1083

Турбинные решетки и их выбор

Лекция

Энергетика

Геометрические характеристики турбинных решеток. Газодинамические и режимные характеристики турбинных решеток. Маркировка турбинных решеток и их формирование. Зависимости для определения коэффициентов потерь сопловой решетки.

Русский

2013-01-06

3.25 MB

223 чел.

Лекция №6. Турбинные решетки и их выбор

6.1. Геометрические характеристики турбинных решеток

Турбинная решетка представляет собой совокупность лопаток, специальным образом спрофилированных, установленных под одним углом и расположенных по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга (рис. 6.1,а). Сопловая решетка формируется из неподвижных сопловых лопаток, закрепленных в теле диафрагмы ступени, а рабочая – из рабочих лопаток, устанавливаемых на диске ротора турбины и вращающаяся с ним. Основные геометрические характеристики соответствующих решеток представлены на развертках их цилиндрического сечения по среднему диаметру dср. Кроме средних выделяют периферийные (dпер) и корневые (dкор) диаметры. Высоту (длину) сопловых лопаток обозначают с индексом «1» (l1), а рабочих с индексом «2» (l2). Эти обозначения определяют высоты в выходных сечениях каналов решеток. При наличии наклонов меридиональных обводов решеток высоты лопаток во входных сечениях каналов обозначают  l11 и l21.

      

                                        а)                                             б)                                               в)

Рис. 6.1. Фрагмент кольцевой турбинной решетки (а), геометрические характеристики сопловых (б) и рабочих (в) лопаток (каналов) соответствующих решеток

d пер – периферийный диаметр решетки;  dср – средний диаметр;  dкор – корневой диаметр;  l – высота лопаток; b1 , b2 – хорды сопловой и рабочей лопаток;  t1, t2 – шаги установки сопловых и рабочих лопаток в соответствующих решетках турбинной ступени;  B1,  B2 – ширина сопловой и рабочей решеток

 

Лопатки сопловой решетки в количестве z1 располагают относительно друг друга на расстоянии, называемом шагом решетки, который равен t1=d1/z1. Аналогично для  рабочей решетки с количеством лопаток в ней z2 шаг t2=d2/z2. При этом угол установки лопаток сопловой решетки по отношению к ее фронтальной плоскости обозначают у, а угол установки лопаток рабочей решетки - у. Углы направления входных кромок соответствующих лопаток называют скелетными и обозначают 0ск (рис. 6.1,б) и 1ск (рис. 6.1,в).

Размеры канала решетки определяются диаметрами вписанных окружностей, при этом минимальный размер канала находится в сечении, которое иногда называют горлом. Для показанных на рис. 6.1,б и рис. 6.1,в каналов эти сечения представлены диаметрами О1 для сопловой решетки и О2 для рабочей. Входные сечения каналов соответствующих решеток представлены диаметрами О11 и О21. Направление потоков водяного пара за решетками определяют эффективные углы выхода  и . Расстояние между наиболее удаленными точками профиля, находящимися на входной и выходной его кромках (рис. 6.1), называют хордой профиля b (для сопловой лопатки хорда b1, а для рабочей - b2).  Расстояние между фронтальными плоскостями решетки называют ее шириной (В1 для сопловой, В2 – для рабочей).

Для характеристики кольцевых турбинных решеток используют следующие геометрические параметры: относительная высота  веерность l/d=1/ и относительный шаг . Следует отметить, что шаг t по высоте решетки от ее корневого диаметра растет и при постоянной хорде профиля b относительный шаг с высотой увеличивается. Важными характеристиками решеток являются углы поворота их каналов: =1800-(0ск+) для сопловой решетки и =1800-(1ск+) – для рабочей. Обычно для турбинных ступеней активного типа в сопловых решетках 0ск=60…1100, =8…250 и =45…1100, а в рабочих - 1ск=15…1700,  =10…350 и =3…1450. Выпуклая поверхность профиля называется стороной разрежения (спинкой) а вогнутая – стороной давления. Распределение давления по профилю рабочей лопатки показано на рис. 6.2. Разность давлений рвогсп создает окружное усилие

                                                                                             (6.1)

где S - длина обвода профиля. Качество рабочей решетки определяется значением окружного усилия Ru: чем оно больше, тем эффективней решетка.                   

