ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.10.2024
Просмотров: 96
Скачиваний: 1
в. и. АБРАМОВ, Г. А. ФИЛИППОВ, В. В. ФРОЛОВ
ТЕПЛОВОЙ
РАСЧЕТ
ТУРБИН
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1974
А16
УДК 621.165.001.24
Абрамов В. И., Филиппов Г. |
А., Фролов В. В. Тепловой расчет турбин. |
М., «Машиностроение», 1974, 184 |
с. |
Книга посвящена методам теплового расчета осевых ступеней турбин. На базе накопленного теоретического и экспериментального материала по модель ным и натурным испытаниям турбин уточняются существующие и вводятся но вые данные детального расчета экономичности, реактивности и расходных ха рактеристик ступеней. В книге изложены методы расчета осевых ступеней актив ного типа, двухвенечных ступеней скорости с полным и парциальным подводом, ступеней с малым отношением скоростей и/Сф и последних ступеней конденса ционных турбин, а также особенности расчета турбин, работающих на влажном паре, и расчеты переменного режима проточной части турбин.
Книга предназначена для инженеров и научных работников, занимающихся расчетом, проектированием и исследованием турбин. Табл. 11, илл. 121, список лит. 30 назв.
I |
Гас. публичная |
|
научи©- тэхни .в 'к а я |
|
библиотек* С С С Р |
|
ЭКЗЕМПЛЯР |
1 |
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА |
30303—119 А 038 (01) —74 119—74
(6) Издательство «Машиностроение», 1974
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:
а —- горло канала в решётке;
Ь— хорда профиля;
В— осевая ширина решетки;
|
d — средний диаметр |
ступени (кольцевой решетки); |
|
|||||||||||
|
е — степень парциальности; |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
F — площадь горловых сечений решетки; |
рабочей и сопловой |
||||||||||||
|
f — отношение площадей горловых |
сечений |
||||||||||||
|
решеток; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I — высота лопаток решетки; |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
г — число лопаток |
в решетке; |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
t — шаг решетки; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
бр — радиальный зазор; |
|
|
и рабочей решетками |
по бан |
|||||||||
|
6В — осевой зазор |
между сопловой |
||||||||||||
|
дажу; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6а — осевой зазор между кромками сопловой и рабочей решеток; |
|||||||||||||
Ах, 2 — толщина |
выходной |
кромки |
лопатки; |
|
|
|
||||||||
|
А — перекрыша; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а 1эф — эффективный угол выхода потока из сопловой решетки; |
||||||||||||||
|
«х — угол выхода потока из сопловой решетки; |
|
|
|||||||||||
р2эф — эффективный угол выхода потока из |
рабочей решетки; |
|||||||||||||
|
Р2 — угол выхода потока и^ рабочей решетки; |
|
|
|
||||||||||
|
а„ — угол |
входа потока в сопловую решетку; |
|
|
||||||||||
_ |
Рх — угол |
входа |
потока |
в |
рабочую |
решетку; |
|
|
||||||
т — число сегментов |
сопел |
(число |
клапанов); |
|
|
|||||||||
Л0, ha — располагаемый теплоперепад ступени по параметрам тормо |
||||||||||||||
|
жения перед ступенью и по статическим параметрам; |
|
||||||||||||
|
h0 1 — располагаемый |
теплоперепад |
сопловой |
решетк»; |
|
|||||||||
|
ft02 — располагаемый |
теплоперепад |
|
рабочей |
решетки; |
|
||||||||
|
р — степень |
реакции |
одновенечной |
ступени; |
|
|
||||||||
|
Рх — степень реакции |
первого ряда |
рабочих |
лопаток двухвенеч |
||||||||||
|
ной ступени; |
|
|
направляющего |
аппарата |
двухвенечной |
||||||||
|
Рна — степень |
реакции |
||||||||||||
|
ступени; |
реакции |
второго ряда |
рабочих |
лопаток двухвенеч |
|||||||||
|
р2 — степень |
|||||||||||||
|
ной ступени; |
|
|
|
|
скорость |
пара, |
подсчитанная |
||||||
|
Сф — фиктивная |
изоэнтропийная |
||||||||||||
|
по располагаемому теплоперепаду ступени; |
|
изоэн- |
|||||||||||
|
cxt — скорость |
пара |
на выходе из сопловой решетки при |
|||||||||||
|
тропийном расширении; |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Сх — действительная скорость пара на выходе из сопловой решетки; |
