Влияние конструктивных факторов на потери энергии
Иногда в решетке могут появится дополнительные потери энергии, обусловленные её конструктивными особенностями. Из числа дополнительных потерь укажем на потери, обусловленные наличием связующей проволоки и наличием утонения на вершине лопатки (рис.35).
В ступенях реактивных турбин турбинные лопатки, высота которых не очень мала, обычно связываются в пакеты с помощью связующей проволоки. Это объясняется требованием увеличения жесткости пакетов и избежания опасных частот колебаний, которые могут вызвать поломку лопаток. Одновременно связующая проволока загромождает межлопаточные каналы и деформирует поток пара, что приводит к появлению дополнительных потерь энергии.
При наличии связующей проволоки турбинные лопатки обычно не имеют бандажа. Радиальные зазоры в таких ступенях стремятся выбрать минимальными, с тем, чтобы уменьшить протечки пара через зазоры. Однако при малых зазорах появляется опасность задевания лопаток о корпус или о ротор турбины. Обычно зазоры выбираются такими, чтобы исключить возможность задевания, но при аварийных деформациях ротора или корпуса, при усилении вибрации и т.д. задевания не исключены. Для того чтобы уменьшить опасность аварии в случае непредвиденного задевания на вершинах лопаток выфрезеровывается утонение. Такое утонение отрицательно сказывается на аэродинамику канала и также приводит к дополнительным потерям энергии.
Обозначим коэффициент дополнительных потерь через ζдоп, тогда формула для коэффициента потерь венца турбинных лопаток (ζd или ζs) запишется окончательно в виде:
(.4.11)
Зная величину коэффициента потерь можно определить сами потери кинетической энергии:
для направляющего аппарата
qd=ζd· (4.12)
для рабочей решетки
qs=ζs· . (.4.13)
Таким образом, расчет решетки выполняется по формулам адиабатного истечения с использованием коэффициентов, учитывающих степень отклонения реального процесса течения пара в каналах решетки от теоретического. Эти коэффициенты, а также угол истечения пара из решетки называют аэродинамическими характеристиками решетки.
В общем случае, в качестве аэродинамических характеристик решетки рассматриваются:
1. Коэффициент расхода - отношение действительного расхода пара через венец к теоретическому, т. е. к расходу, подсчитанному по формулам адиабатного истечения:
для неподвижных решеток
(2.4.14)
для подвижных решеток
(2.4.15)
2. Коэффициент скорости - отношение действительной скорости пара на выходе из решетки к теоретической:
для неподвижных решеток
(4.16)
для подвижных решеток
(4.17)
3. Коэффициент потерь энергии - отношение потерянной (преобразованной в тепловую) удельной кинетической энергии к располагаемой удельной энергии, т. е. к той энергии, которая могла бы быть получена на выходе из решетки при адиабатном истечении:
для неподвижных решеток
(4.18)
для подвижных решеток
(.4.19)
4. Угол выхода потока пара из решетки, т.е. угол между направлением скорости С1 (W2) и плоскостью вращения рабочего колеса турбины:
для неподвижных решеток – α1;
для подвижных решеток – β2.
Если расчет ведется в одномерном приближении, нет надобности рассматривать все названные характеристики в качестве основных. В этом случае между коэффициентом скорости и коэффициентом потерь энергии существует однозначная связь:
для неподвижных решеток
(4.20)
для подвижных решеток
(4.21)
Что касается коэффициента расхода, то в случае одномерного приближения, значение φр (ψр)может не вводиться в рассмотрение, так как действительный расход пара может быть подсчитан непосредственно из уравнения сплошности, записанного через действительные параметры пара.
Таким образом, впредь в качестве основных аэродинамических характеристик решетки будем рассматривать коэффициент потерь энергии ςd (ςs) и угол выхода пара из решетки α1 (β2).
Теоретический расчет коэффициентов ςd (ςs) и угла α1 (β2) связан с серьезными трудностями. Поэтому аэродинамические характеристики решеток турбинных лопаток обычно определяются опытным путем при продувках воздухом экспериментальных пакетов турбинных лопаток на специальных газодинамических стендах.
