рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Газодинамическая нагруженность лопаток турбины и выбор их числа

Газодинамическая нагруженность лопаток турбины и выбор их числа - раздел Геология, Глава 4 – основные закономерности рабочего процесса турбины В Межлопаточном Канале Турбины Статическое Давление И Другие Пара­Метры Меняю...

В межлопаточном канале турбины статическое давление и другие пара­метры меняются не только вдоль направления движения рабочего тела, но и в тангенциальном направлении. Контур распределения давления в межлопаточ­ном канале показан на рисунке 4.19 [13].

 

Рисунок 4.19 – Типовое поле распределения статических давлений в межлопаточном канале турбины

Как видно из рисунка, давление на корытце больше давления на спинке. Это вызвано несколькими обстоятельствами. С одной стороны лопатка имеет крыловидный в плане профиль, при обтекании которого на выпуклой части которого образуется разряжение. С другой стороны при повороте потока меж­лопаточном канале он центробежными силами прижимается к корытцу и «от­талкивается» от спинки. Разность давления, возникшая на поверхности ло­патки, приводит к возникновению неуравновешенной силы, окружная состав­ляющая которой заставляет турбину вращаться вокруг оси. Очевидно, что чем выше окружная составляющая подъемной силы, тем больше крутящий момент и мощность турбины.

Как видно из приведенных выше размышлений, возникновение крутящего момента на валу турбины во многом схоже по физическим основам с возник­новением подъемной силы крыла. Принципиальная разница между крылом и профилем турбины в том, что турбина преобразует разность давлений в мощ­ность вращательного движения.

На рисунке 4.20 приведена нагрузочная диаграмма профиля лопатки осе­вой турбины. Она представляет собой зависимость изменения статического давления вдоль осевой хорды или периметра лопатки [3,4,8].

 

Рисунок 4.20 – Типовое распределение статического давления (отнесенного к давлению на выходе) вдоль осевой хорды лопатки осевой турбины: 1 – вдоль корытца; 2 – вдоль спинки

Часто нагрузочную диаграмму строят как зависимость условной приведен­ной скорости λ (в российской практике) или числа Маха М (в зарубежной прак­тике) на поверхности профиля от осевой хорды или по периметру (рисунки 4.21 и 4.22). Безразмерные скорости названы услов­ными, так как на самом деле на по­верхности лопатки скорость равна нулю. Величины же М и l оп­ре­деляется по га­зодинамической функции p(l), равной отношению статиче­ского давле­ния на поверхности профиля и полного давления на входе в ре­шетку.

Площадь, заключенная на нагрузочной диаграмме между кривыми соответ­ствующими корытцу и спинке является мерой нагрузки профиля (рисунки 4.20...4.22). Чем больше эта площадь, тем большая разность давлений между спинкой и корытцем имеет место, и тем больший крутящий момент может быть реализован с помощью данного профиля. Повышение крутящего мо­мента позволяет получить большую работы турбины, либо сократить число ее лопаток.

 

Рисунок 4.21 – Типовая зависимость изменения условной приведенной скорости l вдоль осевой периметра лопатки осевой турбины

 

Рисунок 4.22 – Типовая зависимость изменения условного числа Маха М вдоль осевой хорды профиля лопатки осевой турбины

Анализируя нагрузочные диаграммы (рисунки 4.21 и 4.22) можно сделать вывод, что для получения увеличенной нагрузки на профиль необходимо уско­рять поток на спинке до максимальной величины как можно быстрее, а на ко­рытце как можно позднее. Реализация данного тезиса осложняется тем, что при этом появляются большие градиенты давлений.

Обычно на спинке скорость в горле больше чем в выходной кромке. Это говорит о наличии диффузорного участка за ним. Аналогичный диффузорный участок может иметь место вблизи входной кромки на корытце (рисунки 4.21 и 4.22). Таким образом, наличие местных диффузорных зон может привести к росту подъемной силы. Однако поскольку диффузорный поток склонен к от­рывам, то чрезмерное торможение на корытце и спинке может привести к от­рыву погранслоя, что существенно увеличит потери. По этой причине вводятся понятие коэффициента диффузорности:

      4.80

Выбор величины предельной диффузности определяется главным образом опытом проектировочной организации, однако, как правило, не превышает 0,2. Изучение структуры и характера течения с помощью CFD методов позволяет по результатам исследований в каждом конкретном случае допустить увеличение этой величины. Однако говорить об отказе от использования па­раметра диффузорности и еще рано, т.к. CFD не достигло такого уровня развития чтобы с большой точностью предсказывать отрывы.