|||||||||||||
|
wx — скорость пара |
в относительном движении на входе |
в рабо |
|||||||||||
w2t, |
чую решетку; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
w2 — скорость пара в относительном движении на выходе из рабо |
||||||||||||||
|
чей решетки соответственно изоэнтропийная и действитель |
|||||||||||||
|
ная; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
с2 — скорость пара на выходе из рабочей решетки в абсолютном движении;
и — окружная скорость рабочего колеса на среднем диаметре рабочих лопаток;
хф — отношение скоростей; М — число Маха;
Re — число Рейнольдса;
п — частота вращения рабочего колеса ступени;
Pq — давление полного торможения перед соплами ступени;
р0 — статическое давление перед соплами ступени; р х — статическое давление между сопловой и рабочей решетками; р г — статическое давление за рабочей решеткой;
Tq — температура |
торможения перед соплами ступени; |
||||
То — статическая |
температура перед соплами ступени; |
||||
е — отношение |
давлений на |
ступень; |
|||
hx — потеря энергии; |
|
сопловой решетки; |
|||
Ф — коэффициент |
скорости |
||||
ф — коэффициент |
скорости рабочей решетки; |
||||
£с> £л — коэффициент |
потерь энергии в решетке; |
||||
£л; £в. с — коэффициент |
потерь энергии |
в ступени; |
|||
т]ол; т)0i — относительный |
лопаточный и |
внутренний к. п. д.; |
|||
G — расход пара; |
|
теплоперепад турбины или отсека ступеней; |
|||
На — располагаемый |
|||||
Р — мощность; |
объем пара; |
|
|
||
v — удельный |
|
|
|||
s — энтропия; |
|
|
|
|
|
i— энтальпия;
х— степень сухости пара;
у— степень влажности;
р — коэффициент |
расхода, |
динамическая вязкость; |
||
v — кинематическая вязкость; |
||||
<7 — приведенный |
расход |
пара. |
||
ИНДЕКСЫ |
|
|
|
|
0 — параметры перед |
ступенью; |
|
||
1 — параметр относится |
к выходу из сопловой решетки; |
|||
2 — параметр |
относится |
к |
рабочей |
решетке, |
с — сопловая |
решетка; |
решетки; |
|
|
вс — выход из |
рабочей |
|
р— рабочая решетка;
т— трение;
на — направляющий аппарат.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В течение последних лет советское турбостроение перешло на новые, аэродинамически более совершенные профили сопловых и рабочих решеток, разработанные и детально исследованные в статических условиях, на вращающихся моделях турбинных ступеней и натурных многоступенчатых турбинах. Были созданы типовые одновенечные ступени давления и двухвенечные ступени скорости, обладающие высокой экономичностью и надежностью. Исследования позволили накопить и обобщить данные по влия нию отдельных геометрических и режимных параметров ступе ней и решеток (веерности, толщины кромок, осевых и радиальных
зазоров, ширины хорды, относительной высоты |
лопаток, чи |
сел Re и М, отношения скоростей ц/сф и др.) на к. |
п. д., степень |
реактивности и расходные характеристики ступеней. Значитель ный материал был получен по ступеням большой веерности и сту пеням, рассчитанным на большие сверхзвуковые скорости (М>2,5), что позволило улучшить методы профилирования и расчета такого типа ступеней. Экспериментальные и теоретические исследования ступеней на влажном паре позволили существенно уточнить ме тоды расчета и наметить пути по устранению отрицательного влияния влаги на эффективность турбин. Уточнены методы рас чета дополнительных потерь от парциального подвода пара; ступеней, рассчитанных на малые отношения скоростей ц/сф.
Перечисленные выше и многие другие исследования позво лили усовершенствовать аэродинамическое качество проточных частей турбин, что подтверждается многими испытаниями на турных турбин. В то же время методы расчета совершенствуются значительно медленнее. Часто в методах расчета те или иные из менения профилирования проточных частей учитываются не в детальных расчетах ступеней, а интегрально, на к. п. д. тур бины в целом. Это, естественно, может привести к неправильному выбору геометрических размеров ступеней, к нежелательному распределению теплоперепадов, реактивностей и иных пара метров, снижающих экономичность и надежность турбины.