Рис. 6.2. Распределение давлений на выпуклой и вогнутой поверхностях рабочей лопатки

                                                                                                           

6.2. Газодинамические и режимные характеристики турбинных решеток

К основным газодинамическим характеристикам сопловых и рабочих решеток относят их коэффициенты потерь: ; . Речь идет о затратах части энергии рабочей среды на преодоление сил трения и других видов аэродинамического сопротивления в решетках. Эта часть энергии, превращаясь в теплоту, вновь возвращается в поток, повышая энтальпию среды на выходе из решеток. Данный эффект лежит в основе необратимости процессов расширения водяного пара в турбинных решетках, характеризуемой ростом его энтропии. Общие потери в решетке (сопловой или рабочей) оцениваются суммой коэффициентов профильных и концевых потерь  

                                                         =пр+конц,                                                               (6.2)

где профильные потери условно разделяют на потери трения, кромочные и волновые:

                                                        пр=тр+кр+волн .                                                      (6.3)

Потери на трение определяются аэродинамическими особенностями течения рабочей среды в пограничных слоях, формируемых на вогнутой поверхности и спинке лопаток соответствующих решеток. При этом условия формирования пограничных слоев в значительной мере связаны с характером распределения давлений по обводам сопловых (рис. 6.3,а) и рабочих (рис. 6.3,б) лопаток, определяемым, прежде всего, большими значениями градиентов давления. Представленные распределения давлений свидетельствуют о наличии конфузорных и диффузорных областей течения в каналах решеток. При этом в области косого среза решетки на спинке профиля могут формироваться отрывные течения (рис.6.3,в), которые способствуют резкому увеличению потерь.

Рис. 6.3. Распределение давлений по профилям сопловой (а) и рабочей (б) решеток и

схема формирования кромочного следа (в)

Кромочные потери связаны с вихреобразованием за выходными кромками лопаток и эффектами внезапного расширения за ними. Кромочный след приводит к существенной неравномерности потока, которая является источником потерь из-за затрат энергии на выравнивание поля скоростей в следе. Коэффициент кромочных потерь зависит от толщины выходной кромки кр лопатки и относительного шага решетки: .

Волновая составляющая потерь определяется затратами энергии на формирование волн разрежения, скачков уплотнения и других эффектов около- и сверхзвуковых режимов течения в межлопаточных каналах турбинных решеток.

   В практических расчетах используются зависимости коэффициента профильных потерь от относительного шага решеток и толщины выходных кромок лопаток, пример одной из которых представлен на рис. 6.4,а. На рис. 6.4,б показано влияние числа Маха на уровень потерь для сопловой решетки при различных формах ее меридионального обвода (число М1t определяется по теоретическому значению абсолютной скорости с1t). Видно, что при сверхзвуковых скоростях (М1t1) потери в решетке растут.

      Минимальное значение коэффициента профильных потерь пр для сопловых решеток имеет место при оптимальных значениях относительного шага, составляющих диапазон опт=0,7…0,85. Известно, что чем меньше угол , тем больше протяженность косого срезе решетки и более вероятен отрыв потока в нем. В этой связи обычно применяют сопловые решетки с эффективным углом =12…180. При этом угол 1опт=1ск+(3…6)0.

