Лопаточная решетка турбины

(я)з Р 01 О 5/14 МИЕ ИЗОБСВИДЕТЕЛЬСТВУ ОПИС К АВТОРСК ТЕН РЕШЕТКА ТУРБИНЫ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(54) ЛОПАТОЧ НА л.%35энергетический институтн, В.Г,Грибин, А,Н.Парамоьдберг, И.И,Гольдберг,Резницких и Г,Д.БаринбергМ 4229140,1980.видетельство СССР01 О 5/28, 1985. Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности, может быть использовано при конструировании ступеней паровых турбин и компрессоров.Известна лапаточная решетка, содержащая ряд лопаток, установленных с постоянным по окружности шагам и имеющая канавки в хвостовой части профиля (1).Недостатком известного технического решения является то, что у лопаток хвосто-. вая часть часть выполнена гофрированной, то есть с канавками желобковой формы на спинках вогнутых поверхностях для охлаждения лопаток газовых турбин и не могут обеспечить снижение аэродинамических потерь.Наиболее близким техническим решением является лопатачная решетка турбины (2), содержащая ряд лопаток, установленных с постоянным по окружности шагом и имеющих прямоугольные нашивки на спинке хвостовой части профиля шириной 3-6и глубиной 3 - 10 ат высоты лопатки. 1763679 А(57) Использование: в энергетическом машиностроении, в частности при конструировании ступеней паровых турбин и компрессоров. Сущность изобретения; лопаточная решетка турбины имеет ряд лопаток 1, установленных с постоянным по окружности шагом т. Профили 4 лопаток 1 имеют одинаковую по высоте хорду Ь. На спинках хвостовой части 3 выполнены равномерно расположенные по высоте про- дольные прямоугольные канавки 2, имеющие ширину б в пределах 0,5-1,5 и глубину Ь в выходном сечении в пределах 0,5 - 1,5 от хорды Ь лопаток. 5 ил. Указанные соотношения были получены эксперимейтай"йби"пбзволили Сййзить.потери для лопаток свысотой меньшей 40 мм. Однако, дальнейшие исследования показали, что выбор высоты лопатки в качестве базового размера не позволяет учесть толщину пограничного слоя на стенках лопаток, которая является одним из основных факторов, определяющих уровень профильных потерь,и зависит от режима течения и длины обтекаемой потоком поверхности, что особенно сказцвается в решетах большой высоты, где доля концевых потерь составляет незначительную часть ат уровня общих, В последнем случае выполнение лопаток с указанными соотношениями размеров канавок не только не обеспечивает достижения положительного эффекта, но может и сущесвенно снизить экономичность турбины.Недостатком данного технического решения является то, что ега применение ограничено областью малых высот лопаток,где общий уровень потерь определяется восновном концевыми потерями и поэтомуне позволяет выбрать оптимальный размерканавок для решеток с лопатками, высотакоторых больше 40 мм. Кроме того, в данномрешении не учитывается то, что хорды профилей решеток различных турбин могут значительно отличаться по величине, котораяоказывает в свою очередь существенноевлияние на формировайие потерь.Цель изобретения - снижение концевых и профильных потерь в более широкомдиапазоне типоразмеров лопаток, а такжерасширение диапазона рабочих режимовтурбины.Цель изобретения достигается тем, чтов лапаточнай решетке турбины, содержа. щей ряд лопаток, установленных с постоянным по окружности шагом и имеющихпродольные, прямоугольные канавки наспинках в хвостовой части профиля, канавки выполнены глубиной в вьходном сечении0,5 - 1,5 и шириной 0,5 - 1,5 оь ат хорды лопатки.Проведенные нами экспериментальныеисследования показали, что определяющимразмерам канавок, оказывающим основноевлияние на формирование структуры потокаявляется глубина канавок, равная приблизительно 0,3 от физической толщины пограничного слоя д (3), которая в свою очередьпри заданном режиме течения зависит талька от длиныучастка обтекаемой поверхности в направлении потока. Характернймразмером решеток, который достаточно полно характеризует величина хорды профиляЬ.При этом и ширина канавки, будучи связанной с глубиной, должна иметь указанныесоотношения. Ниже приведены данные экспериментальных исследований, подтверждающие правильность выбора укаэанныхсоотношений размеров канавок,Таким образом, для достижения поставленной цели необходима совокупность этихотличительных признаков. В просмотренныхисточниках информации нами не обнаружены решетки турбин, лопатки которыхимели бы продольные канавки с указанными соотношениями размеров. Следовательно, предложенное решение отвечаеткритерию существенности отличий,На фиг. 1 изображена описываемая решетка турбины с продольными, прямоугольными канавками, продольный разрез ипоперечное сечение А - А; на фиг. 2 - зависимость полных потерью = " от атноситепьпоной глубины Ь= Ь/Ь канавки; на фиг, 3 -зависимость полных потерьф = 3-"- от отно 1 Япосительной ширины а а/Ь канавок, где- полные потери в решетке с канавками, 4 по - полные потери в решетке с гладкими лопатками, Ь - глубина канавок, а - ширина кана вок и Ь - хорда профиля; на фиг. 4 - зависимость профильных потерьот числа М для решеток с канавками (кривая 2) и гладкими лопатками (кривая 1); на фиг, 5 - зависимость потерь от относительной высо ты лопатокЬ/ для решетки с канавками (кривая ) и решетки с гладкими лопатками (кривая ),Лопаточная решетка турбины содержитряд лопаток 1, установленных с постоянным 15 по окружностй шагом т и имеющих канавки 2 на стенках хвостовой части 3 профилей 4, Канавки 2 выполнены прямоугольными, глубиной Ь 0,5-1,5 и шириной а 0,5-1,5 от хорды Ь профиля 5; Канавки 2 расположены 20 равномерно по высотелопатки 1.