Диссертация (Исследование влияния параметров ГТУ и ПГУ на их характеристики на основе методики с детальным учетом потерь от охлаждения в газовой турбине), страница 8

Вданном разделе предлагается косвенный метод определения суммарныхаэродинамическихпотерьврешетках,основанныйнапересчетехарактеристик модельных решеток из атласов турбинных решеток.Для нахождения аэродинамических потерь в практических расчетахобычно имеет место использование справочных данных [9, 14]. Несмотря набольшое количество данных для разных вариантов испытанных решеток,прямоеиспользованиеопытныхрезультатовзатрудняетсятем,чтопроектируемая решетка, как правило, по ряду параметров отличается отвыбранного в справочнике прототипа. В этих случаях необходим пересчетаэродинамическихпотерь,приведенныхвсправочнике,дляучетаотличительных особенностей проектируемой решетки от найденного всправочнике прототипа.Всеэкспериментальныерезультатыв[9,14]полученыбезконвективного охлаждения и без подмешивания охлаждающего воздуха и,как правило, учитывают кромочные потери наряду с потерями трения напрофильных поверхностях (вогнутой и выпуклой стенках профиля и наторцевых поверхностях канала).58Для пересчета аэродинамических потерь модельной решетки иполучения потерь проектируемой решетки необходимо ввести поправки: навеличину концевых потерь, на выдув охлаждающего воздуха (т.е.

учестьдополнительные аэродинамические потери) и на температурный фактор.При этом принимаем справедливым соотношение из [9] для концевыхпотерь: кон где приняты обозначения t tB тр.пl(2.72)t; t — шаг решетки, b — хорда профиля, B —bширина, l — высота решетки (длина лопатки),  тр.п — потери от трения напрофильных поверхностях.Суммарные потери от трения на профильных и торцевых поверхностяхtBlм , где индекс «м» показывает, чтопересчитываются в отношении tB 1   l 1данная величина относится к модельной решетке из справочника.Дополнительныеохлаждающеговоздухапотери тр.п ,трения,оценкаобусловленныекоторымданавыдувомнаосновеэкспериментальных исследований, относятся к профильным частям канала.

Втом случае, когда выдува воздуха на торцевых поверхностях канала нет, этипотери должны быть добавлены к пересчитанным основным потерям трения.Если на торцевых поверхностях канала также существует выдув, то потери тр.п следует умножить на 1 tB.l59Таким образом, пересчет аэродинамических потерь в соответствии с [40]производится по формуле:tBp1TtBммlг а    а   кр  тр.п 1      кр .мl  Tw  tB 1  l (2.73)мЗдесь  а — аэродинамические потери из справочника без учетамдополнительных потерь от вдува;  кр — кромочные потери в модельнойрешетке;  кр — кромочные потери в рассчитываемой решетке;  тр.п —дополнительные потери от вдува на профильных поверхностях, принимаютсяpпооценке тр.п  (0,4  0,5)% ;величина Tг   есть Tw температурныймножитель, где Tг — температура полного торможения потока газа, T w —температура стенки лопатки, показатель степени принимается p = (0,3 – 0,4).Величина кромочных потерь определяется по зависимости кр  e кра2,(2.74)где  кр — толщина выходной кромки; а 2 — размер выходного сечения(горла)канала;e—коэффициентпропорциональности,которыйпринимается в виде:e  e0  e e .(2.75)Здесь величина e 0 зависит от углов решетки 1 и  2 эф ; e зависит от 1и  , где  — угол отгиба профиля; e зависит от изоэнтропийнойотносительной скорости на выходе из канала  2t c2 t** , c 2 — критическаяc2скорость в сечении а 2 .

Графические зависимости для нахождения величинe 0 , e и e приведены в [40].602.8 Анализ влияния различных факторов на величину дополнительныхпотерьВ данном разделе произведен анализ влияния различных факторов навеличину дополнительных потерь в охлаждаемой решетке.

Исследуетсявлияние следующих параметров:— общий расход охлаждающего воздуха;— угол выхода охлаждающего воздуха из перфорационных отверстий;— место выхода охлаждающего воздуха на профиле лопатки;— отношение расходов охлаждающего воздуха на конвективное иперфорационное охлаждение.Анализ влияния общего расхода охлаждающего воздуха Gв/G, углавыхода воздуха из перфорационных отверстий β и отношения расходов наконвективное охлаждение и перфорацию произведен на основе методики,изложенной в предыдущих разделах главы.Все расчеты произведены для сопловой решетки №22 из [9]. Для расчетаво всех случаях были использованы следующие исходные данные.1. Параметрыпараметрампередступенью:торможенияпараметрам торможенияначальнаяоT 0 = 1350 С;6p 0 = 1,8·10температураначальноегазаподавлениепоПа; давление за сопловойрешеткой p1 = 1,3·106 Па.2. Параметры охлаждающего воздуха: Tв = 430 оС, скорость cв = 200 м/с.Воздух через перфорацию подается равномерно по профилю лопатки.Дляоценкивлиянияобщегорасходаохлаждающеговоздухапроизведены расчеты для различных значений относительного расходавоздуха от Gв/G = 0 (охлаждение отсутствует) до Gв/G = 0,1.