       

                                                 а)                                                                                    б)

Рис. 6.4. Зависимости коэффициента профильных потерь для турбинных решеток в зависимости от относительного шага и толщины кромки (а) и числа Маха (б)

(на рис. 6.4, а сплошные линии относятся к сопловой решетке, а пунктирные  - к рабочей)

Концевые потери в турбинных решетках связаны с формированием вторичных вихревых течений в их периферийных и корневых сечениях. Из-за повышенного давления у вогнутой поверхности лопатки в пограничном слое на торцевых стенках канала решетки (периферийном и корневом) происходит перетекание среды к спинке, где давление ниже. На спинке осуществляется взаимодействие с основным пограничным слоем на профиле лопатки, в результате чего образуются вихревые шнуры и резко увеличивается толщина пограничного слоя. Из модели формирования вторичных течений, представленной на рис. 6.5,а, следует, что в серединной части канала решетки для выделенного единичного элемента рабочей среды имеет место равенство действующих на него сил давления Rp и центробежных сил Rцс. Это равенство нарушается у концов лопаток, где из-за влияния вязкости торцевого пограничного слоя и уменьшения скорости течения среды в нем центробежная сила сокращается, т.е. RцсRр. Нарушение баланса приведенных сил приводит к изменению траектории движения выделенного элемента (перемещению поперек канала), что сокращает эффект его участия в процессах преобразования энергии в соответствующих решетках. Концевые потери оцениваются коэффициентом конц=-пр, которые растут пропорционально значению относительной хорды лопатки b/l (рис.6.5,б). Видно, что с уменьшением высоты лопаток концевые потери растут линейно. При малых высотах решеток может происходить смыкание вторичных течений, что предопределяет резких рост потерь в решетке. Поэтому обычно не используют лопатки высотой меньше 10…12 мм. Кроме относительной высоты на концевые потери влияют углы поворота каналов, относительный шаг, форма профиля лопатки и ряд других параметров решеток.

  а)                                                                                               

                                                                                                 б)

Рис. 6.5. Модель формирования вторичных течений (а) и зависимость с=f(b1/l1) (б)

 

Одной из важнейших характеристик турбинных решеток являются их коэффициенты расхода =G/Gt, выражающие отношение действительного расхода к теоретически возможному его значению. На рис. 6.6,а показаны зависимости коэффициентов 1 и 2 от относительной высоты лопаток и угла поворота =1800-(1ск+) для перегретого пара. Для влажного пара коэффициенты расхода выше из-за его неравновесного расширения в каналах решеток (рис. 6.6,б). В расчетах допускается применение упрощенных выражений для оценки :                               1=0,982-0,005b1/l1;          2=0,965-0,01b2/l2.                         (6.4)  

На рис. 6.7 представлены зависимости коэффициентов скорости турбинных решеток от их параметров b/l, угла для сопловой и угла поворота потока =1800-(1+2) для рабочей решеток.  В процессе предварительных оценок можно использовать выражения:

                              =0,98-0,008b1/l1;             =0,96-0,014b2/l2.                                    (6.5)   

К режимным параметрам турбинных решеток относят:

  1.  числа Маха (для сопловой решетки М1t1t1t, где скорость звука ;

    для рабочей решетки М2t=w2t/a2t, где );

2. числа Рейнольдса Re1=c1tb1/1 и Re2=w2tb2/2, где кинематическая вязкость водяного пара определяется по его параметрам в сопловой и рабочей решетках.

           

Рис. 6.6.Зависимости =f(b/l) и вл/пп=f(y2)  

           

           Рис. 6.7. Зависимости ,=f(b/l)       

6.3. Маркировка турбинных решеток и их формирование

Турбинные решетки маркируются следующим образом: первый указатель (буква) определяет тип решетки (сопловаяС, рабочая - Р), второй (число) – угол входа потока в градусах (0 – для сопловой, 1 – для рабочей), третий (число) – среднее значение эффективного угла выхода ( - для сопловой,  - для рабочей), последний (буква) – тип профиля (А, Б, В, Р). В зависимости от числа Маха М рекомендуются следующие типы профилей: Адозвуковые при М0,7…0,9; Боколозвуковые при 0,9М1,15; В сверхзвуковые при 1,15М1,3; Р расширяющиеся при М1,3.