В общем случае аэродинамические характеристики решетки - коэффициент потерь энергии ςd (ςs) и угол выхода потока α1 (β2) зависят от формы профиля, геометрических характеристик решетка (шаг, угол установки, высота лопаток) и от режима обтекания решетки, характеризуемого углом входа пара на решетку α2 (β1) и числами М и Rе. Таким образом, для каждого профиля можно записать следующие функциональные зависимости:
(4.22)
(4.23)
Учитывать одновременно изменение всех параметров, определяющих значения ςd (ςs) и α1 (β2), затруднительно. Поэтому при практическом использовании формулы для определения коэффициента потерь энергии и угла выхода потока из решетки принято записывать в виде суммы отдельных составляющих, каждая из которых зависит от одного или двух параметров.
Выражение для коэффициента, потерь энергии может быть записано следующим образом (индексы d и s опускаем, так как эта формула одинаково справедлива и для направляющих и для рабочих решеток):
(4.24)
где ζ0 - коэффициент профильных потерь, учитывающий потери энергии в пограничном слое на поверхности лопаток и потери в вихревых следах за выходными кромками лопаток. Коэффициент профильных потерь зависит, главным образом, от формы профилей и от их положения в решетке, т. е. от шага и угла установки;
ζк - коэффициент концевых потерь, учитывающий потери энергии в пограничном слое по торцам межлопаточного канала, и потери, связанные с наблюдаемыми в торцевом пограничном слое перетеканиями пара с вогнутой на выпуклую поверхность канала (так называемые вторичные токи). Коэффициент концевых потерь зависит, главным образом, от относительной высоты лопаток и в предельном случае при (бесконечно длинные лопатки) ;
ζкс -коэффициент потерь на расширение пара в косом срезе канала решетки (если такое расширение наблюдается);
ζдоп - коэффициент, учитывающий дополнительные потери энергии, обусловленные конструктивными особенностями решетки: наличием связующей проволоки, наличием утонения на вершине реактивных лопаток, уменьшающего опасность аварии при задевании и т. д.;
χRe - коэффициент, учитывающий влияние на потери энергии числа Рейнольдса и относительной шероховатости поверхности профиля;
χм - коэффициент, учитывающий увеличение потерь энергии при сверхзвуковых скоростях на входе в решетку.
Следует иметь в виду, что выражение для коэффициента потерь, записанное в виде формулы (2.4.24), приходится использовать редко, так как некоторые составляющие потерь всегда будут отсутствовать. Основными составляющими потерь являются коэффициенты ζ0 и ζк.
Выражение для угла выхода потока из решетки α1 (β2) можно записать в следующем виде:
(.4.25)
, (4.26)
где α10 (β20) - угол выхода потока из решетки без учета расширения пара в косом срезе (основная величина);
- угол отклонения струи пара в косом срезе.
Расширение пара в косом срезе наблюдается только при сверхкритических теплоперепадах на решетку.
На всех прочих режимах
(4.27)
, (4.28)
Таким образом, выражения (4.24), (4.25) и (4.26) позволяют приближенно представить значения ζ, α1 и β2 в виде суммы отдельных составляющих. В обоих случаях выделена „основная величина" этой суммы ζ0, α10 и β20, которая существенно зависит от формы профиля и геометрических характеристик решетки. Прочие члены, входящие в выражения (4.24), (4.25) и (4.26), учитывают влияние условий обтекания и конструктивных особенностей решетки.
Лекция №5 | |
Тема: | Действие парового потока пара на рабочие лопатки турбинной ступени |
Учебная цель: | Дать систематизированные основы научных знаний о порядке определения силы действующей на рабочие лопатки, работы и КПД на окружности турбинной ступени |
Учебные вопросы: | 1. Силовое воздействие потока пара на рабочие лопатки 2. Работа на окружности турбинной ступени 3. Общее выражение для КПД на окружности турбинной ступени |
Литература: | [1]. Иванов Г.В., Горбачев В.А., Усов Ю.К. «Судовые турбомашины», СПб – ВМИИ, 2006. c. 42÷54 |
Дата добавления: 2015-11-26; просмотров: 1653;