Вопрос№8

1. Геометрические характеристики.

В турбине в качестве каналов для течения пара используют кольцевые решетки.

Кольцевые решетки – это система каналов, образованных одинаковыми профилями специальной формы. Соответствующим выбором формы профилей и их расположением в решетке можно создать каналы с требуемым законом изменения площади сечения. Например, решетка с суживающимися каналами используется для ускорения потока до скоростей меньших скорости

звука (рис.1).

Рис.1

Решетка с суживающимися – расширяющимися каналами служит для получения сверхзвуковых скоростей (рис.2).

Рис.2

В решетках с постоянным сечением ускорения потока не происходит (рис.3).

Рис.3

Рис.4:

d_к – корневой диаметр;

d_п – периферийный диаметр;

d – средний диаметр ступени;

l – высота лопатки.

В турбинных ступенях различают сопловые (направляющие) и рабочие решетки.

Сопловые решетки – это совокупность неподвижных (направляющих) лопаток, установленных в статоре турбины.

Рис.5: t₁ – шаг решетки (расстояние между соседними профилями);

α_y – угол установки профиля;

b₁ – хорда профиля (расстояние между наиболее удаленными

точками [в цилиндрическом сечении]);

O₁ – минимальное сечение канала на выходе (горло): O = t· sin α₁;

α₀ – угол входа;

α₁ – угол выхода;

Δ – толщина выходной кромки;

B – ширина: B = b· sin α_y;

α_1эф = arcsin O₁/ t₁ – эффективный угол выхода потока из решетки.

На профиле различают входную и выходную кромки, спинку (выпуклую часть) и сторону давления (вогнутую часть).

Выходная часть решетки (на рис.6 - abc) называется косым срезом.

Рис.6

Относительные характеристики:

ü относительный шаг ;

ü относительная высота ;

ü относительная толщина выходной кромки ;

ü веерность .

Степень парциальности е – отношение длины дуги, занятой соплами L, ко всей длине окружности по среднему диаметру решетки:

Рис.7

Рабочая решетка – это совокупность подвижных рабочих лопаток, установленных на роторе турбины.

Рис.8. Рабочая решетка:

B₂ – осевая ширина

профиля; β₁ – угол входа;

β₂ – угол выхода;

a₁ – ширина входного

сечения;

a₂ – ширина сечения на

выходе;

β_2эф – эффективный угол

выхода потока из решетки.

Вопрос№9

2. Газодинамические характеристики.

Газодинамические характеристики необходимы для теплового расчета турбинных ступеней. Их значения можно оценить теоретически, но чаще они определяются экспериментально.

К основным газодинамическим характеристикам относят:

1.) коэффициент потерь энергии,

2.) коэффициенты скорости,

3.) коэффициенты расхода,

4.) угол выхода потока из решетки.

Коэффициентом потерь энергии решетки называют отношение потерь энергии в потоке к располагаемой энергии потока в решетке.

Рис.9

Потери энергии в соплах: Потери энергии в рабочей решетке:

Эти потери представляют собой затраты механической энергии потока на преодоление сил трения и других сопротивлений в решетке. Эта энергия, в свою очередь, превращается в теплоту и вновь возвращается в поток при низком тепловом потенциале, повышая энтальпию h и энтропию s потока на выходе из решетки.

Располагаемая энергия решетки определяется как разность энтальпии полного торможения перед решеткой и энтальпии в потоке за решеткой при изоэнтропном течении:

; .

Таким образом, коэффициенты потерь энергии запишутся:

для сопловой решетки: для рабочей решетки:

; .

Коэффициенты скорости сопловой φ и рабочей ψ решетки – это отношение действительной скорости потока к теоретическому значению скорости:

для сопловой решетки: для рабочей решетки:

; ;

; .

Тогда:

Коэффициентом расхода решетки называется отношение действительного расхода через решетку к теоретическому расходу массы рабочего тела через ту же решетку:

.

