книги из ГПНТБ / Жуковский М.И. Расчет обтекания решеток профилей турбомашин
.pdf208
Таблица 26
О '
Газодинамические функции -Д- , q и £' при k = 2
Ро
А' |
М' |
Р' |
ч' |
|
Ро |
||||
|
|
|
0,50 |
0,4264 |
0,9167 |
0,6875 |
— |
|
0,52 |
0,4451 |
0,9090 |
0,7097 |
|
|
0,54 |
0,4640 |
0,9028 |
|
||
0,56 |
0,4832 |
0,7313 |
— |
|
|
0,58 |
0,8955 |
0,7522 |
— |
|
|
|
0,5026 |
0,8879 |
0,7724 |
— |
|
0,60 |
0,5222 |
0,8800 |
0,7920 |
— |
|
0,62 |
0,5422 |
0,8719 |
0,8108 |
— |
|
0,64 |
0,5624 |
О,Ь635 |
0,8289 |
— |
|
0,66 |
0,5829 |
0,8548 |
0,8462 |
— |
|
0,68 |
0,6037 |
0,8459 |
0,8628 |
— |
|
0,70 |
0,6248 |
0,8367 |
0,8785 |
— |
. |
0,72 |
0,6464 |
0.8272 |
0,8934 |
— |
|
0,74 |
0,6683 |
0,8175 |
0,9074 |
— |
|
0,76 |
0,6906 |
0,8075 |
0,9205 |
— |
|
0,78 |
0,7133 |
0,7972 |
0,9327 |
— |
|
0,80 |
0,7365 |
0,7867 |
0,9440 |
— |
1 |
0,82 |
0,7601 |
0,7759 |
0,9543 |
|
|
А' |
М' |
Р' |
ч' |
|
Ро |
||||
|
|
|
0,84 |
0,7843 |
0,7648 |
0,9636 |
0,86 |
0,8089 |
0,7535 |
0,9720 |
0,88 |
0,8342 |
0,7419 |
0,9793 |
0,90 |
0,8601 |
0,7300 |
0,9855 |
0,92 |
0,8866 |
0,7179 |
0,9907 |
0,94 |
0,9138 |
0,7055 |
0,9947 |
0,96 |
0,9417 |
0,6928 |
0,9976 |
0,98 |
0,9704 |
0,6799 |
0,9994 |
1,00 |
1,0000 |
0,6667 |
1,0000 |
1,02 |
1,0305 |
0,6532 |
0,9994 |
1,04 |
1,0619 |
0,6395 |
0,9976 |
1,06 |
1,0944 |
0,6225 |
0,9945 |
1,08 |
1,1279 |
0,6112 |
0,9901 |
1,Ю |
1,1627 |
0,5967 |
0,9845 |
1,12 |
1,1988 |
0,5819 |
0,9775 |
1,14 |
1,2364 |
0,5668 |
0,9692 |
1,16 |
1,2754 |
0,5515 |
0,9596 |
М' |
Р' |
ч' ' Г |
|
Ро |
|||
|
|
_ |
|
1,18 |
1,3162 |
0,5359 |
0,9485 |
4°59' |
|
|
1,20 |
1,3587 |
0,5200 |
0,9360 |
5°50' |
; |
|
— |
|
1,22 |
1,4033 |
0,5039 |
0,9221 |
6°44' |
|
_ |
|
1,24 |
1,4501 |
0,4875 |
0,9067 |
7°4Г |
1 |
— |
|
1,26 |
1,4994 |
0,4708 |
0,8898 |
8’41' |
|
_ |
|
1,28 |
1,5513 |
0,4539 |
0,8714 |
9°43' |
| |
_ |
|
1,30 |
1,6063 |
0,4367 |
0,8515 |
10°48' |
|
_ |
|
1,32 |
1,6646 0,4192 0-8300 |
11’56' |
i |
||
0 |
|
1,34 |
1,7268 |
0,4015 |
0,8070 |
13°07' |
|
0’11' |
|
1,36 |
1,7932 |
0,3835 |
0,7823 |
14’21' |
|
0°32' |
|
1,38 |
1,8646 |
0,3652 |
0,7560 |
15’38' |
|
0°58' |
i |
1,40 |
1,9414 |
0,3467 |
0,7280 |
16’58' |
|
Г29' |
1,42 |
2,0248 |
0,3279 |
0,6984 |
18’21' |
|
|
2°04' |
■ |
1,44 |
2,1158 |
0,3088 |
0,6670 |
19’48' |
|
2°43' |
|
1,46 |
2,2157 |
0,2895 |
0,6339 |
21’19' |
|
3°23' |
|
1,48 |
2,3262 |
0,2699 |
0,5991 |
22’54' |
|
4’11' |
|
1,50 |
2,4495 |
0,2500 |
0,5625 |
24’35' |
|
_______
После установления заданного режима производится измерение
глубин вдоль обвода лопатки, на котором делается соответствующая
разметка. Измерение глубин выполняется вне пограничного слоя на боковой поверхности лопатки.
