета. С этой целью ниже при­ водятся основные соображения по выбору указанных величин.

ется, в первую очередь, необходимостью обеспечить задан­ ные или принятые значения к .п .д . турбины.

Вели требуется обеспечить к .п .д . ступени, равный макси­ мальному его значению при данной степени реактивности, то выбирается оптимальное отношение скоростей. В большинстве случаев необходимое значение к .п .д . меньше максимально возможного при данной степени реактивности и потому оно может быть обеспечено не при одном, а при всех отношениях

скоростей, лежащих в интервале, например от 0,8

(рис. 72).

В этом случае оптимальное отношение скоростей нахо­ дится внутри этого диапа­ зона, а минимальное и максимальное отношения скоростей отличаются от него на 15-20%. С увели­ чением степени реактивно­ сти интервал отношений скоростей, при которых обеспечивается необходимое

192

значение к .п .д ., расширяется и перемещается в сторону больших их значений,

С точки зрения обеспечения к .п .д . только одного расчет­ ного режима можно принимать любое отношение скоростей внутри указанного интервала.

Кроме к .п .д . расчетного режима целесообразный выбор отношения скоростей должен учитывать необходимость обеспе­ чения желательного изменения к .п .д . на промежуточных ре­ жимах, возможность снижения веса и габаритов турбины, облегчение условий работы облопатывания (уменьшение темпе­ ратуры рабочих лопаток) и повышение прочности облопатыва­ ния. Для этого необходимо учитывать условия и характер работы турбины на расчетном и переменных режимах и рас­ положение турбин по линии расширения газа.

Известно, что переход с режима работы ГТУ, соответст­ вующего полной мощности, на режимы менвшей мощности сопро­ вождается уменьшением теплоперепадов, приходящихся на сту­ пени турбины. Это изменение обычно начинается с последней по ходу газа ступени турбины. Учитывая условия работы тур­

Повышенные отношения скоростей требуют повышенных окруж­ ных скоростей, которые можно получить за счет увеличения числа оборотов или диаметра облопатывания, либо за счет одновременного увеличения обоих величин. Увеличение числа оборотов повышает напряжения в рабочих лопатках и затруд­ няет обеспечение прочности облопатывания и дисков и, в конечном итоге, требует увеличения веса. Увеличение диа­ метра приводит к росту габаритов и веса. Кроме того, повы­ шение отношения скоростей приводит к повышению температу­ ры рабочих лопаток и при прочих равных условиях снижает

193

Обоснованный выбор степени реактивности на среднем диапазоне должен предполагать, во-первых, получение необ­ ходимого значения к .п .д . турбины и, во-вторых, обеспече­ ние. надлежащей прочности облопатывания.

Покажем возможности и пути решения указанных требова­ ний. Из теории газовых турбин известно, что для обеспече­ ния высоких значений к .п .д . турбины необходимо:

а) согласованно и взаимосвязанно выбирать степень реактивности и отношение скоростей;

б) обеспечить работу турбины без отрицательной сте­ пени реактивности у корня рабочих лопаток;

в) иметь рациональное соотношение высот сопловых и рабочих лопаток, т .е . благоприятный профиль проточной части.

Используя зависимости, представленные на рис. 51,можно выбрать значение степени реактивности на среднем диаметре 9т1пи обеспечить нулевую или незначительную положительную степень реактивности у корня лопаток.

Для повышения к .п .д . часто принимают более высокие (по сравнению cpmin) значения степени реактивности, что вполне обоснованно при нулевом радиальном зазоре. Дело в том,что увеличение степени реактивности оказывает двоякое влияние на к .п .д . С одной стороны, увеличение степени реактивно­ сти несколько повышает окружной к .п .д . в зоне оптимально­ го отношения скоростей, с другой стороны, при этом проис­ ходит увеличение потери от радиального зазора, в резуль-

194

зависимости от величины радиального зазора ограничиваются значениями от 0,35 до 0,50, где большему зазору соответ­ ствует меньшее значение степени реактивности. Повышать значение степени реактивности выше указанных пределов для повышения к .п .д . нерационально.

Однако в процессе расчета для улучшения профиля прот ч- ной части иногда приходится изменять ранее принятое зна' е- ние степени реактивности в сторону ее увеличения. Для этих целей допускаются значения степени реактивности до 0,50 и более независимо от величины радиального зазора. Особенно часто это используется в турбинах низкого давле­ ния, где нет возможности существенно изменять профиль проточной части турбины за счет увеличения угла jb2-

При выборе степени реактивности необходимо учитывать

при условии поддержания одинакового запаса прочности ра­

195

Puc.73

Выбор углов с*! и J32. Величина углов и Jb2оказывает значительное влияние на форму и размеры проточной части, пропускную способность турбины, к .п .д . и напряжения в лопатках, и не всегда сразу можно удачно задаться их зна­ чением. Поэтому полезно задаться двумя-четырьмя значения­ ми угла о<4 и дальнейший расчет вести одновременно дня

всех принятых значений £*i . Это особенно необходимо делать в том случае, когда предъявляется требование^ максималь­ ном сокращении габаритов и весов.

Характерными значениями для угла с<.i являются величины л 1 = 14+30°, при которых обеспечивается достаточная эконо­ мичность ступени. В отдельных случаях для уменьшения га­

для турбины низкого давления 04 = 25+35°. Большие значе­ ния углов характерны для турбин с большим расходом газа. При существенном увеличении средних диаметровтурбин воз­ можно принятие и меньших значений л* , чем указано выше.

нимается для отношения скоростей расчетного режима.

С увеличением степени реактивности увеличивается ско­ рость w 2 , а высота рабочей лопатки должна соответственно уменьшаться. Чтобы получить в этом случае необходимую вы­ соту рабочей лопатки или, как принято говорить, обеспе­ чить благоприятный профиль проточной части турбины и не­ сколько повысить к .п .д . потребуется существенное уменьше­

197

Выбор или построение профилей сопловых и рабочих лопа­ ток. На определенной стадии расчета производится подбор профилей сопловых и рабочих лопаток и геометрических характеристик решеток, составленных из этих профилей. При этом главное внимание уделяется обеспечению работы ступе­ ни турбины с малыми потерями при условии, что выбранное облопатывание будет удовлетворять также требованиям проч­ ности и простоты технологии изготовления лопаток.

Недооценка указанных обстоятельств может привести к большим потерям, снижению экономичности турбины и ее на­

атласе приводятся геометрические характеристики профилей, геометрические и аэродинамические характеристики решеток этих профилей, -обеспечивающих углы выхода потока газа от

IIдо 40-43°.

Выбор профилей сопловых лопаток производится на той

стадии расчета, когда уже известны угол сх* , степень

реактивности 9 , режим истечения и отношение скоростей

196