Движение рабочей среды в ступенях с относительно высокими (длинными) лопатками

В предыдущих разделах движение рабочей среды в проточной части турбинной ступени принималось плоскопараллельным. В этом случае делалось допущение, что окружная скорость и степень реактивности не меняются по высоте рабочих лопаток. Расчет ступени при указанном допущении ведется по параметрам рабочей среды и геометрическим размерам на среднем диаметре ступени. Выбранные для среднего сечения профили сопловых и рабочих лопаток принимаются и для других сечений лопатки. Поэтому ступени, рассчитанные из условия плоскопараллельного потока, имеют лопатки постоянного по высоте профиля (цилиндрические).

Допущение о постоянстве параметров по высоте лопатки является тем более справедливым, чем больше отношение . В настоящее время считается, что расчет ступени из условия плоскопараллельного потока является оправданным, если .

Ступени, у которых , условно называют ступенями с относительно высокими (длинными) лопатками, или ступенями большой веерности. Поток в таких ступенях имеет выраженную пространственную структуру, поэтому расчет таких ступеней из условия плоскопараллельного потока считается недопустимым, так как пренебрежение изменением параметров по высоте лопатки приводит к заметному снижению КПД ступени.

Степень реактивности в ступени, как и окружная скорость, возрастает от корневого сечения к периферии.

При конической форме проточной части скорость выхода из сопла можно разложить на три составляющие: окружную c_1u, осевую c_1a и радиальную c_1r (рис. 16.1). При этом

,

где - составляющая вектора скорости C₁ в меридиональной плоскости.

Рис.16.1 Составляющие скоростей выхода из сопла конической проточной части

Рассмотрим движение потока в осевом зазоре между соплами и рабочими лопатками в ступени с цилиндрическими обводами, у которой и .

При движении в осевом зазоре с окружной скоростью С_1u под действием центробежной силы поток приближается к наружной ограничивающей поверхности стенки и испытывает со стороны последней тормозящее воздействие. В связи с этим давление в осевом зазоре Р₁ в периферийном сечении будет наибольшим, а в корневом - наименьшим.

Закрутка имеет место и за рабочими лопатками при неоптимальных значениях скоростной характеристики ₁=u/c₁.

Однако влияние закрутки за рабочими лопатками на давление за ступенью невелико в связи с малым значением скорости С₂. Практически при осевом выходе потока из рабочих лопаток и близком к нему давление перед ступенью и за ней, а следовательно, и изоэнтропийный перепад энтальпий в ступени остаются по высоте лопатки неизменными. Поскольку давление в зазоре между соплами и рабочими лопатками увеличивается от корня к периферии, степень реактивности по радиусу ступени также растет (рис.16.2).

Для активной турбинной ступени (ρ=0) степень реактивности в корневом сечении будет отрицательной. При этом в корневых сечениях возникает диффузорное течение (P₂>P_1k), что может вызвать образование вихревой зоны и существенный рост потерь кинетической энергии в ступени.

Увеличение P₁ по радиусу при неизменных начальных и конечных параметрах приводит к перераспределению расхода через единицу площади поперечного сечения сопловых каналов. У периферии расход становится меньше, чем в корневом сечении. По этой же причине расход через единицу площади рабочих каналов у периферии будет больше, чем у корня. Несоответствие в расходе в различных, сечениях приводит к радиальным перетеканиям, что вызывает искривление линий тока в меридиональной плоскости и повышение потерь энергии в рабочей решетке.

Для исключения последствий отрицательной степени реактивности у корня ее принимают в корневом сечении из условия ρ_к>0..0,2. Исходя из этого определяют степень реактивности на среднем диаметре. Учитывая изложенное, становится очевидной невозможность профилирования лопаток в ступенях с малым отношением d₂/1₂ без учета пространственной структуры потока.

Рис.16.2 Изменение давления за соплом и степени реактивности ступени по высоте лопатки.