Лопатки сопловых и рабочих решеток осевых турбин

При подводе газа к ступени близкому к осевому, сопловое лопатки изготавливаются одинаковыми с углом входа =90°. При боковом подводе газа, как правило, не делают закрутки газоподводящих каналов по направлению вращения ротора, поэтому здесь также =90°.

Форма профиля должна обеспечивать безотрывность обтекания. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет параболический и гиперболический профили.

Толщина выходной кромки должна быть минимальной, ее следует выбирать из технологических условий изготовления. Обычно в турбокомпрессорах сопловые лопатки изготавливаются литьем, и поэтому толщина выходной кромки равна 0,8÷1,2 мм. Большие размеры относятся к турбокомпрессорам больших размеров.

Угол потока на выходе из сопловой решетки  определяется типом профиля. Этот угол приблизительно равен эффективному углу выхода потока , который находится по выражению:

,                                 (4.12)

где - горло межлопаточного канала; - шаг сопловой решетки.

От угла  существенно зависят потери энергии в сопловом аппарате. Уменьшение угла  ведет к увеличению угла поворота потока в межлопаточном канале и увеличению потерь. Однако, значительное увеличение угла  приводит к необходимости увеличения угла , а следовательно, и к росту скорости на выходе из ступени  и уменьшению КПД ступени.

Окружной шаг решетки находится по выражению:

.                                     (4.13)

Число лопаток соплового аппарата обычно = 20÷40 и определяется по величине относительного шага решетки  и зависит от размеров турбокомпрессора. Оптимальное значение относительного шага на среднем диаметре обычно = 0,7÷0,8.

Скорость, направления потока и давления газа на выходе из решетки существенно меняются по шагу. Однако по мере удаления от соплового аппарата происходит выравнивание параметров газа. По результатам экспериментальных исследований оптимальная величина осевого зазора на среднем диаметре составляет приблизительно 1/3 ширины решетки. С целью уменьшения осевых размеров турбокомпрессора осевой зазор принимается равным 0,15÷0,2 меридиональной ширины решетки.

Профилирование рабочих лопаток и выбор основных геометрических параметров решетки лопаток сводится к обеспечению изменения параметров в соответствии с результатами газодинамического расчета турбины и получению минимальных потерь энергии. В то же время выбранные профили рабочих лопаток должны максимально удовлетворять требованиям прочности и простоты изготовления. Высокая эффективность работы межлопаточного канала может быть достигнута лишь при условии безотрывного обтекания лопаток, которое обеспечивается, прежде всего, отсутствием диффузорных участков и равномерным сужением каналов по всей длине. Обычно углы на входе рабочей лопатки осевой турбины при = 0,4÷0,5 на среднем диаметре  = 48÷60°, = 24÷28°. В импульсных турбинах угол лопатки на входе  следует брать несколько меньше расчетного, так как при срабатывании в турбине импульса давления поток газа имеет большую энергию, соответствующую максимальным значениям давления.

Число рабочих лопаток осевой турбины обычно 26÷45. От количества рабочих лопаток существенно зависит, при сохранении оптимального шага, жесткость лопатки, а, следовательно, и ее вибропрочность. Поэтому при относительно большой длине целесообразно иметь меньшее количество лопаток. Это упрощает изготовление литых лопаток и цельнолитых колес. Уменьшение числа рабочих лопаток и соответствующее увеличение хорды и толщины профиля приводит к увеличению толщины диска рабочего колеса и момента инерции ротора турбины, что отрицательно сказывается на приемистости дизеля. Поэтому, когда это допустимо по условиям вибропрочности, число рабочих лопаток выбирается ближе к верхнему пределу.

Толщина выходной кромки лопатки зависит от технологии изготовления и обычно равна 0,8÷1,5 мм. В периферийных сечениях лопатки толщина выходной кромки меньше, чем в корневых сечениях. Радиус входной кромки лопатки составляет (0,03÷0,05) .

В осевых турбинах в связи с изменением параметров потока по высоте лопатки и с целью обеспечения безударного обтекания профиля по всей длине лопатки при <10 выполняют закрутку лопаток, то есть их профилирование по высоте. В газовых турбинах наибольшее распространение получил тип закрутки по условию постоянства циркуляции по высоте: .

При профилировании рабочей лопатки по высоте необходимо обеспечить минимальные потери энергии в решетке, минимальные напряжения в лопатке, максимальную вибропрочность, минимальный момент инерции лопатки относительно оси ротора и максимальную технологичность. Минимум потерь энергии в турбинной ступени достигается при относительном шаге: для периферийных сечений = 0,8÷0,9; на среднем диаметре = 0,7÷0,8; в корневых сечениях = 0,6÷0,7.