Тема №3: Геометрические характеристики турбинной ступени

Геометрическое представление о ступени дается меридиональным и цилиндрическим сечениями.

Меридиональное сечение ступени можно получить, если рассечь ее по одному из диаметров.

Цилиндрическое сечение можно получить, если рассечь ступень концентричным с осью ступени цилиндром, а затем полученное сечение развернуть на плоскость.

При этом развертка цилиндрического сечения на плоскости называется решеткой профилей.

В связи с тем, что по радиусу ступени меняются некоторые геометрические параметры (как минимум, расстояние между лопатками) цилиндрические сечения, полученные для различных радиусов, будут различаться.

Рассмотрим сначала конструктивные элементы которые выделяют у ступени (см. рис. 3.1 и 3.2) и у решетки профилей (рис. 3.3).

Из рассмотрения конструктивных особенностей активной и реактивной ступеней можно отметить, что:

- Активная ступень имеет ротор дисковой конструкции, а в реактивная – ротор барабанной конструкции.

- Сопловые лопатки в ступени активного типа крепятся в диафрагмы, а в ступени реактивного типа – набираются непосредственно в цилиндр (статор) турбоагрегата.

Более подробно необходимо остановиться на элементах турбинной решетки.

У турбинной решетки выделяют:

Корытце (сторона давления) – вогнутая часть профиля;

Спинка (сторона разряжения) – выгнутая часть профиля;

Входная кромка — кривая (дуга), соединяющая спинку и корытце профиля со стороны входа рабочего тела;

Выходная кромка – кривая (дуга), соединяющая спинку и корытце профиля со стороны выхода рабочего тела;

Передняя (задняя) фронтальная линия (ПФЛ и ЗФЛ) – прямая, касательная к входным (выходным) кромкам профилей решетки;

Хордовая линия – прямая, касательная к входной и выходной кромкам профиля.

Межлопаточный канал – пространство между спинкой и корытцем соседних профилей.

Средняя линия профиля – плавная кривая, соединяющая центры вписанных в профиль окружностей.

Рис. 3.1. Конструктивное исполнение реактивной турбины и основные элементы реактивной ступени

Рис. 3.2. Конструктивное исполнение активной турбины и основные элементы активной ступени

Косой срез решетки – пространство, ограниченное задней фронтальной линией, участком спинки профиля и отрезком, проведенным из центра последней вписанной в профиль перпендикулярно к спинке соседнего профиля.

Рис. 3.3. Элементы решетки профилей

Рассмотрим теперь важнейшие абсолютные геометрические характеристики ступени осевой турбомашины и решетки профилей (рис. 3.4 и 3.5).

Рис. 3.4. Схема осевой турбинной ступени и ее геометрические характеристики:

, , , , , − корневой, средний и периферийный диаметры на выходе соответственно из соплового аппарата и рабочего колеса; , − высоты сопловой и рабочей лопаток соответственно; − радиальный зазор между статором и вершиной бандажной полки; − передний осевой (межвенцовый) зазор между СЛ и РЛ; − радиальный зазор между бандажной полкой рабочей лопатки и статором; , , , − углы меридионального раскрытия ступени в СА и РК в корневом и периферийном сечениях; , − перекрыша корневая и периферийная

Рис. 3.1. Решетка профилей ступени: и - координаты положения максимальной толщины профиля; - радиус входной кромки; - толщина выходной кромки

Ширина решетки В – расстояние между ПФЛ и ЗФЛ.

Хорда профиля − расстояние между ПФЛ и ЗФЛ, измеренное параллельно хордовой линии.

Максимальная толщина профиля − максимальное расстояние между выпуклой и вогнутой поверхностями профиля, измеренное перпендикулярно средней линии (диаметр наибольшей из вписанных в профиль окружностей). Расстояние и – координаты положения максимальной толщины .

Угол установки профиля (для СЛ) или (для РЛ) – угол между ПФЛ решетки и хордовой линией профиля.

Если через центр первой (по ходу рабочего тела) из вписанных в профиль окружностей провести прямую, касательную к средней линии профиля, то угол между этой прямой и ПФЛ будет называться входным лопаточным (геометрическим) углом профиля (для СЛ) или (для РЛ).

Если через центр последней (по ходу рабочего тела) из вписанных в профиль окружностей провести прямую, касательную к средней линии профиля, то угол между этой прямой и ЗФЛ будет называться выходным лопаточным (геометрическим) углом профиля (для СЛ) или (для РЛ).