Процесс на спинке более важен для обеспечения газодинамической эф­фективности профиля. Если из-за чрезмерной диффузорности поток оторвется со спинки, то отрыв не сможет локализоваться до выхода из ЛВ из-за выпук­лости спинки и малого расстояния до выхода. В результате потери будут суще­ственны, а угол потока на выходе ЛК будет больше, чем требуется (поток не­доповернут) и работа будет меньше расчетной. Кроме того отрыв неблагопри­ятно повлияет на работу последующей ступени. При отрыве погранслоя на ко­рытце вблизи входной кромки он успеет локализоваться и негативное влияние будет меньшим.

Проектирование лопатки с максимально возможной нагрузкой не является оптимальным решением. Поскольку получение большой нагрузки сопровожда­ется, как правило, большими потерями из-за больших градиентов давления и больших углов поворота потока.

При увеличении нагрузки на лопатку, число лопаток уменьшается, проме­жуток между лопатками растет, уменьшаются потери трения (из-за уменьше­ния площади трения) и кромочные потери (т.к. следов меньше). Однако для получения заданной нагрузки нужно увеличивать диффузорность, что увеличи­вает потери. То есть, оптимальная нагрузка лежит в месте баланса диффузор­ных потерь и потерь трения.

В мировой практике нагрузку профиля принято оценивать с помощью па­раметра Цвайфеля (1945) [3,4]. Он представляет собой отношение удельной окружной силы, действующей на лопатку к идеальной окружной силе. Под идеальной силой понимается окружная сила, возникшая бы на лопатке, если бы на всем протяжении спинки установилось бы давление равное входному, а на всем корытце давление равное выходному.

Вводя некоторые упрощения (постоянство плотности, осевой и окружной скорости) можно получить [3,4]:

    4.81

Параметр Цвайфеля применяется для оценки для оценки и далее числа лопаток z. Таким образом, число лопаток взаимосвязано с их аэродинамиче­ской нагрузкой. Чем больше число лопаток, тем меньше нагрузка на профиль. С другой стороны выбор числа лопаток определяет газодинамическое совер­шенство турбины. Например, с увеличением числа лопаток z растет поверх­ность трения и число кромочных следов, что ухудшает КПД. Таким образом, проблема выбора числа лопаток является комплексной. Она связана не только с газодинамикой, но и с прочностными, технологическими и конструктив­ными (размещение в диске и бандажные полки) аспектами.

Конечно, число лопаток также ограничивается конструктивными, прочно­стными соображениями, но параметр Цвайфеля позволяет найти оптимальное число лопаток с точки зрения аэродинамики. Основываясь на результатах ис­пытаний различных ступеней, Цвайфель полагал, что оптимальное значение параметра находится в интервале 0,75...…0,85. Это утверждение справедливо для большинства ЛВ. Для первых СА ТВД значение находится примерно на уровне 0,55, что связано с потребностями размещения системы охлаждения. К по­следним ступеням ТНД значение параметра Цвайфеля возрастает примерно до 1,2, хотя может достигать 1,6 (число Рйнольдса в этих ступенях невысокое, по­ток более ламинарный, и его труднее «оторвать») (рисунок 4.23). Однако число 1,2 является тем пределом, после которого начинается падение эффек­тивности ЛВ. В настоящее время благодаря применению CFD методов значе­ние параметра Цвайфеля стало обычным.

 

Рисунок 4.23 – Изменение числа Цвайфеля по годам

В настоящее время CFD методы успешно используются для нахождения нагрузки на профиль, отодвигая параметр Цвайфеля на второй план. Однако в эскизном проектировании и это простой и эффективный метод оценить число лопаток в первом приближении. Обычно, если параметр Цвайфеля был прият в разумных пределах, его окончательное значение отличается от первоначально принятого не более чем на 10%. Высокие значения параметра Цвайфеля при­водят к увеличению потерь, что особенно актуально для периферийных сече­ний из-за вторичных потерь и потерь в РЗ.

Увеличение параметра Цвайфеля сокращает число лопаток, вес, стоимость, снижает нагрузку на диск. Уменьшение увеличивает КПД турбины.

Для уменьшения потерь нужно увеличивать шаг решетки. Для сохранения нагрузки на профиль, нужно увеличивать хорду. Это в свою очередь увеличи­вает вторичные потери. Для их компенсации нужно увеличивать высоту лопа­ток. Лопатки становятся более тяжелыми, растут напряжения в них.

