Потери энергии в турбинных решетках

Для анализа потерь энергии в решетках целесообразно рассматривать их по составляющим. Общие потери ж представляют собой сумму профильных и концевых потерь:

.

Профильные потери проявляются в лопатках бесконечно большой длины без учета концевых явлений (или в относительно длинных лопатках в средних сечениях по высоте решетки). Профильные потери условно разделяют на потери трения, кромочные и волновые:

.

Потери трения ж_{тр связаны с течением в пограничных слоях на вогнутой поверхности и спинке лопатки вдали от ее концов, т. е. эти потери определяются трением на профиле лопатки, а также потерями энергии в случае отрыва потока от этих поверхностей. Чем больше толщина пограничного слоя, тем больше потери трения.}

Для предотвращения отрыва потока как сопловые, так и рабочие решетки выполняют с конфузорным течением (давление снижается, скорость увеличивается) практически вдоль всей вогнутой и выпуклой части профиля.

Кромочные потери ж_{кр обусловлены вихреобразованием за кромками профиля, а также с внезапным расширением потока за кромками.}

Стекающие с обводов профиля пограничные слои и вихри за кромками образуют кромочный след, в котором наблюдается значительная неравномерность параметров потока: значение и направление вектора скорости, статического давления. Наибольшая неравномерность наблюдается непосредственно за кромкой. Постепенно, за счет взаимодействия с основным потоком, ширина кромочного следа увеличивается, неравномерность уменьшается, поле скоростей выравнивается.

Кромочные потери энергии в решетке определяются, главным образом, отношением толщины выходной кромки к размеру горла:

.

Для сопловых решеток: .

олновые потери ж_{волн обусловлены образованием в потоке при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях на выходе из решетки скачков уплотнения. Скачки уплотнения в потоке воздействуют на пограничный слой, вызывая его утолщение и иногда отрыв, что приводит к возрастанию потерь энергии в решетке. Волновые потери возрастают с увеличением числа Маха М потока в решетке.}

Концевые потери ж_{конц в решетках связаны с явлениями в потоке вблизи концов лопаток и равны разности полных и профильных потерь в решетке:}

.

Эти явления, называемые вторичными течениями, определяются поперечным градиентом давления в канале решетки, пограничным слоем, образующимся на торцевых стенках канала, пограничным слоем на спинке профиля.

Рис. 2.

Вторичные течения развиваются в областях, прилегающих к торцевым поверхностям а и б канала решетки (см. рис.2).

Градиент давления, действующий в поперечном направлении в ядре потока (вне пограничного слоя) и возникающий в результате криволинейного движения потока, передается и в пограничный слой на торцевой поверхности. Возникает завихренность торцевого пограничного слоя, который перетекает в направлении от вогнутой поверхности к спинке соседнего профиля. Вблизи концов лопаточного канала в потоке наблюдается вихревое течение, называемое вторичным вихрем.

ж — среднеинтегральные по высоте лопатки потери;

ж_{пр — профильные потери.}

Характер вторичных течений и распределение потерь вблизи концов лопаток не изменяются с уменьшением высоты до известных пределов, таким образом, концевые потери при уменьшении высоты лопатки увеличиваются. При малых высотах лопаток вторичные течения смыкаются. Поэтому, проектируя проточную часть турбинной ступени, лопатки следует выполнять с повышенной относительной высотой.

1. Определение коэффициентов потерь энергии.

Возможно двумя способами. Первый заключается в использовании атласов профилей и нормалей.

Второй способ заключается в использовании обобщенных зависимостей по отдельным коэффициентам потерь и эмпирических формул для учета влияния геометрических и режимных параметров. В этом случае коэффициент общих потерь в решетке при дозвуковых скоростях определяется по формуле:

.

где ж_{тр — коэффициент потерь на трение, зависящий от углов входа и выхода потока:}

;

Дж_{Re — приращение коэффициента потерь на трение при переменных числах Re:}

;

о_{шер — влияние состояния поверхности на изменение потерь на трение:}

.

где k_{шер — абсолютная шероховатость поверхности (мм).}

Кромочные потери:

;

.

где в_{1, в2 и Дв = 180 — (в1 + в2) измеряются в градусах.}

Угол выхода потока для дозвуковых скоростей определяется:

.

где д — угол отгиба спинки профиля в косом срезе решетки.

Коэффициент расхода можно оценить:

.

где k_{м =0,7ч0,75;}

ж'_{сум — коэффициент суммарных потерь, подсчитанный при условии Дкр = 0.}