CC BY
84
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2011 год № 1 (6)
05.00.00 Технические науки
УДК 621.165 ... 621
Ю.Я. Фершалов, В.М. Акуленко, М.Ю. Фершалов, Л.П. Цыганкова
Фершалов Юрий Яковлевич - канд. техн. наук, докторант кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания и установок ДВГТУ, г. Владивосток. E-mail: fershalovjuriy@mail.ru
Акуленко Вера Михайловна - начальник управления воспитательной и социальной работы со студентами ДВГТУ, г. Владивосток. E-mail: akulenko@festu.ru
Фершалов Михаил Юрьевич - аспирант кафедры прикладной математики и информатики ДВГТРУ, г. Владивосток. E-mail: mfershalov@gmail.com
Цыганкова Людмила Петровна - доцент кафедры графики ДВГТУ, г. Владивосток. E-mail: liusivl@mail.ru
МЕТОДЫ ПРОФИЛИРОВАНИЯ СОПЛОВЫХ АППАРАТОВ ТУРБИН И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ
В статье рассматриваются различные способы профилирования проточной части сопел с целью повышения их эффективности. Представлен ряд задач, которые необходимо решить для достижения этой цели.
Ключевые слова: сопловой аппарат, рабочее тело, турбина.
Jury Y. Fershalov, Vera M. Akulenko, Mikhail J. Fershalov, Liudmila P. Tsygankova
METHODS OF PROFILING OF TURBINE NOZZLES AND WAYS OF IMPROVING OPERATIONAL EFFICIENCY
The paper considers various methods of profiling wheel spaces of turbine nozzles in order to improve efficiency. The authors present a set of problems that must be solved.
Key words: nozzle box, working medium, turbine.
Перспективы успешного развития морского и речного транспорта, а также многих других отраслей в значительной мере связаны с повышением эффективности и надежности тепловых турбомашин, что требует совершенствования их проточных частей, в первую очередь - лопаточных аппаратов.
Эффективность работы любой, а особенно сверхзвуковой турбины в значительной степени зависит от совершенства соплового аппарата (СА), что наиболее сильно проявляется при низких значениях характеристического числа. По данным работ сотрудников Николаевского кораблестроительного института, уменьшение коэффициента скорости СА на 1 % приводит к падению КПД ступени примерно на 2 %. По данным работы [12], повышение коэффициента скорости на 1 % позволяет увеличить мощность ступени на 1,33 %. Кроме того, СА оказывает существенное влияние на работу последующих венцов. Чем выше число Маха, тем сильнее эффективность рабочего колеса (РК) зависит от неравномерности потока, а неверная оценка аэродинамических характеристик рабочего тела за СА влечет за собой ошибочное профилирование каналов РК, что также уменьшает коэффициент полезного действия ступени.
1. Профилирование сопловых аппаратов
Профилирование сверхзвукового соплового аппарата включает в себя следующие этапы:
а) определение площади критического сечения СА;
б) построение дозвуковой части сопла;
в) построение расширяющейся части сопла, оптимальной для заданных параметров рабочего тела (РТ).
Правильное определение площади критического сечения сопел связано с тем, насколько точно определен коэффициент расхода, значение которого зависит от формы разгонной части сопла до критического сечения. Ошибка при его вычислении в ту или иную сторону влечет за собой или увлечение расхода, или невозможность получить заданную мощность.
Форма разгонной части сопла оказывает существенное влияние не только на его коэффициент расхода, но и на работу всего сопла. Профиль дозвуковой части сопла должен обеспечить плоскую линию перехода через скорость звука, что является условием отсутствия скачков в сверхзвуковой части. При неверном профилировании переход через звуковую область сопровождается возму-
щениями потока, нарушающими структуру течения рабочего тела в сверхзвуковой области.
При профилировании сверхзвуковой части сопла необходимо обеспечить ряд требований:
а) низкие потери энергии;
б) получение равномерного потока РТ и заданного угла его выхода из СА;
в) экономичная работа сопел на переменных режимах.
Существуют различные методы профилирования сопел. Наиболее разработан и распространен метод характеристик. Спроектированное по этому методу сопло гасит возникающие при расширении волны разрежения перед выходным сечением. Это происходит в том случае, когда волна разрежения встречается со стенкой, направление которой совпадает с направлением вектора скорости потока РТ при переходе через эту волну. При затухании всех волн поток становится равномерным. Бесконечное число волн разрежения бесконечно малой интенсивности заменяется конечным числом волн конечной интенсивности (отклоняющих поток на определенный угол).