Если уменьшить уменьшать число лопаток без изменения хорды и высоты лопаток, то для сохранения работы, нужно увеличивать нагрузку на профиль. А это увеличивает потери связанные с диффузорностью, вторичные потери и утечки в РЗ.

В российской практике для оценки числа лопаток профиля применяется величина относительного шага:

    4.82

  Рисунок 4.24 – Зависимость потерь в ЛВ осевой турбины от относительного шага  
На изменение относительного шага влияют те же факторы, что и на число Цвайфеля. При малых значениях число лопаток велико, поверхность трения и число закромочных следов значительны. По мере роста увеличивается на­грузка на профиль, что приводит к появлению местных отрывов потока в зо­нах местной диффузорности.

По указанными причинам имеется оптимальное с точки зрения минимиза­ции потерь значение относительного шага (рисунок 4.24). В частности, у со­временных осевых турбин ГТД ; для решeток РК - .

Оптимальное значение относительного шага можно найти по формуле, предложенной В.И. Дышлевским:

    4.83

где - относительная толщина профиля.

Можно также воспользоваться формулой, предложенной Б.И. Мамаевым и А.Г. Клебановым, которая учитывает влияния большего числа параметров:

    4.84

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Величина` зависит от угла поворота потока Db в решeтке, от степени кон­фузорности К, относительной толщины профиля`cm и ряда других пара­метров (рисунок 4.25).

 

Рисунок 4.25 – Влияние входного и выходного угла потока на величину оптимального относительного шага решетки

Как видно относительный шаг и параметр Цвайфеля являются близкими величинами, и их изменение определяется одинаковыми причинами. Однако применение параметра Цвайфеля выглядит предпочтительным, поскольку он связан с окружной силой, создающий крутящей момент, а является в боль­шей степени статистическим параметром.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Глава 4 – основные закономерности рабочего процесса турбины

Турбина это лопаточная машина в ко торой происходит непрерывный отбор энергии от сжатого и нагретого газа а также преобразование ее в... Рисунок Многоступенчатая паровая турбина...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Газодинамическая нагруженность лопаток турбины и выбор их числа

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Принцип действия ступени турбины
Рассмотрим принцип действия турбины на примере ступени осевой турбины, схема которой приведена на рисунке 4.2. Выделим элементарную ступень толщиной dr турбины на произвольном радиусе (рисун

Изменение основных параметров по длине проточной части турбины
Рассмотрим, как и почему основные параметры потока меняются вдоль проточной части ступени тур­бины. Как было отмечено при объяснении принципа действия, межлопаточные каналы РК и СА турбины

Важнейшие кинематические параметры
  Рисунок 4.4 – План скоростей ступени осевой турбины 1. Окружная скорость на среднем диаметре . Ее величина в современных сту­пе­нях осевых турбин составляет 250.

Параметр нагруженности турбины
Важным кинематическим параметром является параметр нагруженности ступени:     4.10 где – усло

Коэффициент нагрузки ступени и диаграмма Смита
В кинематических расчетах может использоваться коэффициент нагрузки:   4.22 Если сравнить формулы

Преобразование энергии в ступени турбины и КПД турбины
Турбина является не только механическим устройством, в котором от по­тока нагретого сжатого рабочего тела отбирается работа. Этот процесс сопро­вождается одновременным изменением давления и темпе­р

Изображение рабочего процесса в турбине на i-s диаграмме
Рассмотрим i-s-диаграмму процесса расширения газа в ступени турбины (рисунок 4.13).   Рисунок 4.13 i-s - диаграмма процесса расширения газа в ступени турбины

Понятие о степени реактивности
В ступени турбины происходит преобразование энергии выделавшейся при расширении нагретого газа. Оно происходит как в неподвижном СА, так и в РК. Оценка распределения работ расширения между РК и СА

Рабочий процесс в сопловом аппарате осевой турбины
Процесс течения газа в СА ступени турбины можно рассматривать как расширение рабочего тела в осесимметричном сверхзвуковом сопле. В то же время при расчeте параметров потока нельзя не учитывать ряд

Рабочий процесс в рабочем колесе осевой турбины
Рабочий процесс в РК отличатся тем, что происходит во вращающихся межлопаточных каналах. По этой причине расширение газа в РК можно рассматривать как в абсолютном, так и в от­носительном движениях.

Направление потока за лопаточным венцом турбины
В турбинных решетках угол выхода потока a1 (или b2) определяется в ос­новном соответствующими конструктивными углами a1 л (или b2 л

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги