CC BY
23
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 3 (5)
05.00.00 Технические науки
УДК 621.165 ... 621
Ю.Я. Фершалов, В.П.Цыганкова, В.М.Акуленко
Фершалов Юрий Яковлевич - канд. техн. наук, докторант кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания и установок ДВГТУ. E-mail: fershalovjuriy@mail.ru
Цыганкова Людмила Петровна - доцент кафедры графики ДВГТУ. E-mail: liusivl@mail.ru
Акуленко Вера Михайловна - начальник управления воспитательной и социальной работы со студентами ДВГТУ. E-mail: akulenko@festu.ru
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЗАВИСИМЫХ СЕЧЕНИЙ ПРИ ПРОФИЛИРОВАНИИ СОПЕЛ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ
В статье рассматривается способ построения обводов проточной части сопел с помощью плавного сопряжения его поперечных сечений для упорядочения движения потока рабочего тела с целью повышения их эффективности.
Ключевые слова: эллипс, прямоугольное сечение, критическое сечение, сопловой аппарат, малорасходная турбина.
YuryY. Fershalov, Liudmila P. Tsygankova, Vera M. Akulenko UTILIZATION OF SURFACES OF DEPENDENT SECTIONS IN PROFILING OF LOW RATE AXIAL-FLOW TURBINE
The article deals with the way of construction the contours of the nozzles flow parts by means of smooth joint of their cross sections to put in order the flow of the working agent to increase their efficiency.
Key words: ellipse, rectangular section, critical section, nozzle apparatus, low rate axial flow turbine.
В условиях современной экономики, когда затруднены прогнозные технико-экономические оценки отраслей, ответ на вопрос о коммерческой эффективности предприятий необходимо искать не только и не столько в области экономических взаимоотношений, сколько в области технических решений.
В основе технического перевооружении России лежит применение таких конструкций машин, которые, обеспечивая высокие технические свойства, приведут к сокращению расходов сырья и энергии [5]. Это полностью относится к турбинам, которые нашли широкое применение в различных областях народного хозяйства [2].
Газотурбинные двигатели обладают целым рядом преимуществ перед обычными двигателями внутреннего сгорания: малыми габаритами (если принять при равной мощности габаритный объем карбюраторного двигателя внутреннего сгорания за 100%, то у дизеля этот показатель будет составлять 144%, а у газотурбинного двигателя - лишь 28%), малой массой (около 0,68 кг на 1 кВт, что почти в 2 раза меньше, чем в лучших образцах карбюраторных двигателей внутреннего сгорания), высокой плавностью хода (нет частей, совершающих возвратно-поступательное движение, как у обычных двигателей внутреннего сгорания); простотой конструкции (общее число деталей газотурбинного двигателя составляет около 200, а карбюраторного двигателя - около 900), надежностью пуска при низких температурах, меньшей токсичностью отработавших газов, более благоприятной тяговой характеристикой, возможностью не использовать коробку передач и т.д.
Турбостроение относится к одной из наиболее науко- и капиталоемких отраслей машиностроения. Растущие требования к эффективности и надежности турбомашин, а также расширение диапазона параметров и условий эксплуатации паровых и газовых турбин создают предпосылки для их непрерывного конструктивного и технологического совершенствования [3].
Малорасходные турбины (МРТ) широко применяются в судостроении, авиации, космонавтике, в мобильных электростанциях, т.е. в тех областях техники, где требования к мобильности и массогабаритным показателям ограничивают расход рабочего тела (РТ).
В своем составе турбины имеют сопловой аппарат (СА) с соплами различных конструкций, например, осесимметричные сопла [1]. На практике осесимметричные сопла не применяют с конструктивным углом выхода потока
меньше 120 из-за вытянутого эллипса на выходе из сопел, что приводит к необходимости снижать степень впуска РТ. По этой же причине даже при традиционных углах выхода у сопловых аппаратов с такими соплами имеется теневая зона, которая увеличивает потери, связанные с парциальностью. Кроме того, выходное сечение сопел в виде эллипса плохо согласуется с входным сечением каналов рабочих колес (РК), которые имеют прямоугольное сечение, поэтому необходимо увеличивать длину рабочих лопаток для того, чтобы они перекрывали самую удаленную от центра точку выходного эллипса. Все это приводит к появлению дополнительных потерь кинетической энергии, связанных с внезапным расширением потока на входе в рабочую решетку. Кроме того, при наличии частичного подвода возникают потери энергии, которая расходуется на вентиляцию пассивного рабочего тела.
На практике применяют прямоугольные сопла [4], включающие в себя входной, критический, разгонный участки и косой срез.
Недостатком вышеперечисленных сопел является то, что они обладают недостаточно высокой эффективностью. Это связано с тем, что:
в них имеются вторичные течения РТ, вызываемые поперечным градиентом давления. Градиент возникает в результате криволинейного движения потока во входном, критическом и разгонном участках сопел. Из-за разницы давлений частицы и под действием центробежных сил поток приобретает поперечную составляющую скорости, в результате чего появляется вторичный вихрь, который снижает эффективность сопла;
при переходе потока РТ от дозвуковой к сверхзвуковой скорости и при выходе в косой срез распределение эпюры скорости потока неравномерное;
потери энергии на трение о поверхность сопла прямоугольного сечения выше, чем в соплах осесимметричных. Это связано с тем, что площадь поверхности у сопел прямоугольного сечения больше, чем у осесимметричных сопел.
