Файл: Абрамов, В. И. Тепловой расчет турбин.pdf

как трудно обеспечить механическую прочность диафрагмы или сегмента сопл. Обычно применяют углы наклона сопл а х =

=14-г-19°.

На рис. 64 дано изменение к. п. д. Аг) двухвенечной сверхзву­

ковой ступени со сверленым по сравнению с профилированным сопловым аппаратом в зависимости от фиктивного числа Мф,

Рис. 63. Проточная часть двухвенечной сверхзвуковой ступени:

а — профиль сверленого осесимметричного сопла; б — меридиональное сечение и про­ филь сопловой лопатки сварной диафрагмы

подсчитанного по всему теплоперепаду ступени. Из рис. 64 сле­

ниже, чем с профилированными. Тем не менее и при Мф < 2 ,0 возможно применение сверленых сопловых аппаратов, если, на­ пример, необходимо снизить стоимость турбины.

На рис. 65 приведена зависимость оптимальной степени рас­ ширения осесимметричного сопла от теплоперепада (числа М.и ) на сопловую решетку.

При малых отношениях скоростей и/сф большое влияние на экономичность ступени оказывает выбор решетки первого ряда рабочих лопаток. Так, при хф < 0,15 скорость wx потока в отно-

100

сительном движении только на 15—25% отличается от скорости сь т. е. 1 % потерь в первой рабочей решетке (отнесенных к теплоперепаду решетки) снижает к. п. д. ступени на 0,7—0,8%.

В качестве профилей первого ряда рабочих лопаток реко­ мендуется применение профилей группы В [1 ]. На рис. 66 приве­ дены профильные потери в решетке Р-2118В при различных углах входа и расчетном М2*= 1,4ч-1,5. Опыты показывают, что данную решетку можно применять и при M2t = 2 ,0 ч-2 ,2 , изменив ее шаг.

Для чисел М21 — 1,6 ч-2,2 форма межлопаточного канала должна удовлетворять следующим условиям: степень конфузорности на входе a ja mn = 1,15ч-1,20 и степень расширения канала

канала в большой степени определяет положение минимальных потерь в зависимости от М2<.

Выбор соотношения площадей первой рабочей и сопловой ре­ шеток в сверхзвуковой двухвенечной ступени имеет большее значение, чем в околозвуковых ступенях. Опыты показывают, что при неправильном выборе соотношения /у /Д и больших тепловых перепадах возможно появление резкого провала на кри­ вой к. п. д. т}0; = f (Хф) (рис. 67). Существуют различные точки зрения относительно причин возникновения такого кризисного изменения потерь в ступени при больших сверхвуковых скоро­ стях. Наблюдаемое при этом резкое повышение статического дав­ ления в зазоре позволяет предполагать наличие «запирания» рабочей решетки [2 , 4].

Зависимость оптимального соотношения площадей решеток Fy/Fг (Ft — площадь сопла в выходном сечении) представлена на рис. 6 8 . Указанные соотношения площадей обеспечивают степень

101

102

103

и выходной площади сопл Тф зависит от перепада давлений на ступень и отношения скоростей хф. Так как опытных данных по влиянию этого параметра недостаточно, кривая 4 (рис. 68) носит экстраполяционный характер.

Для расчета переменного режима ступени и построения тре­ угольников скоростей необходимо знать коэффициенты потерь сопловой и рабочих решеток ступени. Для рабочих и направляю­ щих решеток группы В подробные данные приведены в атласе

Зависимость к* п« д« сверхзвуковых двухвенечных ступеней от основных режимных и геометрических параметров

В отличие от доили околозвуковых ступеней сопловая решетка сверхзвуковой ступени имеет выходную высоту (диаметр выход­ ного сечения), намного отличающуюся от высоты (диаметра) ми­ нимального сечения. Поэтому основные кривые к. п. д. могут быть построены в зависимости от высоты (диаметра) минимального

или выходного сечения (рис. 70). Кривые г]оЛ построены по опыт­ ным данным и не включают потери от протечек.

Для построения точных значений поправок необходимо про­ анализировать влияние основных геометрических и режимных параметров. Можно ожидать, что при больших dll влияние диа­ метра при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях аналогично. Это дает основание воспользоваться поправкой, представленной на рис. 41.

Влияние хорды профилей при сверхзвуковых скоростях имеет существенно иной, нежели при дозвуковых скоростях, характер. Влияние хорды отражает изменение потерь трения и концевых потерь в решетке. При сверхзвуковых скоростях эти составляющие имеют существенно меньшее значение, нежели волновые потери. Последние, в свою очередь, существенно зависят от числа М, угла входа потока fK и других показателей. Поэтому учет поправки связанной с изменением хорды, в настоящее время не представ­ ляется возможным. Так как эта поправка намного меньше, чем при дозвуковых скоростях, погрешность определения к. п. д. будет невелика.

Аналогичные соображения можно сформулировать и в отно­ шении поправок, учитывающих изменение толщины выходных кроме лопаток, а также поправок, связанных с изменением вели­ чины радиального зазора.