Ступень турбины, как известно, можно рассчитать двумя методами: по треугольникам скоростей и по опытным характери стикам модельных ступеней.
5
Метод треугольников скоростей применяется в различных модификациях: в одних случаях используются обобщенные данные о коэффициентах скорости в решетках, в других — данные ста тических продувок решеток, устанавливаемых в ступени, в тре тьих — расчетные значения коэффициентов потерь в решетках с учетом теории пограничного слоя. Метод треугольников скоро стей, обладая большой универсальностью, тем не менее не обе
спечивает высокой точности при определении |
к. п. д. ступени |
и других характеристик, так как этим методом |
в связи с недоста |
точной изученностью не учитывается ряд явлений, например, периодическая нестационарность потока в ступени, отклонения коэффициентов расхода рабочих решеток в условиях вращения по сравнению с данными статических исследований, отсутствие надежных данных по коэффициентам расхода протечек через бандажные зазоры и зазоры у корня лопаток. Поэтому в завод ских расчетах для повышения точности вычисления характери стик ступени используются методы расчета по модельным ступе ням.
Изложенный в данной монографии метод расчета проточной части турбины основан на использовании обобщенных характе ристик, полученных при исследовании определенного типа облопачивания в экспериментальных турбинах. Этот метод имеет ряд существенных преимуществ, обеспечивающих ему широкое при менение в заводской практике: простота расчета и надежность результатов для данного типа ступеней. Однако данный метод не является универсальным, так как при применении совершенно нового облопачивания, в расчетах переменного режима, при профилировании ступеней большой веерности, т. е. в тех случаях, когда отсутствуют экспериментальные данные по ступеням и имеются лишь сведения о решетках, расчет необходимо вести по треугольникам скоростей. С методической точки зрения этот метод является более наглядным и универсальным, хотя и менее надежным Если необходимо, ступени рассчитывают по первому и по второму методам, что и нашло свое отражение в данной моно графии.
Г л а в а I
ХАРАКТЕРИСТИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ РЕШЕТОК И СТУПЕНЕЙ ТУРБИН
Рассматриваемый метод теплового расчета базируется на обоб щенных характеристиках ступеней турбин. Тем не менее выбор типа ступени, расчет треугольников скоростей и расходных харак теристик, профилирование и расчет длинных, закрученных лопа ток невозможен без знания основных характеристик решеток [1 ]. Рассмотрим некоторые обобщенные зависимости, обозначения параметров и классификацию решеток и ступеней.
Геометрические и режимные параметры решеток и ступеней. Условия подобия
Турбинные решетки определяются формой профиля и межлопа точного канала. Форму профиля задают координатами в прямо угольной системе координат (х, у) или дугами окружностей.
Рис. 1. Схема решеток турбины и основные обозначения:
а — реактивных; б — активных
Форма канала решетки определяется взаимным расположением профилей и зависит от шага решетки t (рис. 1) и угла установки профиля а у (Ру). К основным геометрическим характеристикам решеток и профилей относятся также: хорда профиля Ь, ширина решетки (профиля) В, средний диаметр d кольцевой решетки, угол у раскрытия периферийного или корневого обвода решетки,
7
ширина канала на входе, |
аъ в среднем сечении ат и на выходе а 2, |
||||
толщина и радиус |
А (г) |
входной и |
выходной |
кромок лопа |
|
ток, эффективные |
углы |
решеток |
а 1эф = arcsin (a2/ i 1) и р29ф = |
||
= aresin (a2Д 2), геометрические |
углы |
входных |
а0п ф 1п) и вы |
||
ходных а1п|32п) кромок профилей, |
определяемые как углы между |
касательными к средней линии профиля на входной и выходной кромках и фронтом решетки.