При этом61половина воздуха шла только на конвективное охлаждение и выдуваласьчерез выходную кромку, другая половина — на перфорационное сравномерным выдувом вдоль профиля, а угол выхода воздуха изперфорационных отверстий был выбран β = 60о. Результаты в видедиаграммы приведены на рисунке 2.4.Коэффициентпотерь в сопловойрешетке ζ0,120,10,080,060,040,02000,010,020,030,040,050,060,070,08Относительный расход охлаждающего воздуха0,090,1Рисунок 2.4 — Влияние относительного расхода охлаждающего воздуха накоэффициент потерь в решеткеКак видно из построенного графика, данная кривая имеет практическилинейный характер во всем указанном диапазоне изменения относительногорасхода охлаждающего воздуха.

Потери в решетке при измененииотносительного расхода воздуха от 0 до 0,10 возрастают почти на 4%.Начальное значение потерь (около 0,06) при отсутствии охлаждающеговоздуха обозначает величину аэродинамических потерь для данного случая.62Физически также очевидно, что с ростом количества охлаждающего воздухарастет как конвективная, так и перфорационная составляющая суммарныхпотерь.Далее проанализировано влияние угла выхода охлаждающего воздуха напотери. Для этого случая расход воздуха на охлаждение был принятGв/G = 0,065, из которого половина шла на конвективное охлаждение,половина — на перфорационное. Изменение угла произведено в пределах от0 до 90о.

Результаты представлены на рисунке 2.5.Коэффициентпотерь в сопловойрешетке ζ0,120,10,080,060,040,0200102030405060Угол выхода охлаждающего воздуха, град708090Рисунок 2.5 — Влияние угла выхода охлаждающего воздуха изперфорационных отверстий на коэффициент потерь в решеткеВ пределах изменения угла β от 0 до 30о практически не происходитизменения коэффициента потерь в решетке. Однако с дальнейшимувеличением угла β потери растут тем значительнее, чем больше изменение63угла β. Общее увеличение коэффициента потерь при росте угла выходавоздуха от 0 до 90о составляет при указанных исходных данных почти 2%.Физический смысл такого увеличения потерь прост.

Поскольку угол β — этоугол между векторами скоростей основного потока газа в канале ивыдуваемого в канал воздуха, то суммарный вектор скорости потока послесмешения будет максимальным, если данные два вектора совпадают понаправлению, т.е. β = 0о. Однако нулевой угол возможен только при выдувеиз отверстий, расположенных на выходных кромках лопаток. Для вогнутой ивыпуклой сторон профиля лопатки этот угол ограничен в меньшую сторонутехнологическими особенностями выполнения отверстий и не может бытьменьше 30÷40о.Оценку влияния места выдува охлаждающего воздуха на коэффициентпотерь не представляется возможным произвести только на основетеоретическихрасчетов.Согласно[36],выполненныеспециальныеисследования решетки натурных профилей сопловых лопаток, типичных дляпервых ступеней охлаждаемых турбин, показали следующие характерныеособенности влияния выдува воздуха при перфорационном охлаждении напотери трения. При выпуске воздуха через ряд отверстий, ближайший к входнойкромке на выпуклой поверхности профиля дополнительные потеритрения составляют Δδтр.п = (0,15÷0,3)%; для аналогичного рядаотверстий на вогнутой поверхности Δδтр.п = (0,25÷0,3)%. По мере удаления места выпуска воздуха от входной кромки Δδтр.пуменьшается до значений (0,05÷0,07)%, а для некоторых рядовотверстий такая погрешность становится сравнимой с погрешностьюэксперимента. Влияния выдува из отверстий, расположенных на входной кромкевблизи точки полного торможения, не обнаружено.64 Дополнительные потери на трение практически не зависят ототносительного расхода выдуваемого воздуха.Таким образом величина относительных потерь меняется от 0 до 0,3% взависимости от места расположения перфорационных отверстий на профилерешетки.

Суммарное повышение потерь трения для решеток с выдувомвоздуха составляет (0,4÷0,5)%.Влияние соотношений расходов воздуха на перфорацию и наконвективное охлаждение также произведено для исходных данных изпримеров,приведенныхохлаждающеговоздухавыше.ПриGв/G = 0,065,этомуголотносительныйвыходарасходвоздухаизперфорационных отверстий β = 60о. Расход на перфорацию по отношению кобщему расходу охлаждающего воздуха меняется в пределах от нуля(пленочное охлаждение отсутствует) до единицы (присутствует толькопленочное охлаждение). Результаты показаны на рисунке 2.6.Как следует из полученного графика, коэффициент потерь минимален вслучае отсутствия перфорационного охлаждения, т.е. если всѐ охлаждениеосуществляется только за счет конвективной составляющей.

С увеличениемколичества воздуха, выдуваемого из перфорационных отверстий, растут исуммарные потери, т.е. перфорационная составляющая потерь значительнопревышаетконвективнуюсоставляющую.Вприведенномпримерекоэффициент потерь в решетке увеличивается более чем на 4% при переходеот конвективного к пленочному охлаждению при сохранении постоянногообщего расхода охлаждающего воздуха.65Коэффициентпотерь в сопловойрешетке ζ0,120,10,080,060,040,02000,10,20,30,40,50,60,70,80,91Отношение расхода на пленочное охлаждение к общему расходуохлаждающего воздухаРисунок 2.6 — Влияние относительного расхода охлаждающего воздуха наперфорацию на коэффициент потерь в решеткеОднако следует отметить, что эффективность пленочно-заградительногоохлаждения значительно выше с точки зрения понижения температурыметалла лопаток, чем у конвективного способа.