Копелев С.З. - Охлаждаемые лопатки газовых турбин (1014173), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Увеличение осевого зазора в 1,6 раза уменьшает выигрыш в КПД и сводит его к 0,2 — 0,3'/а 134]. По мере увеличения степени повышения давления в газотурбинных двигателях абсолютные размеры первых ступеней турбины, требующих наиболее интенсивного охлаждения, уменьшаются. Следовательно, дополнительные потери из-за ухудшения аэродинамических характеристик лопаточных решеток профилей будут увеличиваться и их доля в сумме всех дополнительных потерь, вызванных введением охлаждения, резко возрастет. Этот рост дополнительных потерь можно несколько уменьшить, уменьшая число охлаждаемых лопаток в одном венце при сохранении их относительного шага близким к его оптимальному значению.
Однако чрезмерное уменьшение числа лопаток приводит к интенсивному росту вторичных потерь в сопловых решетках из-за уменьшения относительной высоты межлопаточных каналов Й=Й/а, где Й вЂ” высота лопатки. Из графиков зависимости величины коэффициента вторичных потерь $„от относительной высоты межлопаточных каналов сопловых решеток, полученных обработкой экспериментальных данных серии испытанных сопловых решеток (рис. 4.4), видно, что у решеток с Й(4 вторичные потери резко возрастают и достигают неприемлемо больших значений. Потери при нестационарном обтекании решеток профилей. По мере увеличения интенсивности охлаждения лопаток за счет увеличения относительного расхода охлаждающего воздуха растет ширина следа за лопатками в районе выходных кромок и, следовательно, шаговая неравномерность параметров в потоке за решеткой тоже увеличивается. Это оказывает возмущающее действие на последующую решетку профилей рабочих лопаток, увеличивая в ней гидравлические потери.
Увеличение потерь связано с периодиче- 4Ф 99 ской нестационарностью полей скоростей н давлений на входе в рабочие лопатки колеса, обусловленной их перемещением в неравномерном потоке за лопатками соплового аппарата. Неравномерность поля скоростей и давлений в закромочных следах охлаждаемых сопловых лопаток при выпуске воздуха через щели в выходной кромке исследовалась при изотермическом течении (38, 39!. Объектом исследования являлась плоская решетка профилей сопловых лопаток с внутренней полостью, имевшая восемь каналов. Шаг решетки составлял .1=.36,6 мм, узкое сечение межлопаточного канала а=17 мм, эффективный угол потока на выходе из решетки ск,,а-— -агсяп(а/1)=28'30'; толщина выходной кромки 8=2,5 мм при ширине щели 8=0,6 мм.
Измерения велись в восьми сечениях вдоль оси г, параллельных узкому сечению а (начало отсчета) и в четырех сечениях вдоль оси г', параллельных фронту решетки. Основным измерительным прибором служил термоанемометр, позволяющий определять осредненные локальные параметры градиентного потока небольших линейных размеров, а также характеристики турбулентности. Дополняющие измерения плоским зондом полного напора (приемная часть 1,280,25х0,1) обеспечили вычисление локальных статистических давлений и потерь кинетической энергии.
При истечении в атмосферу режим испытаний характеризовался величинами М,ы0,6, Ке,=8,4 10'. Количество выдуваемого воздуха и его скорость на выходе из щели варьировались изменением полного давления во внутренней полости лопатки. Относительный расход выдува через щели в выходной кромке 6, менялся в пределах от 0 до 4,8'/о расхода воздуха через межлопаточные каналы решетки. Продувки велись на шести режимах. Режим 6,=0 достигался герметизацией внутренней полости лопатки и соответствовал случаю отключения системы охлаждения.
Когда внутренняя полость лопатки соединялась с атмосферой, эжектируемый расход 6, составлял 0,6434. Направление на выходе из решетки оценивалось у обоих потоков визуально по краске, нанесенной на плоскость, которая располагалась перпендикулярно к фронту решетки. Испытания показали, что след за кромкой несимметричен, ось следа искривляется. Это связано с различиями в условиях схода пограничных слоев со спинки и вогнутой поверхности профиля. Считая осью следа линию, проведенную через точки максимума или минимума абсолютных скоростей в следе, видно отклонение ее в сторону фронта решетки, т.
е. в сторону уменьшения угла а,. Эта деформация оси следа наиболее интенсивна за участком косого среза н обусловлена, с одной стороны, разницей давления на границах следа, а с другой — уменьшением осевой составляющей потока, происходящей за счет общей днффузорности течения. Характер изменения относительной скорости на оси струи С=С,/С„„„в зависимости от величины вдува 6, существенно 100 с"хна* -сг 'У К У УХ ест Рнс. 4Л. Изменение относительной скорости вдоль осн следа С скорость ив ос следа; С вЂ” снорость в дре основного поток: е —. 76 — оп осктельнсе расстояние ст кромки; 6 — толщина выходной кромки Х Ов 6%: Э вЂ” О 67' 4Х вЂ” О ВЗ' М вЂ” 2Л2, "Г2 — 3,25: и — 4,78% ~ф, вУ' 145ь лУл Рнс.
