Лопаточная решетка турбины Советский патент 1992 года по МПК F01D5/14 

(Л

С

Использование: в энергетическом машиностроении, в частности при конструировании ступеней паровых турбин и компрессоров. Сущность изобретения: лопаточная решетка турбины имеет ряд лопаток 1, установленных с постоянным по окружности шагом t. Профили 4 лопаток имеют одинаковую по высоте хорду Ь. На спинках хвостовой части 3 выполнены равномерно расположенные по высоте продольные прямоугольные канавки 2/ имеющие ширину d в пределах 0,5-1.5% и глубину h в выходном сечении в пределах 0,5-1,5% от хорды Ь лопаток. 5 ил.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности, может быть использовано при конструировании ступеней паровых турбин и компрессоров.

Известна лопаточная решетка, содержащая ряд лопаток, установленных с постоянным по окружности шагом и имеющая канавки в хвостовой части профиля (1).

Недостатком известного технического решения является то, что у попаток хвостовая часть часть выполнена гофрированной, то есть с канавками желобковой формы на спинках вогнутых поверхностях для охлаждения лопаток газовых турбин и не могут обеспечить снижение аэродинамических потерь.

Наиболее близким техническим решением является лопаточная решетка турбины (2), содержащая ряд лопаток, установленных с постоянным по окружности шагом и имеющих прямоугольные нашивки на спинке хвостовой части профиля шириной 3-6% и глубиной 3-10% от высоты лопатки.

Указанные соотношения были получены экспериментально й пбз1к Лйли снизить .потери для лопаток с высотой меньшей 40 мм. Однако, дальнейшие исследования показали, что выбор высоты лопатки в качестве базового размера не позволяет учесть толщину пограничного слоя на стенках лопаток, которая является одним из основных факторов, определяющих уровень профильных потерци зависит от режима течения и длины обтекаемой потоком поверхности, что особенно сказывается в решетках большой высоты, где доля концевых потерь составляет незначительную часть от уровня общих. В последнем случае выполнение лопаток с указанными соотношениями размеров канавок не только не обеспечивает достижения положительного эффекта, но может и существенно снизить экономичность турбины.

Недостатком данного технического решения является то, что его применение ограничено областью малых высот лопаток,

XJ

О СлЭ

о

3

где общий уровень потерь определяется в основном концевыми потерями и поэтому не позволяет выбрать оптимальный размер канавок для решеток с лопатками, высота которых больше 40 мм. Кроме того, в данном решении не учитывается то, что хорды профилей решеток различных турбин могутзна- чительно отличаться по величине, которая оказывает в свою очередь существенное влияние на формирование потерь.

Цель изобретения - снижение концевых и профильных потерь в более широком диапазоне типоразмеров лопаток, а также расширение диапазона рабочих режимов турбины.

Цель изобретения достигается тем, что в лопаточной решетке турбины, содержащей ряд лопаток, установленных с постоянным по окружности шагом и имеющих продольные, прямоугольные канавки на спинках в хвостовой части профиля, канавки выполнены глубиной в выходном сечении 0,5-1,5% и шириной 0,5-1,5% от хорды лопатки.

Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что определяющим размером канавок, оказывающим основное влияние на формирование структуры потока является глубина канавок, равная приблизительно 0,3 от физической толщины пограничного слоя д (3), которая в свою очередь при заданном режиме течения зависит только от длины участка обтекаемой поверхности в направлении потока. Характерным размером решеток, который достаточно полно характеризует величина хорды профиля Ь. При этом и ширина канавки, будучи связанной с глубиной, должна иметь указанные соотношения. Ниже приведены данные экспериментальных исследований, подтверждающие правильность выбора указанных соотношений размеров канавок.

Таким образом, для достижения поставленной цели необходима совокупность этих отличительных признаков. В просмотренных источниках информации нами не обнаружены решетки турбин, лопатки которых имели бы продольные канавки с указанными соотношениями размеров. Следовательно, предложенное решение отвечает критерию существенности отличий.

На фиг. 1 изображена описываемая решетка турбины с продольными, прямоугольными канавками, продольный разрез и поперечное сечение А-А; на фиг. 2 -зависимость полных потерь Ј - от относитель Sno

ной глубины h h/b канавки: на фиг. 3 - зависимость полных потерь - от отнои Спо

сительной ширины а а/Ь канавок, где Ј п полные потери в решетке с канавками, ЈПо - полные потери в решетке с гладкими лопатками, h - глубина канавок, а - ширина канавок и b - хорда профиля; на фиг. 4 - зависимость профильных потерь от числа М для решеток с канавками (кривая 2) и гладкими лопатками (кривая 1); на фиг. 5 - зависимость потерь от относительной высоты лопаток I b/l для решетки с канавками (кривая I) и решетки с гладкими лопатками (кривая I).

Лопаточная решетка турбины содержит ряд лопаток 1, установленных с постоянным

5 по окружности шагом t и имеющих канавки 2 на стенках хвостовой части 3 профилей 4. Канавки 2 выполнены прямоугольными, глубиной h 0.5-1,5% и шириной а 0.5-1,5% от хорды b профиля 5. Канавки 2 расположены

0 равномерно по высоте лопатки 1.