При построении сопла минимальной длины используется свойство обтекания сверхзвуковым потоком тупого угла с угловой точкой. Векторы характеристик исходят из нее, а угол излома стенки будет равен половине угла отклонения. Применение таких сопел предпочтительнее вследствие ограничений конструктивного характера, относящихся к осевой ширине СА.
На практике часто применяют упрощенный способ профилирования коротких сверхзвуковых сопел, изложенный в работе [10]. Несмотря на высокую эффективность профилирования сопел методом характеристик или методом, основанным на свойствах обтекания тупого угла сверхзвуковым потоком, этот способ, также основанный на использовании метода характеристик, позволяет строить контуры сопел с помощью прямых линий и дуг окружности.
Упрощенные методы профилирования выгодно отличаются от других простотой задания контуров решетки на чертеже и точностью их изготовления, тогда как специально спрофилированные решетки не могут быть изготовлены с
достаточной точностью, особенно для малорасходных турбинных (МРТ) ступеней. Кроме того, спрофилированные упрощенным методом сопла менее чувствительны к изменению режима, чем сопла, спрофилированные методом характеристик.
Как уже отмечалось, эффективность работы сверхзвуковой МРТ в значительной степени зависит от совершенства СА, поэтому в литературе уделено большое внимание исследованию процессов течения РТ в сверхзвуковых соплах [6; 7; 8; 17; 19] и методам их профилирования [2; 11; 13].
Сверхзвуковые сопловые аппараты выполняют как с прямоугольными соплами (нормальные сечения представляют собой прямоугольник), так и с осесимметричными соплами (нормальные сечения - окружности).
Экспериментальное сравнение осесимметричных сверхзвуковых сопел с плоскими соплами показало их большую эффективность. В связи с этим они получили большое распространение. Для осесимметричных СА по сравнению с плоскими соплами показательны:
- отсутствие концевых потерь в канале с прямой осью;
- малые потери в пограничном слое вследствие малого смачиваемого периметра круглого канала;
- достаточная равномерность потока на выходе при перерезывании и разделке выходных кромок;
- большая точность изготовления.
Однако и осесимметричные СА не лишены следующих недостатков:
- проекция такого сопла в осевом направлении имеет эллиптическую форму, что не вполне согласуется с кольцевой формой проточной части РК;
- большие трудности при выполнении СА с конструктивным углом выхода потока меньше 12 ° [1] возникают из-за очень вытянутого выходного эллипса;
- РК работает при большой неравномерности потока.
Результаты проведенного сопоставления свидетельствуют о целесообразности и перспективности дальнейшего изучения плоских сопел. Особенно это актуально при больших перепадах энтальпий и малых расходах рабочего тела в
связи с необходимостью уменьшать конструктивный угол выхода потока из соплового аппарата менее 14 ° и в то же время обеспечивать равномерное натека-ние потока на рабочее колесо.
2. Потери энергии в сопловых аппаратах с плоскими соплами
В настоящее время плоские сопловые решетки широко исследованы различными организациями (МЭИ, СПбГТУ, ЛКЗ, ПЗ, КГЗ, МАИ, ЛКИ и др.). Хорошо отработаны и исследованы сверхзвуковые решетки профилей для аш = 9...21° и Ми = 1,4 .1,8 в МЭИ [5].
На рис. 1 видно, что уровень потерь энергии для области изменения Ми = 1,6...1,8 может быть в пределах 5...9 %. В области Ми >1,8 экспериментальные данные МЭИ отсутствуют. Экстраполируя известные данные, можно ориентировочно произвести оценку потерь в этой области.
Рис. 1. Зависимость потерь энергии в СА решетках МЭИ от числа Маха:
1 - 7=1,0 =0,745) 2 - 7 = 1,06 =0,655) з - 7=1,0 =0,615)
4 - 7 = 1,28 ( = 0,55) 5 - 7 = 1,0 ( = 0,675) 6 - 7 = 1,1 ( = 0,611)
7 - 7 = 1,055 ( = 0,66) 8 - 7 = 1,13 ( = 0,58з) 9 - 7 = 1,24 ( = 0,52)
10 - 7 = 1,02 ( = 0,698) 5 - 7 = 1,2 (/ = 0,565) 6 - 7 = 1,07 ( = 0,621)
Связь потерь энергии в сопловых решетках со значением степени расширения сопел представлена на рис. 2.