Например, маркировка С-90-12А представляет сопловую решетку для реализации процессов расширения водяного пара при дозвуковых скоростях с углом входа в ее каналы 0900 и эффективным углом выхода =120, а Р-30-21Б – околозвуковую рабочую решетку с 1=300 и =210. Выбор профилей турбинных лопаток осуществляется по известным значениям кинематических, режимных и геометрических параметров, получаемых на основе расчетов проточной части ступени. Профили лопаток соответствующих решеток подбираются из атласов или нормалей, где приведены зависимости для определения коэффициентов потерь при различных условиях формирования каналов решеток. На рис. 6.8,бc, в качестве примера, представлены характеристики профилей для сопловой и рабочей решеток, где коэффициенты потерь 1 даны при фиксированных значениях чисел Маха, относительного шага установки лопаток в решетках и углов входа в них. Там же даны зависимости для определения углов установки лопаток в соответствующих решетках.

Например, для выбранного профиля С-90-12А (рис. 6.8,а) при заданном значении параметра b1/l1=3,0 коэффициент потерь с1=9%. Поправка на расчетный уровень числа М1t=0,4 (представленные зависимости получены в процессе экспериментальной отработки профиля при М1t=0,5) k1=1,12. Поправка на отклонение угла входа 0 от значения 0=900 оценивается по зависимости k2=f(0) (рис. 6.8,а). Для условий рассматриваемого примера принимается значение k2=1. Поправка на отклонение относительного шаг решетки  от оптимального значения оценивается по зависимости k3=f() (рис. 6.8,а). Например, для полученного в расчетах значения =0,70 поправочный коэффициент k3=1,05. Эта зависимость дает возможность оценить оптимальное значение относительного шага турбинных лопаток в решетке (), при котором коэффициент профильных потерь пр имеет минимальное значение (при уменьшении  возрастают кромочные потери). В итоге для выбранного профиля следует ожидать коэффициент потерь сопловой решетки с=k1k2k3с1=1,121,01,050,09=0,106, т.е. потери составляют 10,6%. Аналогично оцениваются и потери в рабочей решетке (рис. 6.8,б), сформированной из выбранного в атласе профиля рабочих лопаток. По выбранным значениям относительного шага  и угла () определяются  углы установки у (у) соответствующих лопаток в решетках. Устанавливая один и тот же профиль под различными углами у (у), можно обеспечить углы выхода потока 1 (2) с диапазоном отклонения от их номинальных значений (1-2)0.

                 

                                                 а)                                                                                                б)

Рис. 6.8. Зависимости для определения коэффициентов потерь сопловой решетки С-90-12А  (а) и рабочей Р-30-20А (б)

Для окончательного формирования решетки необходимо определить число лопаток в ней (z1 или z2): по формуле z=d/t. Здесь d – средний диаметр соответствующей решетки (или ступени, если средние диаметры сопловой и рабочей решеток совпадают); t=b- шаг расположения лопаток в решетке в сечении со средним ее диаметром. Значения z округляются до целого, а для сопловых решеток до целого четного значения. После этого корректируется шаг лопаток t по принятому значению z:  t =d / z. Следует отметить, что при уменьшении шага t межлопаточный канал может стать на выходе расширяющимся и скорость дозвукового потока в выходной части канала уменьшается, что приводит к резкому росту профильных потерь. Поэтому на основе выбранных геометрических характеристик турбинных профилей предварительно вычерчивается межлопаточный канал решетки, в котором при дозвуковых скоростях потока должны отсутствовать диффузорные участки, а также участки большой кривизны на спинке профиля не должны располагаться в зоне косого среза решетки. Обычно чем меньше значение угла для сопловой решетки, тем больше протяженность косого среза, в котором на спинке профиля из-за положительного градиента давлений существенно возрастает толщина пограничного слоя и формируется отрыв потока. В связи с этим при углах 8…100 потери энергии в решетке растут. Поэтому решетки с 80 практически не применяются в турбинах, а наиболее широко представлены решетки с =12…180. При очень больших углах (300) трудно обеспечить конфузорность межлопаточного канала на всем его протяжении, что является причиной роста потерь на трение в таких решетках.