Работа решетки заключается в следующем;Решетка обтекается потоком пара в направленйи, совпадающем с направлением 25 канавок, В решетке пройсходит ускорение потока в каждом канале, образуемом профилями и периферийными обводами, В области косого среза происходит течение с положительным градиентом давления, в ре зультате чего происходит увеличение толщины пограничного слоя, которое может привести к отрыву потока от стенки лопатки.Известно, что все наиболее эффективные методы предотвращения отрыва потока 35 базируются или на уменьшении толщины пограничного слоя, или на повышении напряжения трения на стенке, Расстояния от стенки У, где напряжение гдостигает максимальной величины и зависит от безраз оР д мерного комплекса На " -- , где ббх йд физическая толщина пограничного слоя, ю - напряжение трения на стенке, На - параметр Гагена, Указанная зависимость 45 имеет вид:1В Б 7 йв+ 3 Для расчетов используют приближенное соотношение У = 0,33 д; Физическая толщи на пограничного слоя определяется по формуле:А Ьгде А и М - безразмерные коэффициенты, Ь - хорда профиля, с - скорость потока, - кинематическая вязкость,При движении жидкости вдоль профильной поверхности, образованной про1763679 дольными прямоугольными канавками, глубиной равной приблизительно 0,3 д нарушается поперечная однородностьпограничного слоя и создаются на уровневыступов различные условия торможения 5потока. Для канавок на этом уровне находится зона наибольшей деформации профиля скорости, а над выступом движениепотока практически полностью определяется увлекающим действием вышележащих 10слоев, т.е, силами, обусловленными касательными напряжениями, Конечным результатом взаимодействия областей сразличными скоростями является резкоеповышение степени турбулентности над поверхностью, образуемой канавками и выступами,В конечном счете выполнение прямоугольных канавок приводит к активизацииобмена энергией между различными слоями жидкости и увеличению средней скорости в пристеночной зоне, что позволяетзначительно расширить диапазон экономической работы решеток и снизить потериэнергии. 25Кэк уже было отмечено вышена уровень. потерь в решетке с прямоугольнымиканавками нэ стенках существенное влияние оказывает соотношение размеров канавок с размерами профиля, причем, 30определяющим размером является глубинавыполнения канавок. Нэ фиг, 2 представлены результаты исследования лопаточнойрешетки, образованной профилями С 90 -17 А при фиксированных значениях чисел Ре 35и М, постоянной ширине а = 0,1 Ь(Ь =60 мм)и переменнсй глубине канавок и,Из графика видно, что выполнение канэвок с глубиной превышающей 1,5 - 2 О отхорды может привести к. существенному 40увеличению профильных потерь. При выполнении канавок глубиной меньше О,З 0,5 О от хорды положительный эффект,исчезнет. 45 Лопаточная решетка турбины, содержащая ряд установленных с постоянным по окружности шагом лопаток, профили которых имеют одинаковую по высоте хорду и на спинке хвостовой части - равномерно рас положенные по высоте продольные прямоугольные канавки, о т л и ч э ю щ а я с я тем.что, с целью повышения экономичности, канавки выполнены глубиной в выходном сечении 0,5 - 1,5, и шириной 0,5+1,5% от 55 хорды лопаток,В данном случае максимальный эффект получен при глубине канавок примерно равной Ь = 0,1 Ь = 0,6 мм, что подтверждает вывод о том, что глубина канавок в выходном сечении должна быть равной примерно 0,3 д 2, где д 2 = 1,563 (мм) - физическая толщина пограничного слоя в выходном сечении.На фиг. 3 представлены результаты исследований этой же решетки с фиксированной глубиной Ь= 0,1 Ь и переменной шириной канавок а, Из приведенного графика видно, что зависимость потерь фп от а/Ь имеет минимальные значения, лежащие в пределах 0,5 Ьа1,5 Ь.При выполнении канавок большой ширины, они практически не влияют на формирование структуры потока, а при меньшей потери превышают уровень потерь в гладкой решетке.На фиг, 4 представлена зависимость профильных потерь решетки профилей С 90 - 17 А канавками оптимальных размеров от числа М, Из графика видно, что в диапазоне скоростей 0,4М1,1 решетка с канавками имеет потери меньше по сравнени "о с решеткой, имеющей гладкие лопатки. При скоростях М 0,4 потери в предложенной решетке несколько выше, но так как в реальных турбинах режимы со скоростями, меньшими 0,5, практически исключены, можно считать, что выигрыш в снижении потерь достигается во всем диапазоне рабочих режимов.На фиг. 5 представлена зависимость полных потерь п в решетке С 90-17 А от Ьд, где Ь - хорда профиля, - высота лопатки. Иэ представленного графика видно, что и для решеток с короткими лопатками выполнение канавок с оптимальными размерами, определенными по хорде, приводит к резкому снижению полных потерь, в общем уровне которых превалируют концевые потери.Таким образом, по сравнению с прототипом, предложенное решение позволит снизить потери в лопаточных решетках любой высоты в широком диапазоне режимов работы, что особенно важно для транспортных турбин, а также для турбин, работающих в пиковом и полупиковом режиме. Формула изобретения1763679 ставитель А. Зэрянкинхред М,Моргентал Корректор М,Андруше Редакто Подписное Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 аказ 3439 ВНИИПИ Гос Тир дарственного 113035, Ммитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССсква, Ж, Раушская наб 4/5