1 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 f
Рис. 2. Влияние степени расширения сопел на потери энергии в СА [МЭИ]
Влияние величины конструктивного угла выхода соплового аппарата на потери энергии приведено на рис. 3. С уменьшением угла выхода СА происходит увеличение потерь энергии, причем область 9 ° в настоящее время
исследована недостаточно.
Рис. 3. Влияние угла выхода потока на потери энергии в СА [МЭИ]
Изменение потерь энергии в сопловых аппаратах в зависимости от их высоты отображено на рис. 4 для разных чисел Маха и конструктивных углов выхода.
7 2 3 Ь/1
Рис. 4. Изменение потерь энергии в СА в зависимости от высоты лопаток
В работе [5] рассматривается двухвенечная ступень со следующими характеристиками: \с=12 мм, Ми = 2,47, (Хш = 15 сопла плоские прямоугольные.
Коэффициент скорости соплового аппарата составил 0,94...0,96. В работах [3; 12] представлены результаты испытания экспериментальных сверхзвуковых сопловых решеток в зависимости от конструктивного угла выхода потока из соплового аппарата (рис. 5).
На рис. 6 показана зависимость коэффициента скорости сопловых аппаратов от скорости истечения и высоты лопатки по данным КТЗ.
Рис. 5. Зависимость потерь энергии в сопловых сверхзвуковых решетках от угла выхода СА по данным [4]
200 Ш 600 800 1000 СП м/с
Рис. 6. Характеристики СА по данным КТЗ КС-14-2
По результатам испытаний СА с конструктивным углом выхода потока 10...140 в лаборатории МРТ СПбГТУ получена зависимость коэффициентов потери кинетической энергии от числа Маха (рис. 7).
Рис. 7. Зависимость потерь энергии СА от числа Маха при (Х1К =10.. .14° (данные СПбГТУ)
В работах [6; 16] приведены зависимости коэффициентов скорости для различных сопел экспериментальной турбины ЭТ 100 КТЗ. По результатам исследований даны следующие рекомендации по выбору коэффициента скорости СА: для М1( = 1.1,5, р = 0,97...0,96, для М1( = 1,5...2,0, р = 0,96...0,94, для М1(=
2,0...3,0, р = 0,94...0,92, для М1( = 3,0, р = 0,92...0,91.
На рис. 8 приведены обобщенные характеристики потерь энергии сопловых решеток разных организаций при различных числах Маха и длине лопатки рабочего колеса, стремящейся к «бесконечности».
Рис. 8. Характеристики потерь энергии в СА разных организаций в зависимости от числа Маха при I ^^
Анализ потерь кинетической энергии в плоских сопловых решетках свидетельствует о приемлемом уровне потерь в них, однако в литературных источниках практически отсутствуют опытные данные для конструктивных углов выхода СА меньше 9 ° и числах Маха больше 2, что требует постановки экспериментальных исследований в этой области.
3. Выбор типа сопловых аппаратов для малорасходных турбин
Исследованию сопловых решеток полноразмерных турбин посвящено достаточно много публикаций. Однако выводы разных авторов часто противоречивы, из-за чего их практическое использование затруднено. В связи с этим имеет смысл сопоставление этих данных, анализ их применимости к решеткам малорасходных турбинных ступеней.
Основные выводы, которые можно сделать в ходе анализа результатов исследований сопловых аппаратов полноразмерных турбин, следующие:
- суживающиеся решетки удовлетворительно работают при значениях Лли ^ 1,35;
- решетки с расширяющимися каналами эффективно работают при больших сверхзвуковых скоростях, но их экономичность резко снижается при переменных режимах;
- при сверхзвуковых скоростях потока высота лопаток оказывает меньшее влияние на эффективность сопловых аппаратов из-за уменьшения концевых потерь энергии в решетке.
Следовательно, при увеличении сверхкритического перепада энтальпий суммарные потери будут расти медленнее в сопловых аппаратах осевых малорасходных турбинных ступеней, чем в решетках полноразмерных турбин, вследствие более высокой доли концевых потерь энергии в последних.