При необходимости уточняется значение коэффициента потерь решетки и вводят к ним дополнительные поправки, включая на изменение толщины выходной кромки лопаток, веерности решетки, чисел Re и М, а также шероховатости поверхности профиля.

Влияние числа Маха на профильные потери (рис. 6.4,б) начинает сказываться при М0,4…0,6, когда проявляются эффекты сжимаемости водяного пара. Поправка на повышенную шероховатость поверхности лопаток ш оценивается по формуле

                                                               .                                            (6.8)  

На рис. 6.9 показано фото рабочих решеток, установленных в дисках турбинных ступеней.

Рис. 6.9. Рабочие решетки турбинных ступеней

В заключение, в табл.6.1, представлены геометрические характеристики ограниченной выборки профилей турбинных лопаток МЭИ с указанием возможных диапазонов изменения показанных ранее параметров и величин.

Таблица 6.1. Геометрические характеристики профилей МЭИ

Тип

профиля

,

град

0расч, 1расч

1t)опт,

2t)опт

b1, b2

мм

F, см2

Iмин, см4

Wмин, см3

Сопловые решетки

С-90-12А

10-14

70-120

0,72-0,87

до 0,85

52,5

4,09

0,591

0,575

С-90-15А

13-17

70-120

0,70-0,85

до 0,85

51,5

3,3

0,36

0,45

С-90-18А

16-20

70-120

0,70-0,80

до 0,85

47,1

2,72

0,243

0,333

С-90-22А

20-24

70-120

0,70-0,80

до 0,90

45,0

2,35

0.167

0,265

С-90-27А

24-30

70-120

0,65-0,75

до 0,90

45,0

2,03

0,116

0,195

С-90-12Б

10-14

70-120

0,72-0,87

0,85-1,15

56,6

3,31

0,388

0,420

С-90-15Б

13-17

70-120

0,70-0,85

0,85-1,15

52,0

3,21

0,326

0,413

С-90-12Р

10-14

70-120

0,58-0,68

1,4-1,8

40,9

2,30

0,237

0,324

С-90-15Р

13-17

70-120

0,55-0,65

1,4-1,7

42,0

2,00

0,153

0,238

Рабочие решетки

Р-23-14А

12-16

20-30

0,60-0,75

до 0,95

25,9

2,44

0,43

0,39

Р-26-17А

15-19

23-35

0,60-0,70

до 0,95

25,7

2,07

0,215

0,225

Р-30-21А

19-24

25-40

0,58-0,68

до 0,90

25,6

1,85

0,205

0,234

Р-35-25А

22-28

30-50

0,55-0,65

до 0,85

25,4

1,62

0,131

0,168

Р-46-29А

25-32

44-60

0,45-0,58

до 0,85

25,6

1,22

0,071

0,112

Р-27-17Б

15-19

23-45

0,57-0,65

0,80-1,15

25,4

2,06

0,296

0,297

Р-30-21Б

19-24

23-40

0,55-0,65

0,85-1,10

20,1

1,11

0,073

0,101

Р-35-25Б

22-28

30-50

0,55-0,65

0,85-1,10

25,2

1,51

0,126

0,159

Р-21-18Р

16-20

19-24

0,60-0,70

1,3-1,6

20,0

1,16

0,118

0,142

Р-25-22Р

20-24

23-27

0,54-0,67

1,35-1,6

20,0

0,99

0,084

0,100

Профиль сопловой и рабочей решёток выбирают по значениям углов выхода потока α1 и β2, которые в дозвуковом диапазоне скоростей практически равны эффективным углам α1эф=arcsin(a1/t1) и β2эф=arcsin(a2/t2). Выбранный профиль проверяют по близости углов входа потока α0 и β1, полученным из теплового  расчёта турбинной ступени. Если разница значений углов менее 5-10 градусов, то выбирают тот профиль, у которого она минимальна. В условиях проектируемой ступени такой профиль будет работать с небольшими углами атаки на входе в решётку. При этом его эффективность несколько уменьшится по сравнению с обтеканием профиля при нулевом угле атаки.

