Обтекание газом решетки лопаток

 

Вследствие криволинейности линий тока в межлопаточном канале турбинной решетки на частицы газа действуют центростремительные силы, которые вызывают повышение давления в канале от спинки лопатки к вогнутой поверхности соседней с ней лопатки.

Максимальное давление наблюдается в месте разветвления потока в точке А (рис. 4.5) - критической точке профиля. В этой точке линия тока нормальна к профилю, скорость равна нулю, а полное давление (при несжимаемой жидкости) для сопловой решетки

,

для рабочей решетки

.

Условимся считать положительными давления, которые превышают давление за решеткой, отрицательными - давления меньшие, чем за решеткой.

Эпюра давлений на вогнутой поверхности изображается кривой ABC с положительными ординатами на большей своей части (см. рис. 4.5); лишь вблизи выходной кромки часто наблюдаются  отрицательные давления. На всем протяжении спинки эпюра давлений ADC в большинстве случаев отрицательна; положительные давления наблюдаются иногда лишь вблизи выходной кромки.

Рисунок 4.5 - Эпюра давлений (ABCD) по профилю лопатки

 

Разность давлений на обеих поверхностях создает подъемную силу и, следовательно, в турбине - окружное усилие, приложенное к рабочей лопатке. Следует отметить, что это усилие создается главным образом разрежением на спинке, так как избыточное давление на вогнутой поверхности ограничивается полным давлением газа.

 

Кроме эпюры давлений, часто рассматривают эпюру скоростей по профилю и обе эти эпюры строят в прямолинейных координатах. По оси абсцисс откладывается длина (или относительная длина) развертки профиля, по оси ординат - относительные давления или относительные скорости. Так для соплового аппарата

,                                      (4.32)

,                                            (4.33)

где p и c - статическое давление и скорость газа в произвольной точке профиля;

p ₁ и c ₁ - статическое давление и скорость газа за решеткой.

Иногда, вместо относительной скорости по оси ординат откладывают приведенные скорости λ, число М,

При небольших скоростях потока за решеткой, пренебрегая сжимаемостью, относительное давление определяют по формуле

.                                     (4.34)

Применительно к рабочей решетке

,                   (4.35)

.

Характер эпюр распределения давления и скорости при обтекании решетки идеальной несжимаемой жидкостью показан на рис.4.6, где точка О является точкой разветвления потока. На участках профиля, где давление повышается (диффузорность), может произойти отрыв потока от профиля, являющейся одной из существенных причин возникновения потерь в решетках.

 

Рисунок 4.6- Характер эпюр распределения давлений и скоростей по профилю лопатки

 

Распределение давлений по профилю зависит от ряда факторов:

1) от угла поворота газа в канале решетки, то есть от суммы углов β₁+β₂ (применительно к рабочей решетке). С увеличением угла поворота возрастает подъемная сила профиля вследствие возникновения разрежения на спинке. Это обуславливает увеличение диффузорности на спинке по направлению к выходной кромке и, следовательно, возможность отрыва;

2) от шага решетки, с увеличением которого подъемная сила профиля также возрастает из-за разрежения на спинке, при больших шагах отрыв потока вблизи выходной кромки неизбежен;

3) от угла атаки. Как правило, отрицательные углы атаки (большие углы входа) вызывают провал давления на вогнутой поверхности, положительные углы атаки - на спинке. За этими провалами давление резко повышается и наблюдается отрыв потока;

4) от скорости газа. С увеличением скорости подъемная сила профиля возрастает. Особенно интенсивно меняется давление на спинке, причем с ростом скорости диффузорный эффект в выходной части спинки увеличивается.

Характер обтекания профиля существенно меняется, если в канале скорость потока достигает местной скорости звука.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Объясните, почему температура в конце действительного процесса расширения газа в сопловом аппарате выше, чем в изоэнтропийном процессе?

2. Изобразите в si -диаграмме изоэнтропийный и действительный процессы расширения рабочего тела в сопловом аппарате.

3. Дайте определение коэффициенту скорости в соплах.

4. Дайте определение коэффициенту потерь энергии в соплах.

5. Запишите уравнение для определения действительной температуры газа за сопловым аппаратом.

6. От чего зависит показатель условной политропы процесса расширения в соплах?

7. Запишите уравнение действительной скорости газа за сопловым аппаратом для условного политропного процесса.

8. Запишите уравнение действительного расхода газа через сопловой аппарат для условного политропного процесса.

9. Как изменяется критическая скорость в условном политропном процессе расширения по сравнению с изоэнтропийным процессом?

10. Дайте определение степени реактивности турбинной ступени.

11. Изобразите в si- диаграмме действительный процесс расширения рабочего тела в реактивной турбинной ступени.

12. Запишите уравнение располагаемой работы для турбинной ступени, соплового и рабочего аппаратов.

13. Запишите уравнение потерь энергии в сопловом и рабочем аппаратах.

14. При каком режиме течения в соплах имеет место дополнительное расширение рабочего тела в косом срезе турбинной решетки профилей?

15. Как изменяются величина и направление вектора скорости потока за сопловым аппаратом при дополнительном расширении в косом срезе?

16. Какая из поверхностей турбинного профиля (выпуклая или вогнутая) имеет большее давление при обтекании его потоком рабочего тела?

17. Какая из поверхностей турбинного профиля (выпуклая или вогнутая) имеет большую скорость при обтекании его потоком рабочего тела?

18. От каких факторов зависит распределение давлений по профилю турбинной лопатки при обтекании его потоком?

 

Литература: [1], [2], [3], [6].