Теоретический расход для суживающихся дозвуковых решеток можно определить из уравнения неразрывности по формуле:

Для сопловой решетки:

,

где F₁ = l₁·O₁·z₁,

z₁ – число сопловых каналов в решетке;

c_1t; v_1t – теоретическая скорость и удельный объем на выходе из сопловой решетки.

Для рабочей решетки:

,

где F₂ = l₂·O₂·z₂,

z₂ – число каналов (лопаток) в решетке;

w_2t; v_2t – теоретическая скорость и удельный объем на выходе из рабочей решетки.

Действительный расход рабочего тела через решетку отличается от теоретического из-за неравномерности поля скоростей в выходном сечении решетки. Эта неравномерность вызвана наличием пограничных слоев на поверхностях лопаток, а также неравномерным полем давлений в выходном сечении канала – давление на выпуклой стороне (спинке) лопатки меньше давления на вогнутой поверхности.

При сверхзвуковых скоростях на выходе из суживающихся решеток теоретический расход вычисляется через критические параметры:

; .

Для решеток с расширяющимися каналами вместо площади выходных сечений F₁ и F₂ подставляют площадь минимальных сечений F_min:

; .

Δβ = 180˚ - (β₁ + β₂) ≤ 105˚

Δβ ≤ 130˚

≤ 145˚

Рис.10

Углом выхода потока из решетки α₁ и β₂ называется среднее значение углов направления векторов действительных скоростей за решеткой. Осреднение производят по шагу t и высоте l с помощью уравнения количества движения. Принято для современных решеток при дозвуковых скоростях за действительный угол выхода принимать значение эффективного угла выхода:

3. Режимные параметры потока.

К режимным параметрам относятся:

Þ угол входа потока в решетку: α₀, β₁;

Þ числа Маха и Рейнольдса: M, Re;

Þ степень турбулентности потока: ε;

Þ степень влажности потока: у₀.

Вопрос№10

4. Классификация турбинных решеток.

На каждом турбостроительном заводе принята своя классификация турбинных решеток.

В дальнейшем будем рассматривать профили МЭИ классификации, приведенной ниже.

Как сопловые, так и рабочие (активные) решетки различают по диапазону чисел Маха (М), на которые они спрофилированы:

Ø А – для дозвуковых скоростей (М < M*=0,85);

Ø А_К – дозвуковые для малых высот лопаток;

Ø Б – околозвуковых скоростей (М* < M < 1,2);

Ø В – сверхзвуковых скоростей (М > 1,2);

Ø Р – суживающиеся / расширяющиеся для сверхзвуковых скоростей (для рабочих решеток).

Обозначения типов профилей.

Первая буква: С – сопловая; Р – рабочая.

Две цифры: значение расчетного угла входа потока.

Две цифры: значение угла выхода потока из решетки (среднее значение диапазона углов, для которых может применяться данный профиль).

Последняя буква: уровень скоростей, на которые рассчитан профиль.

Пример: С – 90 – 12 А - это сопловая решетка с α₀ = 90˚, α₁ = 12˚, рассчитанная на дозвуковые режимы истечения.

Р – 30 – 21 А - это сопловая решетка с β₁ = 30˚, β₂ = 21˚, рассчитанная на дозвуковые режимы истечения.

. Выбор типа турбинной решетки.

Он осуществляется подбором соответствующего профиля из числа применяемых в турбостроении. На турбостроительных заводах используют отраслевые нормали профилей, разработанных в ЦКТИ, МЭИ, ЛМЗ и других организациях.

Из расчета обычно известны α₀, α₁, l₁ для сопловой решетки и β₁, β₂, l₂ для рабочей решетки. Известны скорости истечения и числа Маха М₁ и М₂.

Из условия обеспечения необходимой прочности выбирают значения хорды профиля b₁ и b₂. По этим данным в атласе подбирают профиль и его характеристики. Для окончательного формирования решетки необходимо определить число профилей в решетке z:

,

где d – средний диаметр решетки;

е – степень парциальности;

t – шаг решетки.

Полученное значение z округляют до целого, а для решеток диафрагм, которые состоят из двух половин, z принимают четным.

Затем корректируют шаг профилей в решетках:

.