Таким образом, относительный лопаточный к. п. д. двухве­ нечной сверхзвуковой ступени

"Пол = Т|оЛ Ad-

104

Рис. 70. Зависимость т)°л сверх­

звуковых ступеней со сверле­

ным сопловым аппаратом от

и/сф:

а — при Ро/р2 = 20-7-60; й — при Ро/р2 = 100 Н-400

5)

Осл

При малых отношениях среднего диаметра к высоте лопаток dcp/lx (или d/l2) течение в ступени носит существенно простран­ ственный характер. Рабочие (и в большинстве случаев направляю­ щие) лопатки таких ступеней выполняют,'закрученными в соот­ ветствии с некоторым произвольно выбранным законом закручи­ вания. В мощных паровых, а также в газовых турбинах закручи­ вание лопаток применяют при d/l2==s 12, в паровых турбинах средней и малой мощности — для ступеней с d/l2 ^ 5. При d/l2 = = 5-ь 10 пространственный характер течения, т. е. закручивание лопаток, дает умеренное повышение к. п. д. ступени: 0,5— 1,0% при d/l2 = 10 и 1,5—2,5% при dll2 = 5. Таким образом, расчет этих ступеней, в первом приближении, может быть осуществлен по характеристикам ступеней с постоянными по высоте профи­ лями лопаток (см. гл. II).

Повышение к. п. д. ступеней с закрученными лопатками по сравнению со ступенями, имеющими лопатки постоянного по вы­

с использованием метода треугольников скоростей. Опытные дан­ ные не позволяют в настоящее время разработать методику рас­ чета ступеней большой веерности на базе испытаний модельных ступеней вследствие р'яда серьезных причин:

1) применяется большое число различных законов закручи­ вания рабочих и направляющих решеток, каждому из которых должна соответствовать серия модельных ступеней (изготовление

ние закона закручивания на характеристики ступени (прежде всего на к. п. д.), что не позволяет сформулировать рекоменда­ ции по применению того или иного закона закручивания. Этот факт не является принципиальным свойством пространственного потока, а скорее всего является следствием несовершенства

107

методов его расчета, неучитывающих или недостаточно учитываю­

иметь существенно отличающиеся профили сечений рабочей ло­ патки, что продиктовано требованиями прочностной и вибрацион­ ной надежности, технологии изготовления и, наконец, конструк­ тивными соображениями. Например, лопатки турбин с перемен­ ной частотой вращения должны иметь частоты первого тона ко­ лебаний большие, чем соответствующие частоты колебаний лопа­ ток ступеней турбин при п — const. Реализовать это условие уве­ личением хорды часто не представляется возможным из-за роста напряжений в дисках или недопустимости увеличения осевой длины проточной части. В этих случаях необходимые запасы проч­ ности обеспечиваются подбором формы и размером профилей в различных сечениях лопатки. Вообще, требования надежности оказывают существенное влияние на форму и, следовательно, на гидродинамические характеристики рабочих лопаток ступеней большой веерности.

Поэтому методика, рассматриваемая в настоящей главе, бази­ руется на расчетах треугольников скоростей в различных по вы­ соте сечениях проточной части ступени.

Определение размеров ступени

Предполагается, что при определении размеров отсека ступеней большой веерности, например, отсека ступеней цилиндра низкого давления паровой турбины, известны параметры рабочего тела перед и за отсеком и расходы через первую и последнюю ступени отсека. Размеры и параметры последней ступени отсека оказы­ вают определяющее влияние на профиль его проточной части.

Чтобы найти размеры последней ступени турбины, следует

задаться величиной потери с выходной скоростью hBC= ct/2 и величиной отношения среднего диаметра ступени к высоте ло­ патки 0 = d l l Выбор этих величин определяется объемным про­ пуском рабочего тела и некоторыми технико-экономическими сооб­ ражениями: стоимостью топлива, назначением агрегата (пиковый или базовый), расчетным вакуумом в конденсаторе и т. п. Для современных мощных паровых турбин 0 2,5 и с2а ^ 290 м/с.

Задавшись предварительно значением с2а и 0, находим в пер­

При наличии диффузорного выпускного патрубка коэффи­ циент использования выходной скорости

%2 £в £п>

108

Затем определяем располагаемый теплоперепад ступени и величину потери с выходной скоростью:

Если величина £вс при этом будет существенно отличаться от £вС по предварительной оценке, нужно задаться новым ее зна­ чением и повторить расчет по формулам (53)—(55).

Следует учесть, что в области влажного пара оптимальное отношение скоростей хф снижается (см. гл. VI).

При определении размеров первой ступени отсека можно предварительно задать величины среднего диаметра и степени

полагаемый теплоперепад h0 и затем высоту / х сопл, нужно .про­ верить величину диаметра у корня первой ступени

diK= d2K -f Ad = d2z — /2z Ad.

При Ad > 0 диаметр корневого сечения ступеней по ходу газа и, следовательно, угол раскрытия проточной части в периферий­

109