В атласе турбинных профилей коэффициенты потерь турбинных решеток обозначены ζ. В случаях, когда на соответствующих зависимостях имеется сообщение =l/b=∞ (коэффициенты потерь получены для высоты лопаток  много большей, чем хорда профиля), то значение ζ соответствует профильным потерям. Если же такое сообщение отсутствует, то значение ζ соответствует суммарным потерям (сумме профильных и концевых потерь).

Пример выбора профиля сопловой решетки при угле входа потока α0=900, угле выхода потока α1=140, высоте лопатки l1=28,2 мм, хорде профиля b1=60 мм, теоретической скорости c1t=280 м/с, температуре пара за решёткой t1=3000C, показателе изоэнтропы х=1,3, газовой постоянной R=462,5 Дж/(кг∙К). Для исходных данных значение числа Маха

Мс1t=c1t/a1t=c1t/=280/=0,477<0,85. Профиль лопаток сопловой решетки выбирается по значению α1эф=140. В табл. 6.1 находим профиль С-9015А, ближайший к заданному α1эф=140. Определим относительный шаг t1отн=t1/b1 и угол установки αу с помощью «Атласа профилей турбинных лопаток», в котором находим зависимость коэффициента профильных (=l/b=∞) потерь от относительного шага  (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Зависимость профильных потерь решетки от относительного шага расположения профилей С-90-15А

             По минимальному значению коэффициента потерь для кривой М1t=0,5 (число Маха, близкое к исходному значению) находится значение опт=0,760. Угол установки профиля оценивается по формуле: =-16 ∙ (опт –0,75)+23,1=14-16∙(0,76-0,75)+23,1=35,50.

По зависимости ζ=f(M1t) (рис. 6.11) определяется при M1t=0,477 коэффициент профильных потерь ζпр=0,021. Представленная зависимость получена на основе опытов при значениях α0=900, αу=380, опт=0,75, близких к исходным в решаемой задаче.

Рис. 6.11. Зависимость коэффициента профильных потерь от числа Маха для сопловой решетки  с профилями С-90-15А

Коэффициент полных (суммарных) потерь зависит от относительной высоты профиля  =l/b.  Для решаемой задачи =l/b=28,2/60=0,47. По значению 1/=2,13 определяется коэффициент ζ=0,063 из зависимости ζ=f(1/), приведенной на рис. 6.12. Коэффициент концевых потерь ζкон=ζ-ζпр=0,063-0,021=0,042. Коэффициент скорости φ=с1/с1t==0,979.

Рис. 6.12. Зависимость коэффициента потерь сопловой решетки с профилями С-90-15А от относительной хорды

Лектор: В.Ф. Касилов


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58202. Функции белков 74.5 KB
  Белки выполняют чрезвычайно важные и многообразные функции. Белки входят в состав всех клеточных мембран и органоидов клетки. Двигательную функцию выполняют особые сократительные белки.
58205. Принципы бухгалтерского учета 75.5 KB
  Принципы бухгалтерского учета Развитие модели рыночной экономики в России вызывает необходимость изменения базисных категорий бухгалтерского учета к которым в первую очередь относятся принципы ведения бухгалтерского учета.
58206. Производство и потребности 39.5 KB
  Целью любого производства является удовлетворение человеческих потребностей. Связь между производством и потребностями проявляется в действиях: потребности запросы потребителя стимулируют производителя а производство создавая новые блага оказывает влияние на потребление...
58208. Создание web-страниц. Добавляем голос 30 KB
  Музыкальные файлы можно добавлять двумя способами: ссылка на файл, активация которой открывает диалоговое окно. С помощью этого окна можно сохранить файл или прослушать через программу – музыкальный проигрыватель...
58210. Створення молекули поліпептиду 221.5 KB
  Використання діалогового вікна амінокислот mino cids Очистіть робочий простір шляхом перезапуску HyperChem або вибравши пункт New в меню File. Перевірте чи неактивна команда Show Secondry Structure в меню Disply. Виберіть пункт mino cids в меню Dtbses. Виберіть пункт Lbels в меню Disply.