Работа решетки заключается в следующем.

Решетка обтекается потоком пэра в направлении, совпадающем с направлением

5 канавок. В решетке происходит ускорение потока в каждом канале, образуемом профилями и периферийными обводами. В области косого среза происходит течение с положительным градиентом давления, в ре0 зультате чего происходит увеличение толщины пограничного слоя, которое может привести к отрыву потока от стенки лопатки. Известно, что все наиболее эффективные методы предотвращения отрыва потока

5 базируются или на уменьшении толщины пограничного слоя, или на повышении напряжения трения на стенке. Расстояния от стенки Ym, где напряжение г достигает максимальной величины и зависит от безраз0dP б

мерного комплекса На т- , где О физическая толщина пограничного слоя, га) - напряжение трения на стенке. На - параметр Гагена. Указанная зависимость имеет вид:

Ym1

3 b/Ha -f 3

Для расчетов используют приближенное соотношение Ym 0,33 д. Физическая толщина пограничного слоя определяется по формуле:

, А-Ь

rЈHty

V 1 )

5 где А и k - безразмерные коэффициенты, b - хорда профиля, с - скорость потока, v- кинематическая вязкость.

При движении жидкости вдоль профильной поверхности, образованной про5

0

дольными прямоугольными канавками, глубиной равной приблизительно 0,3 днару- шается поперечная однородность пограничного слоя и создаются на уровне выступов различные условия торможения потока. Для канавок на этом уровне находится зона наибольшей деформации профиля скорости, а над выступом движение потока практически полностью определяется увлекающим дейстяием вышележащих слоев, т.е, силами, обусловленными касательными напряжениями. Конечным результатом взаимодействия областей с различными скоростями является резкое повышение степени турбулентности над по- верхностью, образуемой канавками и выступами,

В конечном счете выполнение прямоугольных канавок приводит к активизации обмена энергией между различными слоя- ми жидкости и увеличению средней скорости в пристеночной зоне, что позволяет значительно расширить диапазон экономической работы решеток и снизить потери энергии.

Как уже было отмечено выше, на уровень потерь в решетке с прямоугольными канавками на стенках существенное влияние оказывает соотношение размеров кана- вок с размерами профиля, причем, определяющим размером является глубина выполнения канавок. На фиг. 2 представлены результаты исследования лопаточной решетки, образованной профилями C9Q- 17А при фиксированных значениях чисел Re и М, постоянной ширине а 0,1 Ь(Ь 60 мм) и переменней глубине канавок h.

Из графика видно, что выполнение канавок с глубиной превышающей 1,5-2% от хорды может привести к существенному увеличению профильных потерь. При выполнении канавок глубиной меньше 0,3- 0,5% от хорды положительный эффект, исчезнет.

В данном случае максимальный эффект получен при глубине канавок примерно равной h 0,1 Ь 0,6 мм, что подтверждает вывод о том, что глубина канавок в выходном сечении должна быть рав- ной примерно 0,3 62. где бг, 1.563 (мм) - физическая толщина пограничного слоя в выходном сечении.

На фиг. 3 представлены результаты исследований этой же решетки с фиксирован-

ной глубиной h 0,1 b и переменной шириной канавок а. Из приведенного графика видно, что зависимость потерь Јп от а/Ь имеет минимальные значения, лежащие в пределах 0,5 b а 1,5 Ь.

При выполнении канавок большой ширины, они практически не влияют на формирование структуры потока, а при меньшей потери превышают уровень потерь в гладкой решетке.

На фиг. 4 представлена зависимость профильных потерь решетки профилей С90-17А канавками оптимальных размеров от числа М. Из графика видно, что в диапазоне скоростей 0,4 М 1,1 решетка с канавками имеет потери меньше по сравнению с решеткой, имеющей гладкие лопатки. При скоростях М 0,4 потери в предложенной решетке несколько выше, но так как в реальных турбинах режимы со скоростями, меньшими 0,5, практически исключены, можно считать, что выигрыш в снижении потерь достигается во всем диапазоне рабочих режимов.

На фиг. 5 представлена зависимость полных потерь Јп в решетке С90-17А от Ь/1, где b - хорда профиля, I - высота лопатки. Из представленного графика видно, что и для решеток с короткими лопатками выполнение канавок с оптимальными размерами, определенными по хорде, приводит к резкому снижению полных потерь, в общем уровне которых превалируют концевые потери.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предложенное решение позволит снизить потери в лопаточных решетках любой высоты в широком диапазоне режимов работы, что особенно важно для транспортных турбин, а также для турбин, работающих в пиковом и полупиковом режиме.

Формула изобретения

Лопаточная решетка турбины, содержащая ряд установленных с постоянным по окружности шагом лопаток, профили которых имеют одинаковую по высоте хорду и на спинке хвостовой части - равномерно расположенные по высоте продольные прямоугольные канавки, отличающаяся тем. что, с целью повышения экономичности, канавки выполнены глубиной в выходном сечении 0.5-1,5% и шириной 0,5+1,5% от хорды лопаток.

f

Л

QUJ Фиг,Ј

J

Фаг.1

0,0e

/2

422/2. S