Шаг решетки − расстояние между сходственными точками соседних профилей, измеренное параллельно фронтальной линии.

Толщина входной кромки 2R_вх – диаметр первой (по ходу рабочего тела) из вписанных в профиль окружностей.

Толщина выходной кромки 2R_вых – диаметр последней (по ходу рабочего тела) из вписанных в профиль окружностей.

Горло решетки − минимальный диаметр окружности, вписанной в межлопаточный канал. В турбинной решетке эта окружность обычно расположена ближе к выходной кромке профиля, так как дозвуковые турбинные решетки конфузорны.

Горло канала определяет минимальное проходное сечение межлопаточного канала (МЛК) и, соответственно, максимальную скорость потока.

До горла характер течения определяется формой спинки и корытца, а после (в косом срезе) – формой спинки. Таким образом, косой срез оказывает существенное влияние на параметры потока рабочего тела на выходе из турбинной решетки: поток меняет свою скорость и направление.

Высоту лопатки измеряют в сечении горла, т.к. горло в турбинных решетках при дозвуковом течении располагается на выходе из МЛК, то и высоту лопатки принято измерять по выходной кромке.

Абсолютные геометрические размеры необходимы при производстве лопаток. При проектировании и сравнении лопаточного аппарата более удобно пользоваться относительными геометрическими характеристиками.

Веерность ступени – отношение высоты лопатки к среднему диаметру ступени.

Фактически эта величина означает относительную высоту лопатки. Чем она больше, тем лопатка выше, и, как будет показано ниже, больше будут различаться параметры потока рабочего тела по высоте ступени.

На практике чаще пользуются обратной величиной, т.к. отношение меньше единицы. При этом принято считать, что при отношении:

<4 – это ступени большой веерности;

>8…10 – ступени малой веерности.

В компрессоростроении часто также пользуются таким схожим с верностью понятием как втулочное отношение . Его значения меняется от 0,30…0,35 (длинные лопатки) до 0,85…0,90 (короткие лопатки).

Удлинение лопатки – отношение высоты лопатки к хорде, измеренной на среднем диаметре. По значению данного параметра судят о высоте лопатки. В длинных лопатках (с большим удлинением) большая их часть обтекается потоком при отсутствии влияния пограничных слоев, образующихся на поверхностях, ограничивающих проточную часть сверху и снизу. В коротких лопатках это влияние может захватывать до половины высоты лопатки.

Отношение называют относительным шагом, отношение – густотой решетки.

У относительного шага существует оптимальное значение. Для определения оптимального шага решетки широкое распространение получила формула В.И. Данилевского:

,

где А =0,45 для СА, А=055…0,60 дл РК; - относительная максимальная толщина профиля.

При выполнении решетки с шагом меньше, чем оптимальный, увеличивается количество лопаток, соответственно, возрастает поверхность трения и увеличиваются потери.

При выполнении решетки с шагом больше, чем оптимальный, снижается интенсивность взаимодействия между потоком и лопаточным аппаратом, соответственно, снижается мощность ступени.

Парусность – отношение хорды периферийного профиля лопатки к хорде корневого профиля. Обычно по условиям прочности лопатки , однако в первых ступенях осевых компрессором довольно часто применяются лопатки с >1, что делается для выравнивания относительно шага решетки по высоте ступени.

Угол кривизны профиля Q – угол между касательными к средней линии, проходящими через ее крайние точки; Q .

Чем больше кривизна профиля, тем более интенсивно протекает обмен импульсами между потоком и лопаточным аппаратом, однако, тем более вероятен срыв потока с лопатки. Обычно Q<130˚.

Чем больше значение верности ступени, тем

Относительная толщина выходной кромки -- отношение толщины выходной кромки к горлу канала. Показывает степень загроможденности выходного сечения МЛК выходными кромками.

Чем тоньше кромка, тем равномернее течение за решеткой, однако это противоречит условиям прочности лопаточного аппарата.

Выводы

1. Ступень характеризуется совокупностью геометрических размеров (параметров).

2. Важнейшие свойства ступени описываются также безразмерными геометрическими характеристиками.

Проектирование ступени состоит в оптимизации выбора геометрических параметров, которые должны обеспечить высокую эффективность работы (преобразования энергии) ступени, ее прочность, надежности и технологичность изготовления.