Значение полного напора на входе в решетку /г01 определяется путем измерения глубины на лопатке вблизи передней точки развет-
Фиг. 96. Изменение эпюр чисел М по поверхности профиля в зависимости от М2 (/2 = 0,762): ■ — М,= 1,06; •— М2=1,19; X—М,= 1,27; Д — М2 = 1,45; о— М2=1,67.
(водяной пар) при помощи графика фиг. 94, построенного по формуле (118). Этот же график используется при определении чисел Mj и Мг.
I При исследовании обтекания решеток в условиях наличия в меж профильном канале скачков уплотнения (гидравлических прыжков) пересчет чисел М осуществляется для каждого участка потока между двумя скачками.
Приведем результаты определения обтеканий в эксперименталь ной установке ГГА решетки профилей направляющих (сопловых) лопаток ТН2.
Обтекание решетки ТН2 определялось для нескольких значений шага и угла установки при различных числах М.
Изменение эпюры величинМ при увеличении числаМ 2 за решеткой показано на фиг. 96 (/ — 0,762). С ростом числа Мг наблюдается
14 М. И. Жуковский |
700 |
209 |
значительное улучшение эпюры и смещение wvaKC к выходной
кромке.
Сопоставление результатов, полученных на установке ГГА и при воздушной продувке \ дано на фиг. 97 и 98.
Фиг. 97. Эпюры чисел М по |
поверхности |
профиля |
(t = 0,575): о — ГГА, |
М2 = 1,13;------------ |
воздушная |
продувка, |
М2 = 1,15. |
Фиг. 98. Эпюра |
чисел М (Дрв -- —4°, |
t — 565): |
о — ГГА, |
М2 |
= 1,19; |
|
• —воздушная продувка, М2 = 1,19. |
|
|
||
Полученное соответствие между |
эпюрами |
чисел |
М, |
включая |
|
и участки эпюр, где возникает диффузорный |
эффект |
на выпуклой |
|||
стороне профиля |
вследствие падения |
скачка |
АС (фиг. 89), можно |
||
считать вполне удовлетворительным.
1 Опытные данные получены Е. А. Гукасовой и В. А. Михайловой.
210
Фиг. 99. Спектр течения в сопловой решетке ТН2: t — 0,762,
М2 == 1,17.
Фиг. 100. Спектр течения в решетке ТН2; t = 0,762, М2 = 1,41.
14* |
211 |
Спектры |
течений для решеток с |
шагом t, равным 0,762, при |
М2 = 1,07 и |
1,41 даны на фиг. 99 и |
100. Из снимков видно пере |
мещение кромочного скачка с увеличением М в направлении течения. При М2 = 1,41 кромочный скачок находится уже вне канала.
Положение скачка и изменение глубин по обводу профиля ТН2
отчетливо видно из снимка 101.
Фиг. 103. Спектр течения в решетке профилей рабочих лопа ток при М2 —• 1,15.
На фиг. 102 показан характер течения при М2 — 1,5 в сопловой
решетке с профилем, имеющим прямолинейный обвод на выходном
участке выпуклой стороны.
При исследовании в водяном лотке решеток профилей, обтекае мых со сверхзвуковой скоростью на входе, применяется разгонное сопло Лаваля или так называемое шлюзовое сопло [71 ].
Спектр течения в решетке активных профилей при М2 =1,1
показан на фиг. 103. Поток ускоряется в выходной части канала, где образуется соответствующая система скачков.
ГЛАВА V
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕШЕТОК ПРОФИЛЕЙ
29. АЭРОДИНАМИКА РЕШЕТОК ПРОФИЛЕЙ
Как было показано ранее [72], небольшое количество отработан ных аэродинамическими методами турбинных профилей, имеющих малые потери энергии, может быть использовано для проектирования
лопаточных аппаратов ступеней скорости и ступеней части высокого давления турбин. Это обстоятельство является весьма важным в целях унификации типов профилей и упрощения расчетов лопаточных аппа
ратов.
Значительно сложнее решается вопрос о систематизации про филей для ступеней части низкого давления паровых турбин, а также для газовых турбин. Проектирование винтовых лопаток связано
сприменением большого количества типов профилей с углами входа
ивыхода потока, изменяющимися в широких пределах. Количество
типов возрастает также в связи с требованиями к профилям по проч
ности.
Использование методов расчета потенциального обтекания или исследования решеток на основе электрогидродинамической анало гии для серийного проектирования решеток связано с относительно большой затратой времени. Известны различные методы [73, 74 ,75 и др.] проектирования профилей, основанные на некоторых обоб щенных эмпирических положениях. Эти методы позволяют доста-' точно быстро проектировать решетки профилей на заданные тре угольники скоростей; при этом могут быть заранее выбраны макси мальная толщина профиля и толщины его входной и выходной кромок.
Особые требования предъявляются к методам проектирования решеток для винтовых лопаток, серийных турбин большой мощности, а также для тийовых ступеней газовых турбин и осевых компрес
соров.
Решетки профилей для указанных типов следует отрабатывать весьма тщательно, так как даже самое незначительное повышение к. п. д. лопаточных аппаратов сверхмощных паровых турбин, а также осевых компрессоров и газовых турбин стационарных газотурбин ных установок имеет весьма большое значение.
