Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Зти потери тем большие, чем большая разность скоростей смешивающихся потоков, чем большее отклонение направлений вдуваемого воздуха и основного потока и чем больший расход этого воздуха по отношению к основному потоку. Если выходная кромка лопаток конструктивно выполнена таким образом, что охлаждающий воздух выходит не из отдельных отверстий, а из сплошной щели и перемычки, соединяющие выпуклую и вогнутую стенки лопатки, не выходят на срез, и если направление течения воздуха и основного потока совпадают, то потери в закромочном следе будут сравнительно невелики.
При безотрывном обтекании профилей лопаток и при давлении охлаждающего воздуха, равном или большем давления основного потока на входе в лопатки они почти равны (несколько меньше) определяемым по известной формуле Ь„=0,26'й з1п я, где 6' — толщина выходной кромки за вычетом ширины щели, из которой выдувается охлаждающий воздух. Выдув, воздуха из щелей в выходной кромке уменьшает данное сопротивление профиля и тем самым частично компенсирует потери смешения. Так, при расходе через щели в выходной кромке воздуха в количестве 2Ую от расхода его через межлопаточные каналы, кромочные потери уменьшаются примерно в 2 раза по сравнению со значением при отсутствии истечения [39, 43). По экспериментальным данным, полученным при изотермических продувках пакета сопловых лопаток с выпуском охлаждающего воздуха, через щель в выходной кромке (6'=1,9 мм, 1=17 мм, а,=28'30') компоненты гидравлических потерь имели следующие значения 138, 391: потери трения (межлопаточный канал и зона косого среза) — 2,584; кромочные потери — 2,134 (подсчитанные по упомянутой формуле 2,24%); потери смешения — 1,7%.
Относительный расход охлаждающего воздуха составлял 3,634 при давлении, равном давлению основного потока на входе в лопатки, и скорости его на выходе из лопаток, характеризуемой числом М,ж0,6. Выпуск воздуха нз щелей или отверстий, расположенных по обводу профиля охлаждаемой лопатки, как правило, влечет за собой появление дополнительных потерь при смешении с основным потоком и рост профильных потерь, так как вызывает переход ламннарного пограничного слоя в турбулентный, а в области больших чисел М приводит к взаимодействию скачка с пограничным слоем и к отрыву последнего.
Зти потери, характеризуемые коэффициентами потерь $, могут быть представлены в виде $ = $„, + $,„+ йй,„, (4. 1) 90 Здесь + ~в1 Св 1 5=1 — 1Ра =1 14. 2) (4.3) где вг1ад ( г1ад) Х Х в1 а11 — в1 агг )в = )в — 7в — = 1аа Х ' 1д Х ' т'' г1 га гг г С, 6, С., * " бг !аа При выпуске охлаждающего воздуха из нескольких рядов отверстий величина коэффициента суммарных потерь смешения определяется из соотношения ~ 1,„,(1 -. О,, т„Л,'1а ) (1 ~ аа,) ' (- ~-.)( —: —;;.,Л в) Величина дополнительных потерь трения характеризуется ко- с, г 1 11"г. = с г; а11 91 где $„р — коэффициент профильных потерь в решетке ие перфорированных лопаток; 5℠— коэффициент потерь, возникающих при смешении охлаждающего воздуха и основного потока газа; $,р— коэффициент дополнительных потерь трения, связанных с турбулизацией пограничного слоя на участках ламинарного и переходного течения по обводу профиля, в том числе и с возникновением его отрыва при выпуске охлаждающего воздуха на поверхность лопатки.
Основываясь на одномерной модели течения, в предположении, что: выпуск охлаждающего воздуха на поверхность профиля лопатки происходит из непрерывной щели; весь охлаждающий воздух смешивается с основным потоком газа и не захватывается пограничным слоем; смешение потоков происходит при постоянном давлении, равном статическому давлению на поверхности лопатки в месте выпуска охладителя, которое сохраняется таким же, как и при отсутствии выдува, с помощью уравнений неразрывности, количества движения, энергии и состояния, В. В. Зикеевым получено выражение для определения коэффициента потерь смешения $,„при выпуске охладнтеля из 1-го ряда отверстий, выполненных под углом у; к поверхности профиля: а,, '"' '(1+а.р)(1- а., т,"Х,',„,) ' эффрциентом Ь$„, зависит от состояния и параметров пограничного слоя на участках профиля, где располагаются отверстия для выпуска воздуха и уровня возмущений вносимых нм.
Л$,р можно определить как разность между замереннымн в эксперименте дополнительными профильными потерями Ь5„,=5 †„з, и потерями смешения, подсчитанными по выражению (4.4). Если эксперимент провести на натурной лопаточной решетке, геометрические характеристики которой типичны для соответствующих степеней газовых турбин с охлаждаемыми лопатками, и выдержать режимные параметры, такие, как Х„, Ке„степень гыхэ турбулентности в потоке на входе в решетку е„Х,.