Для переноса результатов модельных испытаний на натур ную ступень и пересчета характеристик решеток используются безразмерные (относительные) геометрические параметры: отно
сительный шаг t = tlb, относительная высота I == llb\ веерность й1= Ud (или 0 = dll) решетки, относительная ширина канала ■й = а/а2 в произвольном сечении, относительная тол щина А = А/а2 кромки, относительные координаты х = х/Ь
и у — ylb профиля, |
относительная |
шероховатость |
km — h j b |
||
поверхностей профиля. |
|
|
|
|
|
Для рассмотрения расположения сопловой и рабочей решеток |
|||||
в ступени вводятся |
дополнительные |
геометрические |
параметры |
||
(рис. 2): осевой зазор 6а между выходными |
кромками сопловой |
||||
и входными кромками рабочей решеток, |
осевой |
верхний |
8В |
||
и корневой 8К зазоры по бандажу или уплотнениям, |
верхняя |
Ав |
|||
(периферийная) и нижняя Дк (корневая) перекрыши, |
радиальный |
зазор бр над рабочей решеткой. Для многоступенчатой турбины должны быть введены дополнительные геометрические размеры, характеризующие взаимное расположение ступеней: зазор ба между выходными кромками рабочих решеток и входными сопло вых (или ребер жесткости) решеток последующей ступени; пере крыши Аа и Дк между рабочими и последующими сопловыми решетками, размеры камер отбора пара.
8
К группе режимных параметров решеток и ступеней относятся углы входа а 0 (Pj) и выхода а.х (Р2) потока в решетках, скорости
потока газа |
(пара) на входе с0 (wj) в решетку и на выходе сг (ш2) |
из решетки, |
скорость а распространения малых возмущений |
(скорость звука) и критическая скорость ац., окружная скорость и рабочих решеток, фиктивная скорость сф, эквивалентная распо
лагаемому теплоперепаду |
в ступени |
(сф = |/2/г0 + с;*), |
Пуль- |
|||||||
сационная составляющая скорости с', |
|
|
|
|
|
|||||
располагаемый |
теплоперепад |
h0 по |
|
|
|
|
|
|||
статическим параметрам перед и за |
|
|
|
|
|
|||||
ступенью (рис. 3) и располагаемые |
|
|
|
|
|
|||||
теплоперепады на сопловую hQ1 и |
|
|
|
|
|
|||||
рабочую /г02 решетки, степень |
|
реак |
|
|
|
|
|
|||
тивности р = /г02//г0 ступени, |
распо |
|
|
|
|
|
||||
лагаемая энергия Е0 = к0со/2 + |
ho + |
|
|
|
|
|
||||
+ Х2С2/2 на ступень, потери |
|
кине |
|
|
|
|
|
|||
тической энергии в сопловой Ahx, |
|
|
|
|
|
|||||
рабочей Ah2 решетках и с выходной |
|
|
|
|
|
|||||
скоростью AhB с, коэффициент |
рас |
|
|
|
|
|
||||
хода р, коэффициент потерь £ |
кине |
|
|
|
|
|
||||
тической энергии в решетке, отноше |
|
|
|
|
|
|||||
ние потерь кинетической энергии Ah |
|
|
|
|
|
|||||
в решетках к располагаемой энер |
|
|
|
|
|
|||||
гии |
Е0 на ступень. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Создание номограмм обобщенных |
|
|
|
|
|
|||||
характеристик |
турбинных ступеней: |
|
|
|
|
|
||||
к. п. д., реакции, коэффициентов рас |
|
|
|
|
|
|||||
хода, а также поправок, влияющих |
|
|
|
|
|
|||||
на некоторые геометрические размеры |
|
|
|
|
|
|||||
и режимные |
параметры |
ступеней, |
Рис. |
3. |
Процесс |
расширения |
||||
основывается на методах теории по |
пара |
в |
одиночной |
ступени в |
||||||
добия. Число |
определяющих |
|
пара |
|
|
ts-диаграмме |
|
|||
метров диктуется системой уравне |
газа |
в |
проточной |
части, |
||||||
ний, |
описывающих процесс |
течения |
и соответствующими граничными условиями. Моделирование даже простейших процессов связано с необходимостью обеспечить постоянство довольно большого числа безразмерных параметров. Практически выполнить все условия оказывается весьма сложно, а чаще всего невозможно. Особенно это относится к потокам двух фазных сред. Поэтому при решении практических задач с исполь зованием модельных испытаний ограничиваются наиболее важ ными безразмерными параметрами, определяющими физические
особенности рассматриваемого процесса. |
газа |
В частном случае определяющими критериями течения |
|
в турбинной ступени без внутреннего тепло- и массообмена |
яв |
ляются безразмерные скорости М=с/а\ К=с1а^ относительная
окружная скорость x^—Sh — — (числоСтрухаля); число Рейнольдса