214
В связи с этим возникает необходимость в разработке такого метода профилирования решеток, который бы позволял достаточно быстро проектировать профили на заданные треугольники скоростей и на заданные условия по их прочности при высоких аэродинами ческих свойствах решеток. Кроме того, метод проектирования должен позволять определять эпюры скоростей и аэродинамические харак теристики без проведения сложных расчетов и продувок решеток.
Разработанный автором метод проектирования решеток профилей (см. п. 33), основанный на использовании в качестве исходных
нескольких |
высокоэффективных |
хорошо изученных решеток, удов- |
|||
летворяет в |
значительной мере |
|
|||
указанным требованиям. |
|
||||
Перейдем |
к |
рассмотрению |
|
||
влияния геометрических и ре |
|
||||
жимных параметров |
решетки |
|
|||
на ее обтекание. |
Характер обте |
|
|||
кания решеток зависит в основ |
|
||||
ном от: 1) формы канала; 2) кри |
|
||||
визны входной и выходной ча |
|
||||
стей выпуклой стороны |
профи |
|
|||
ля; 3) кривизны средней линии |
|
||||
профиля; 4) толщины профиля, |
|
||||
толщин кромок; 5) относитель |
|
||||
ного шага |
и |
угла установки; |
|
||
6) угла натекания. |
|
|
|||
Характёр обтекания решетки |
Фиг. 104. Межпрофильный канал с рас |
||||
зависит также от чисел Re и М |
ширяющейся входной частью. |
||||
и начальной турбулентности.
Перейдем к более подробному рассмотрению влияния некоторых из перечисленных факторов на характер обтекания профиля врешетке.
Форма межпрофильного канала. В отличие от случая одиночного
профиля, обтекание которого полностью определяется формой про филя, числами Re и М и углом атаки, обтекание профиля в решетке зависит также и от формы канала. При обтекании профиля в кон фузорной решетке течение в пограничном слое является более устой чивым, а в диффузорной решетке менее устойчивым в сравнении
содиночным профилем той же формы.
Втурбинных решетках канал является обычно конфузорным. Компрессорные решетки профилей рабочих лопаток, а также и про межуточных направляющих лопаток при степени реакции, отличной от 100%, имеют диффузорный канал.
Входная часть канала турбинных решеток имеет в некоторых случаях небольшую диффузорность, которая зависит от толщины профиля и может быть полностью устранена с ее увеличением. Величиной, характеризующей степень этой диффузорности, является
отношение ширины входной части канала Ьг к максимальной ши
рине Ьмакс (фиг. 104). Допустимой для лопаток большой высоты
является величина |
— = 0,90 н- 0,95. Потери энергии при этом |
|
имакс |
215
216
практически остаются неизменными. Этот вывод качественно под тверждается также опытами Нипперта, изучавшего течение в оди ночных каналах. График зависимости коэффициента потерь при различных степенях диффузорности криволинейных каналов пред ставлен на фиг. 105 1 [76].
Выходная часть канала турбинных решеток профилей рабочих лопаток и канал решеток направляющих лопаток являются конфу зорными. Мерой конфузорности может служить величина k, равная
отношению-f1 (фиг. 106).
^2
Величина k зависит от угла выхода потока, а также от конструктивных размеров профиля. Форма канала и степень его конфузорности
существенно зависят от шага решетки и угла уста новки профилей.
Кривизна обвода про филя. Существенное влия ние на эпюру скоростей и на развитие пограничного
слоя |
оказывает |
характер |
|
|
|
изменения кривизны вдоль |
Фиг. |
107. Сравнение |
профилей старого и но |
||
всего |
обвода. |
Наиболее |
вого |
типов:----------------------- |
старый профиль; |
ответственной частью про |
|
--------------------- |
новый профиль. |
||
|
|
|
|||
филя является выпуклая его сторона, обтекание которой происхо дит при пониженном давлении. Кривизна выпуклой стороны тур бинных профилей сначала убывает, потом растет в средней части спинки профиля и затем на выходном участке снова убывает.
Кривизна входной части |
выпуклой стороны |
профиля влияет |
на эпюру скоростей вблизи |
точки разветвления |
потока, а также |
на последующее развитие пограничного слоя.
Большая кривизна обвода выходной части выпуклой стороны профиля может привести к отрыву пограничного слоя.
Применяющиеся профили дозвуковых лопаток паровых турбин описываются при помощи дуг окружностей или дуг окружностей и малых отрезков прямых. На границах двух дуг или дуги и пря мой общими являются лишь касательные, кривизна же претерпе вает разрыв.
Профили старых типов состояли из двух отрезков прямых на вход ном и выходном участках выпуклой стороны профиля, сопрягавшихся
с дужкой большой кривизны (фиг. 107). При этом эпюра скоростей имела в местах сопряжения дуги с прямыми резкие изменения.
1 Для рассматриваемых ниже типов решеток профилей отношение -р? ~ 2 ч- 3 01
■—! 1,5 ч- 2
Ь
217