В СПбГПУ на кафедре «Турбинные двигатели и установки» [6] экспериментально доказана возможность создания высокоэкономичных сверхзвуковых малорасходных турбинных ступеней с малым конструктивным углом выхода потока рабочего тела из соплового аппарата и большим относительным шагом лопаток рабочего колеса, что позволяет выполнять МРТ с полным подводом рабочего тела. Полученный в опыте коэффициент полезного действия составил 61,5 % при значении характеристического числа 0,385, отношении давлений на ступень 3,98 для одновенечной ступени со средним диаметром 250 мм, со степенью парциальности примерно равной единице, высотой сопловых лопаток 12,15 мм, конструктивным углом выхода потока соплового аппарата 2,73 °, от-
носительным шагом лопаток рабочего колеса 2,14. Выяснилось, что основные доли потерь кинетической энергии сосредоточены в сопловом аппарате и составляют примерно 23...28 %. Потери в рабочем колесе от 9 до 13 %. Потери с выходной скоростью не превысили 2 %.
Экспериментальное исследование кольцевых сопловых решеток с углом выхода потока 2,55...4,46 ° в диапазоне чисел Маха 0,7...1,8 показало возможность создания высокоэкономичных сверхзвуковых сопловых аппаратов для МРТ. При числах Маха 1,5...1,65 потери в кольцевых решетках сопловых аппаратов составили 12.18 %. Кроме того, исследования подтвердили данные других авторов, что во время работы ступени значительное влияние на эффективность СА оказывает рабочее колесо.
Результаты испытаний одноступенчатых микротурбин, проведенные в лаборатории микроэнергетики КуАИ [15], подтвердили, что наибольший коэффициент полезного действия при числах Маха 1,05...1,4 имели ступени с суживающимися соплами (рис. 9).
Р otse
0,82
--
Суж Qt€L цее >ся СО! г— _
Cor 7/7 О До до пя
Рис. 9. Зависимость коэффициента скорости от числа Маха [15]
0,8 1,0 1,2 1А 1,6 1,8 Mit
Наиболее детальные и, с точки зрения теории эксперимента, правомочные данные по эффективности сопловых аппаратов для микротурбин можно получить из работы [14]. На основании литературных данных автор ограничился исследованием потерь энергии в сопловых аппаратах как функции от следующих факторов:^, , , . На рис. 10 видно, что наибольшее влия-
/ л / ср
ние на значение коэффициента потерь энергии оказывают аш (конструктивный угол выхода сопел) и ЛСиз (относительная скорость).
с
0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 О 16
^1_
¿7
4
6
С
0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 0.16
2
И7 4
С
0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 0.16
0,087 0,127 0,167 0,207 ¡С/Ьл 0,204 0,284 0,364 0,444 Ьл/Вср
д) 5)
С
0,28 0,26 0,24 0,22 0,20 0,18 0.16
1
/ 2 Ч.
X
5]
1 г~ >
2
1 / 4
4* 8" 12" 16" (Ъг V 1,2 1,3 1,4
г)
Л ~ии к №г 1 СЬг 1 к 1 к Скг
1 0,364 4" 1.3 0,16 7 4" 1,3 0,167 0,364 1,5 0,16 7 0,364 4"
2 а) 9,444 8' 1,4 д) 9,207 8" 1,4 Ы 0,127 0,284 1,4 г) 0,127 9,284 8"
3 9,284 8' 14 0,16 7 12" 1,3 0,167 0,364 1,3 0,167 0,364 12"
4 9,364 12" 13 9,207 16" 1,4 0,207 0,444 1,2 0,127 0,284 16"
5 9,444 16" 1,4 0,16 7 20" 1,3 0,207 0,284 1.2 0,16 7 0,364 20"
6 9,364 20" 1,3
Рис. 10. Коэффициент потери энергии СА по данным [15]
Характер графиков качественно соответствует зависимостям для сопловых аппаратов полноразмерных турбин, но влияние конструктивного угла выхода соплового аппарата на потери в решетках микротурбин более существен-
но. Напротив, влияние относительной высоты лопаток на потери в решетках оказались менее значительными.
Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод, что в области малых относительных высот лопаток (менее 0,25) влияние относительной высоты на
потери энергии в решетке СА значительно слабее, чем в области 1С > 0,5 (решеток полноразмерных турбин), где изменение концевых потерь кинетической энергии прямо пропорционально А-.
/ 1с
Следует отметить, что с уменьшением конструктивного угла выхода потока из соплового аппарата влияние относительной высоты лопаток на потери в СА ослабевает. С увеличением Ь и коэффициент потерь кинетической энергии монотонно увеличивается, причем их влияние мало зависит от величины остальных параметров.
Экспериментальные и теоретические разработки [18] показали реальную возможность создания высокоэффективных сопловых аппаратов для малорасходных турбин с малыми конструктивными углами выхода потока. Для этого необходимо на основе экспериментальных исследований создать математическую модель работы соплового аппарата, в основу которой были бы положены наиболее влияющие на его эффективность факторы:
- конструктивный угол выхода СА;
- степень расширения сопел;
- число Маха на выходе по теоретическим параметрам;
- угол входа рабочего колеса;
- характеристическое число.
Получение математической модели позволяет уже на этапе проектирования выбирать наиболее оптимальные соотношения геометрических и режимных параметров для получения высокоэффективных сопловых аппаратов малорасходных турбин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамов В.И., Филиппов Г.А., Фролов В.В. Тепловой расчет турбин. М. : Машиностроение, 1974. 246 с.
2. Аэродинамика проточной части судовых турбин / Г.А. Матвеев, Г.В. Камнев, Н.М. Марков и др. М. : Судпромгиз, 1961. 363 с.
3. Балье О.К. Изучение конструктивных параметров для выбора турбомашин // Энергетические машины и установки. 1962. Т. 84. № 1. С. 25-37.
4. Балье О.К., Бинсли Р.Л. Оценка характеристик осевой турбины // Энергетические машины и установки. 1968. № 4. С. 42-43.
5. Бинсли Р.Л. Аэродинамический расчет и проверка двухступенчатой турбины со сверхзвуковой первой ступенью // Энергетические машины и установки. 1978. № 2. С. 95-115.
6. Гринкруг Л.С. Выбор параметров малорасходных сверхзвуковых турбин с большим относительным шагом лопаток рабочего колеса на основе экспериментальных и теоретических исследований : дис. ... канд. техн. наук. Л. : ЛПИ, 1985. 384 с.
7. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М. ; Л. : Госэнергоиздат, 1961. 671 с.
8. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М. : Энергия, 1974. 592 с.
9. Дейч М.Е., Филиппов Г.А., Лазарев Л.Я. Атлас профилей решеток осевых турбин. М. : Машиностроение, 1965. 96 с.
10. Емин О.Н., Зарицкий С.Н. Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами. М. : Машиностроение, 1975. 216 с.
11. Жуковский М.И. Аэродинамический расчет потока в осевых турбомашинах. Л. : Машиностроение, 1967. 287 с.
12. Исследование работы сверхзвуковых турбинных ступеней при низких отношениях скоростей и/С0 / А.В. Щеколдин и др. // Проблема совершенствования современных паровых турбин : всесоюзная научно-техническая конференция. Калуга, 1972. Вып. 183. С. 156-166.
13. Карафоли Е. Аэродинамика больших скоростей. М. : АН СССР, 1960. 192 с.
14. Кузнецов Ю.П. Сопловые аппараты осевых микротурбин, их совершенствование с целью повышения эффективности высокооборотных турбоприводов : дис. ... канд. техн. наук. Горький, 1989. 165 с.
15. Наталевич А.С. Воздушные микротурбины. М. : Машиностроение, 1970. 208 с.
16. Поликовский М.В., Щеколдин А.В. О выборе конструкции соплового аппарата для сверхзвуковой регулирующей ступени // Энергомашиностроение. 1970. № 9. С. 23-25.
17. Ферри А. Аэродинамика сверхзвуковых течений. М. : Гостехтеоретиздат, 1953. 463 с.
18. Фершалов Ю.Я. Совершенствование сверхзвуковых осевых малорасходных турбин: дис. ... канд. техн. наук. Владивосток, 2000. 153 с.
19. Хилтон У.Ф. Аэродинамика больших скоростей. М. : Иностранная литература, 1955. 504 с.