или, что то Гад же самое, Р;~Р„", равными их значению в натурных турбинах, то полученными результатами с точностью до пренебрежения неизотермичностью процесса в натурных условиях по сравнению с экспериментом можно пользоваться для оценки дополнительных потерь трения при расчете и проектировании сопловых лопаток с завесным охлаждением. Объясняется это тем, что, как показали многочисленные исследования, величина дополнительных потерь трения, возникающих при заградительном охлаждении, при соблюдении указанных условий определяется местом расположения вдува на поверхности профиля.
Действительно, вдув охладителя через ряды отверстий, расположенных на вогнутой части профиля и на спинке от входной кромки до узкого сечения межлопаточного канала, приводит к дополнительным потерям трения в силу частичной или полной турбулизации ламинарного и переходного пограничного слоя. Они будут тем большими, чем на большей поверхности этих участков будет производиться выдув. При наличии нескольких рядов отверстий величина дополнительных потерь трения определяется главным образом возмущениями, вносимыми выдувом из ряда отверстий ближайшего к входной кромке.
Выдув нз отверстий, расположенных на спинке профиля от узкого сечения до выходной кромки, если он не приводит к отрыву, не вызывает существенных дополнительных потерь трения, так как на этом участке профиля преобладает турбулентное состояние пограничного слоя, на поведение которого выпуск охладителя оказывает слабое влияние. Тем не менее возможность возникновения отрывных течений при выпуске охладителя на поверхность спинки лопатки за узким сечением межлопаточного канала весьма вероятна из-за диффузорного характера течения основного потока газа !89). Изложенное получило подтверждение в специально проведенном экспериментальном исследовании решетки натурных профилей сопловых лопаток, типичных для первых ступеней охлаждаемых турбин, на поверхность которых выпускался воздух из рядов ,отверстий (рис. 4.1).
На этом же рисунке приведено замеренное в эксперименте распределение безразмерной скорости по ободу профиля и угла наклона отверстий к поверхности лопатки, пользуясь 92 Рис. 4.1. Профиль сопловоа лопатки конвективно-заградительного оклавгденик и распределение скоростей вдоль него оь р=ьач Нг=ььь; ьна=ь.ьсп ь =ь,ьть; 1 =ь,ть„ ,ад ' ара Номер ряда хь % 14,5 оград 0 876 тн град 20 23,5 30,0 0,950 0,990 20 25 38,5 40,5 0,876 0,800 30 25 60,0 0,230 25 64,0 71,0 0,250 0,310 25 25 76,5 0,380 20 84,0 О, 540' 20 которыми производились подсчеты $о„. Определяя влияние на профильные потери каждого ряда отверстий и их сочетания, получены следующие результаты: 1.
При выпуске воздуха через отверстия ближайшего к входной. кромке ряда (5-го) коэффициент дополнительных потерь трения Л$, =0,15 — 0,2%. По мере удаления отверстий от входной кромки лопатки Ль,р УменьшаетсЯ в конЦе Участка До величин, соизмеримых с погрешностью эксперимента. 2. Выпуск воздуха из 1-го и 2-го рядов отверстий практически не приводит к дополнительным потерям трения (ЛО, =0,05 — 0,07%).
Это указывает на отсутствие отрывных течений на участке спинки. от узкого сечения канала до вьгходной кромки у исследованной. решетки профилей. 3. Чем ближе к входной кромке лопатки располагаются ряды отверстий на вогнутой части профиля, тем к большим дополнительным потерям трений приводит выдув воздуха. При выдуве из 6-го ряда отверстий гЦ, =0,25 — 0,3%.
По мере удаления места вдува от входной кромки Ль, убывает. На протяжении 60% длины лопатки от входной кромки и далее Ьь, =0,05 — 0,07%. Проведенное исследование показало, что в отличие от потерь смешения величина дополнительных потерь трения практически не зависит от относительного расхода вдуваемого воздуха, а определяется главным образом местом расположения его на профиле.
Причем если на участках спинки до узкого сечения или вогнутой части расположено несколько рядов отверстий, то величина суммарных дополнительнмх потерь трения прн выдуве из всех рядов приблизительно равна величине потерь, возникающих на соответствующем участке при наличии на нем выдува только из одного ближайшего к входной кромке ряда отверстий. В исследованных лопатках отсутствуют отверстия непосредственно на входной кромке. Исследования выдува из отверстий, расположенных на входной кромке, -уже были опубликованы !841. Влияния же выдува нз отверстий, расположенных на входной кромке вблизи точки полного торможения основного потока, на ,дополнительные потери трения не обнаружено.
Это объясняется тем, что вдув в самом начале развития ламинарных областей пограничного слоя на профиле, где пограничный слой еще весьма тонок, вызывает слабый отрыв его, который локализуется под действием больших отрицательных градиентов давления. Это приводит не к турбулизации областей с ламинарным пограничным слоем, лежащих вниз по потоку, а как бы к некоторому смещению их начала. Несмотря на то, что в проведенных экспериментах выдув воздуха на участок спинки лопатки от узкого сечения к выходной кромке не приводил к возникновению отрывных течений, все же следует1его избегать в силу диффузорного характера течения в этой области решетки и большой вероятности отрыва погранслоя. Например, экспериментальные данные, полученные Б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
