Выбор и моделирование профилей турбинной ступени

Выбор профилей направляющих и работающих лопаток базируется на существующих нормалях н налаженности производства лопаток на конкретном предприятии.

Для цилиндрических лопаток профиль подбирается из числа нормализованных по условиям работы лопаточного аппарата на среднем диаметре. Для лопаток переменного сечения в основу профилирования закладывают хорошо изученный нормализованный профиль, из которого создают произвольные профили в других сечениях. Как правило, в направляющих аппаратах нормализованный профиль принимают для среднего сечения, а для рабочих лопаток - для корневого.

Подбор профилей облопатывания имеет некоторое различие для аппаратов, отличающихся условиями работы и назначением. Для турбин, работающих, в основном, на одном режиме 100% нагрузки, подбор профилей направляющих и рабочих лопаток из числа нормализованных производится по углу выхода потока α ₁ (β₂),углу набегания потока α ₀ (β₁) и требуемой ширине В_С (В_Р) по данным расчета. При выборе профиля рабочей лопатки по углам β₁ и β₂ допускается наличие угла атаки , который на основном расчетном режиме желательно иметь положительным и небольшим по величине (до 3÷5⁰).

Для лопаток переменного сечения геометрия решетки в корневом сечении (β₁ и β₂ и др.) устанавливается из расчета параметров пространственного потока.

Профили лопаток для турбинных решеток с большой степенью реактивности - сопловые лопатки активных турбин, направляющие и рабочие лопатки реактивных турбин (сильно конфузорные каналы) подбираются из числа профилей типа С(Н). Эти профили имеют входной угол α ₀ (β₁)=90^о. Подбор их производят по необходимому углу выхода потока α ₁ (β₂) и ширине профиля В_С (В_Р) по зависимости α ₁ при различных значениях угла установки профиля β _У.

Лопатки, подобранные из профилей типа С(Н) малочувствительны к углу атаки вследствие их высоко аэродинамического совершенства. С учетом малых скоростей набегания потока углы атаки на основных расчетных режимах можно допускать до 10°, а иногда н более.

Профили лопаток для турбинных решеток с малой степенью реактивности - рабочие лопатки активных турбин (слабоконфузорные каналы) - подбираются из числа профилей типа Р. По углам β₁ и β₂ и принятой ширине профиля В подбирается по нормалям ближайший подходящий профиль. Для ориентировки при выборе профиля следует знать, что каждый профиль нормали наиболее пригоден для вполне определенных углов β₁ и β₂. Допускается поворот профиля в некотором диапазоне изменения угла установки δ _b. Поворотом профиля приходится пользоваться, если невозможно получить нужный угол α ₁ (β₂), за счет выбора соответствующего шагового отношения t / b. При выборе t / b и В следует иметь ввиду условия работы профиля в решетке на основном и других возможных режимах, то есть профиль в решетке не должен сильно реагировать на изменения угла входа α ₀ (β₁) в диапазоне возможных режимов (u ₁/ c ₁) по профильным потерям и по углу β₂.

По данным исследований, с изменением угла δ _b приведенные в нормалях и атласах профили дают изменение эффективного угла выхода потока β_2эф (α _{1 эф} ), равное Δ β_2эф =Δ δ _b. В результате поворота профиля несколько меняется осевая ширина В при неизменном значении хорды b и других геометрических параметров профиля.

Ширина профиля В определяет прочностные и вибрационные характеристики облопатывання, поэтому ее следует установить сразу после того, как будет известна нагрузка по данным теплового расчета. С точки зрения аэродинамики для уменьшения концевых потерь энергии целесообразно увеличивать до определенного предела отношения 1_Н/ b, однако до такого значения, чтобы не наступило заметного увеличения профильных потерь при снижении числа Re и потерь от сопутствующих явлении в результате изменений:

 - неоднородности потока на входе в решетку под влиянием силовых ребер;

 - относительной величины осевого зазора в ступени S / b;

 - неоднородности потока в осевом зазоре между направляющим к рабочим аппаратами под влиянием изменения числа сопловых лопаток;

 - относительной шероховатости поверхности лопаток;

 - формы профиля, так как пропорциональное уменьшение толщины выходной кромки с уменьшением горла не всегда возможно.

Выбор ширины профиля рабочей лопатки следует увязывать с прочностными и вибрационными характеристиками лопатки. Подбор профиля можно производить по таблице 3, которая составлена с использованием атласа профилей решеток осевых турбин.

По результатам газодинамического расчета турбинной ступени разрабатывается эскиз ее проточной части, на основании которого производится выбор ширины В профиля соплового аппарата и профиля рабочего аппарата. Подбор профиля соплового аппарата производится для среднего диаметра, а подбор профиля рабочего аппарата – для корневого диаметра на основании расчета закрутки лопаток.

