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

В заключение обратим внимание на следующее. В получен­ ных зависимостях все данные относятся к среднему диаметру выделенного участка кольцевой решетки.

Экспериментальные и теоретические исследования пока­ зывают, что выбрав в качестве характерного диаметра вра­ щающейся решетки средний диаметр ее облопатывания,получим такое значение окружной скорости, которое с достаточным приближением дает нам среднюю картину изменяемости потока по высоте лопаток решетки.

Поэтому в первом приближении в теории турбин работа вращающихся каналов рабочей решетки изучается на среднем диаметре облопатывания.

Г Л А В А 4

ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ

§ I . Обтекание профилей лопаток

При обтекании решетки профилей осевых турбомашин пото­ ком газа создается разность давлений по сторонам профиля: у вогнутой стороны профиля давление газа больше, чем у выпуклой поверхности. Получающееря при обтекании решеток профилей осевых турбомашин распределение давлений по про­ филю лопаток определяют как опытным, так и аналитическим путем. По характеру распределения давлений по профилю ло­ патки оудят о распределении скоростей в точках, примыкаю­ щих к различным сторонам профиля, и о качестве профиля.

Рассмотрим характер распределения давлений по профилю лопатки. Изобразим решетку профилей (рис. 18).

Обозначим:

р - давление в данной точке профиля;

48

профиля от входной кромки профиля. По параметрам, замерен­ ным в нескольких (20-30) точках в одной плоскости по все­ му контуру прифиля, и формуле (4 .1 ) определяются коэффи­ циенты давления для соответствующих точек.

Замеры производятся на среднем диаметре и в нескольких сечениях по высоте, где поток можно считать плоским.

Полученные коэффициенты давления позволяют получить две кривые, характеризующие распределение давлений по вогнутой (верхняя кривая) и выпуклой (нижняя кривая) сто­ ронам профиля. У входной кромки профиля поток разветвля­ ется. Точка встречи потока с профилем является и точкой разветвления (цифра 15, рис. 18). В точке разветвления

скругленной входной кромки: давление газа здесь падает,а скорость увеличивается. Дальнейшее распределение давлений

49

На рис. 19 показан характер изменения давления по про­

филю, соответствующий конкретным значениям Jb<, Re,М и-t = ^ -

не давление повышается и у выходной кромки достигает ве­ личины, близкой к р ц ( Д р » 0 ) .

Таким образом, можно отметить на выпуклой и вогнутой поверхностях наличие областей’ как с отрицательным, так и с положительными градиентами давлений. Особо следует об­ ратить внимание на положение и размеры участков с положи­ тельными градиентами давлений, которые еще называются диффузорными участками.

Межлопаточный канал образуется вогнутой стороной одно­ го профиля и выпуклой стороной соседнего профиля. Значит, в канале решетки имеет место неравномерное распределение давлений: в любом сечении внутри канала, нормальном к ли-

50

ниям тока, давление увеличивается в направлении от вы­ пуклой стороны к вогнутой поверхности,,

Разность давлений по обе стороны лопатки обусловливает наличие силы воздействия потока на лопатку иди лопатки на поток. На рабочих лопатках от этой разности давлений воз­

ля можно определить окружное усилие. Однако такое опреде­ ление практически не выполняют из-за сложности и недоста­ точной точности. Поэтому окружное усилив определяют по формуле (3 .25). В направляющих лопатках вследствие отме­ ченной разности давлений возникают изгибающие напряжения. В создании силы, действующей на профиль, участвуют вогну­ тая и выпуклая стороны профиля. На основании анализа пред­ ставленной диаграммы распределения давлений (рис. 19) легко установить, что на вогнутой поверхнооте (точки 15-2) создается относительно избыточное давление, а на выпуклой поверхности (точки 16-35) - относительное разрежение,т.е. давление ниже давления на выходе из решетки. Сила, дей­ ствующая на профиль, создается за счет избыточного давле­ ния на вогнутой стороне и за счет пониженного давления на выпуклой поверхности. Причем, составляющие силы пропор­ циональны площадям, заштрихованным на диаграмме.

Составляющая силы, действующей на лопатку, вызванная относительно избыточным давлением на вогнутую поверхность, ограничена максимумом этого давления. Оно не может быть больше, чем полное давление перед решеткой р*. Разрежеяир вблизи выпуклой поверхности профиля не имеет такого огра^ ничения, как избыточное давление.

Поэтому составляющая силы, вызванная разрежением на выпуклой стороне профиля, может быть получена значительно! больше, чем составляющая силы, возникшая под влиянием из­ быточного давления. Ориентировочно можно считать, что 60-70$ усилия, действующего в направлении оси решетки, создается за счет разрежения на выпуклой поверхности ло- •

51

патки и только 30-40% этой силы возникает благодаря из­ быточному давлению на ее вогнутую поверхность. Эта сила всегда направлена от вогнутой поверхности к выпуклой по­ верхности данного профиля.

Таким образом, во многих случаях сила на лопатках осе­ вой турбомашины создается главным образом за счет разреже­ ния на ее выпуклой поверхности.

Это обстоятельство необходимо иметь в виду для правиль­ ного понимания процессов, протекающих в проточной части турбомашины. Оно также указывает нанеобходимость особо тщательной обработки и проверки выпуклых поверхностей ло­ паток как по очертанию профиля, так и по качеству самой поверхности в процессе производства и эксплуатации.

Одним из критериев для оценки качества решетки профи­ лей является коэффициент потерь энергии или к .п .д . решет­ ки. Опытным путем определяются потери энергии в сопловой или рабочей решетках, которые обозначаются соответственно и с|,Л и располагаемые перепады тепла на соответствующие решетки h'a c и Ь'ИЛ. Коэффициентом потерь энергии в решетке называется отношение теплового эквивалента потери энергии

врешетке к располагаемому перепаду тепла на нее. По определению имеем для сопловой решетки

и для рабочей решетки

Коэффициентом полезного действия решетки называется от­ ношение действительной кинетической энергии на выходе из решетки к теоретической кинетической энергии. К .п.д. ре­ шетки однозначно связан с коэффициентом потерь энергии равенством

( 4 Л )

52

§ 2. Профильные и концевые потери

Систематические экспериментальные и теоретические ис­ следования решеток профилей позволяют определить характер различных потерь, образующихся в решетках, выделить основ­ ные потери. Для случая обтекания турбинных лопаток дозву­ ковым потоком вязкого газа эти потери разделяются на два вида: профильные и концевые.

Профильные потери. Потери энергии в решетке бесконеч­ ной высоты называются профильными. Профильные потери от­ ражают все потери энергии, возникающие при обтекании ло­ паток бесконечной высоты плоским потоком вязкого газа.

Они зависят главным образом от очертания профиля лопатки, чем и объясняется данное название.. Профильные потери ^оцениваются коэффициентом профильных потерь, который обозна­ чается 2,00. Рассмотрим природу профильных потерь. Расчле­ ним суммарную потерю на ее составные части. Первой частью профильных потерь являются потери на трение и вихреобразование в пограничном сдое. При обтекании потоком вязкого газа у поверхности лопаток поток подтормаживается, обра­ зуется так называемый пограничный слой (область потока,

вкоторой интенсивно проявляется вязкость). Скорость в погранич-

53