4.6. Изменение ширины следа Обозначения аналогичны принятым на рис. 4.с Рнс. 4.7. Влияние вдуна нз выходной кромки сопловых лопаток ка эффективный КПД ступени турбины разный в зонах ближайшего следа и саашис7шя. Сначала оиа возрастает с увеличением 6в, достигая скорости, большей скорости основного потока. На небольиюм удалении от кромок С с изменением 6, сначала уменьшается вплоть до возникновения зоны обратных токов (С(0), а затем иитсисииио возрастает, превышая осредненную скорость основного и4иока ири болыиих выдувах. В удалении от кромок процесс гмгиииия ирактичгскн заканчивается, влияние 6, на величину С оглибшикт (рис.
4.5). !01 Дольше всего заметная неравномерность сохраняется при С,жС„что объясняется минимальными для данного режима сдвиговыми напряжениями между поверхностями тока. Это говорит о том, что гипотеза об убывании коэффициента неравномерности (у=1 — С;„/С,„обратно пропорциональна г в ближнем следе за сплошной кромкой и пропорциональна г в зоне смешения) подтверждается только для 6,=0. Смешение струи с закромочными следами сопровождается их размыванием основным потоком. Оба процесса турбулентного перемешивания приводят к сравнительно быстрому выравниванию сильной закромочной неравномерности. Изменение ширины следа, отнесенной к толщине выходной кромки лопатки, показано на рис.
4.б. В качестве ширины следа принималось расстояние между точками по обе стороны следа, где скорость потока равна 0,95 Сег Так как течение не симметрично, под С„понимаются скорости со стороны спинки С, и со стороны вогнутой поверхности С„. Полученные таким образом два значения полуширины следа складываются. При таком методе определения ширина следа непосредственно за кромкой (в зоне ближнего следа, где нет автомодельности полного профиля скоростей) включает зоны обратных токов за кромками, зону струи вдува, а также пограничные слои, сошедшие с профиля. В зонах обратных токов наблюдается резкое падение полного давления. При этом статическое давление существенно ниже барометрического. Разрежение за кромкой со стороны спинки Р, на всех режимах больше, чем со стороны вогнутой поверхности Р„. Давление на оси струи Р„которое обычно принято называть донным, лежит между двумя значениями до 6,=2%.
Заполнение закромочных областей и рост давления в них (Р„и Р,) идут за счет основного потока и струи вдува: заполнение особенно интенсивно при больших 6,. С удалением от кромки знакопеременные градиенты статического давления в значительной мере сглаживаются, однако полностью не исчезают вплоть до г=26. Вносимая вдувом энергия превалирует над потерями полного напора в процессе смешения, что наблюдается и в сечениях, достаточно удаленных от кромки, где эти потери максимальны.
Коэффициент восстановления полного давления з(6„)- 1 — Р'!Р"„, подсчитываемый по осредненным параметрам, может быть больше, меньше или равен О. Таким образом, можно сделать вывод, что поле скоростей полных и статических давлений за решеткой с выдувом воздуха через щели в выходных кромках сопловых лопаток неравномерно и имеет сложную структуру.
Во всех характерных зонах за кромкой давление с ростом выдува меняется, проходя максимум. 1)а всех режимах вдува изменение осредненной скорости и интенсивности турбулентности вдоль оси следа носит двузначный характер; с ростом вдува изменение скорости проходит через минимум, а ин- !02 тенсивность — через максимум. Шаговая неравномерность интенсивностей турбулентности за решеткой распространяется на значительное расстояние по потоку. При этом уровни турбулентности в следе достигают больших величин. Дополнительные гидравлические потери, вызванные выпуском воздуха на поверхность сопловых лопаток, увеличивают шаговую неравномерность в потоке на выходе из них, что в свою очередь не только увеличивает потери в рабочих лопатках (35), но и воспринимаемый ими импульс возмущающих сил. Так, по данным испытаний ступени турбины с сопловыми лопатками конвективно-заградительного охлаждения, выпуск через отверстия в их входной кромке 1,8% воздуха увеличивает амплитуду резонансных колебаний рабочих лопаток по одной из высоких гармоник в 1,3 раза.
На рис. 4.7 приведены результаты испытания ступени турбины 16), из которых следует, что выдув воздуха из щели в задней кромке сопловых лопаток в количестве от 2 до 4% от основного потока понижает эффективный КПД этой ступени на 1 — 4%. Величина дополнительных потерь в ступени турбины из-за периодической нестационарности полей давлений и скоростей иа входе в рабочие лопатки определяется геометрическими параметрами рабочей и сопловой решеток, величиной относительного осевого зазора между ними 6,,=6,,/а яп и„относительным шагом лопаточных решеток 1 Й„критерйями газодинамического и кинематического подобия (р, це, (Ос, ) и степенью турбулентности оо набегающего на рабочие лопатки потока; для охлаждаемых лопаток, кроме того, количеством охлаждающего воздуха и способом выпуска его в проточную часть турбины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