Ширина лопаток (профилей) на эскизе В, как правило, не совпадает с шириной подобранного нормализованного профиля В_н (таблица 3). В этом случае необходимо выполнить моделирование турбинных профилей отдельно для соплового аппарата и для рабочего аппарата.

При моделировании турбинных профилей определяется масштабный коэффициент

.

После этого пересчитываются следующие характеристики профилей:

- хорда профиля ;

- площадь поперечного сечения профиля ;

- момент инерции ;

- момент сопротивления .

Таблица 3 - Некоторые характеристики турбинных профилей (МЭИ).

Обозначе-ние профиля	α 1эф, β 2эф, град.	α 0, β1, град		,	, , см	, см2	, см4	, см3	, см
С-90-09А С-90-12А С-90-15А С-90-18А	9-11 10-14 13-17 16-20	70-120 70-120 70-120 70-120	0,72-0,85 0,72-0,87 0,70-0,85 0,70-0,80	до 0,90 до 0,85 до 0,85 до 0,85	6,06 6,25 5,15 4,71	3,45 4,09 3,30 2,72	0,416 0,591 0,36 0,243	0,471 0,575 0,45 0,333	2,94 3,40 3,08 3,14
С-90-22А С-90-27А С-90-ЗЗА С-90-38А	20-24 24-30 30-36 35-42	70-120 70-120 70-120 70-120	0,70-0,80 0,65-0,75 0,62-0,75 0,60-0,73	до 0,90 до 0,90 до 0,90 до 0,90	4,5 4,5 4,5 4,5	2,35 2,03 1,84 1,75	0,167 0,116 0,090 0,081	0,265 0,195 0,163 0,141	3,13 3,28 3,56 4,0
С-55-15А С-55-20А С-45-25А С-60-30А	12-18 17-23 21-28 27-34	45-75 45-75 35-65 45-85	0,72-0,87 0,70-0,85 0,60-0,75 0,52-0,70	до 0,90 до 0,90 до 0,90 до 0,90	4,5 4,15 4,58 3,46	4,41 2,15 3,30 1,49	1,195 0,273 0,703 0,118	0,912 0,275 0,536 0,154	3,3 3,5 4,0 3,3
С-65-20А С-70-25А С-90-12Б С-90-15Б	17-23 22-28 10-14 13-17	45-85 55-90 70-120 70-120	0,60-0,70 0,50-0,67 0,72-0,87 0,70-0,85	до 0,90 до 0,90 0,85-1,15 0,85-1,15	4,5 4,5 5,66 5,2	2,26 1,89 3,31 3,21	0,338 0,242 0,388 0,326	0,348 0,235 0,420 0,413	3,5 3,6 3,1 3,99
С-90-12Р С-90-15Р Р-23-14А Р-26-17А	10-14 13-17 12-16 15-19	70-120 70-120 20-30 23-35	0,58-0,68 0,55-0,65 0,60-0,75 0,60-0,70	1,4-1,8 1,4-1,7 до 0,95 до 0,95	4,09 4,2 2,59 2,57	2,30 2,00 2,44 2,07	0,237 0,153 0,43 0,215	0,324 0,238 0,39 0,225	2,67 2,6 2,5 2,5
Р-30-21А Р-35-25А Р-46-29А Р-60-ЗЗА	19-24 22-28 25-32 30-36	25-40 30-50 44-60 47-65	0,58-0,68 0,55-0,65 0,45-0,58 0,43-0,55	до 0,90 до 0,85 до 0,85 до 0,85	2,56 2,54 2,56 2,56	1,85 1,62 1,22 1,02	0,205 0,131 0,071 0,044	0,234 0,168 0,112 0,079	2,5 2,5 2,5 2,5
Р-60-38А Р-23-14Ак Р-26-17Ак Р-27-17Б	35-42 12-16 15-19 15-19	55-75. 20-30 23-45 23-45	0,41-0,51 0,60-0,75 0,60-0,70 0,57-0,65	до 0,85 до 0,95 до 0,95 0,8-1,15	2,61 2,59 2,57 2,54	0,76 2,35 1,81 2,06	0,018 0,387 0,152 0,296	0,035 0,331 0,165 0,296	2,5 2,5 2,5 2,5
Р-27-17Бк Р-30-12Б Р-35-25Б Р-21-18Р Р-25-22Р	15-19 19-24 22-28 16-20 20-24	23-45 25-40 30-50 19-24 23-27	0,57-0,68 0,55-0,65 0,55-0,65 0,60-0,70 0,54-0,67	0,85-1,15 0,85-1,10 0,85-1,10 1,3-1,6 1,35-1,6	2,54 2,01 2,51 2,0 2,0	1,79 1,11 1,51 1,16 0,99	0,216 0,073 0,126 0,118 0,084	0,216 0,101 0,159 0,142 0,100	2,5 1,98 2,5 2,0 2,0