Предлагаемое ниже решение направлено на повышение коэффициента скорости сопел СА. При этом результат будет достигнут за счет получения максимально достижимой скорости потока перед косым срезом сопла и равномер-
ной эпюры скорости РТ при выходе из разгонного участка, а также из-за отсутствия «парного вихря».
Для конструирования криволинейного тела (в данном случае сопла) с применением кинематического метода сформированы замкнутые образующие (одномерный обвод), состоящие из окружностей и прямоугольника с заданным порядком гладкости в узловых точках.
Поставленная задача решается с помощью метода конструирования тела зависимыми сечениями. Суть метода состоит в том, что в сверхзвуковом сопле ограничивающая его поверхность плавно сопрягает окружность в сечении на выходе из критического участка и прямоугольную форму в сечении на выходе из разгонного участка (перед косым срезом сопла) (рис. 1).
2
Рис. 1. Проточная часть сверхзвукового соплового аппарата осевой турбины: 1) входной участок; 2) критическое сечение; 3) разгонный участок; 4) косой срез
В суживающихся соплах поверхность плавно сопрягает окружность в начальном сечении входного участка и прямоугольную форму входного сечения критического участка (рис. 2).
Продольная ось входного, критического и разгонного участков выполнена прямолинейно и без изломов.
Рис. 2. Проточная часть дозвукового соплового аппарата осевой турбины: 1) входной участок; 2) критическое сечение; 3) косой срез
Сопло, спрофилированное таким способом, позволяет получить максимально достижимую скорость потока перед косым срезом сопла. Это достигается за счет значительного снижения потерь, связанных с трением потока РТ о стенки разгонного участка (площадь его поверхности меньше чем площадь поверхности разгонного участка сопел, имеющих прямоугольное сечение). Кроме того, поток РТ имеет равномерную эпюру скорости при выходе из разгонного участка и не имеет «парного вихря», это также приводит к повышению коэффициента скорости сопла СА.
Входной участок сверхзвукового сопла представляет собой поверхность вращения (сечения, проведенные перпендикулярно к оси вращения представляют собой окружности). На этом участке происходит разгон РТ до скорости чуть меньшей скорости звука.
Критический участок сверхзвукового сопла представляет собой поверхность цилиндрической формы, в нем скорость потока рабочего тела достигает скорости звука.
Разгонный участок сверхзвукового сопла представляет собой поверхность, которая плавно переходит от окружности в начальном сечении (выход из критического участка) к прямоугольной форме в конце выходного участка (перед «косым срезом» сопла). На этом участке происходит разгон потока рабочего тела до необходимой скорости.
При использовании сопел предлагаемой конструкции в осевых дозвуковых турбинах принцип профилирования сопла остается тем же, за исключением того, что выходной и критический участки отсутствуют.
Входной участок дозвукового сопла представляет собой поверхность, которая плавно переходит от окружности в его начальном сечении (вход РТ), к прямоугольной форме в начальном сечении критического участка. После критического участка сразу выполнен косой срез сопла, в котором происходит разгон потока рабочего тела до необходимой скорости.
Перед разгонным участком РТ имеет высокие параметры (температуру и давление), за сопловым аппаратом параметры РТ ниже. За счет перепада энтальпии рабочее тело разгоняется.
Сопло работает следующим образом. Рабочее тело в сверхзвуковом сопле попадает во входной участок, постепенно разгоняется до скорости чуть меньшей скорости звука, проходит критическое сечение, где достигает скорости звука и идет в разгонный участок, в котором достигает необходимой скорости, после него выходит в косой срез. Рабочее тело в дозвуковом сопле попадает во входной участок, постепенно разгоняется до скорости, чуть меньшей скорости звука, проходит критическое сечение, где достигает скорости звука и сразу выходит в косой срез.
Использование соплового аппарата предлагаемой конструкции позволит получить максимально достижимую скорость потока за СА за счет того, что:
площадь поверхности предлагаемого сопла СА имеет меньшее значение, чем площадь сопла прямоугольного сечения, а значит, и меньшие потери энергии на трение;
при разгоне РТ в разгонном участке не образуются вторичные течения; эпюра скорости РТ при выходе из разгонного участка равномерная; отсутствует явление «парного вихря».
Применение предлагаемых сопел позволит повысить к.п.д. осевых турбин за счет повышения коэффициента скорости сопел. Особенно это касается турбин с малыми размерами и турбин, в которых для решения проблемы, связан-
ной с парциальностью, используются РК с большим углом поворота потока в каналах. В таких турбинах используются СА с малыми углами выхода потока, благодаря чему турбины выполняются с полным впуском РТ.
В заключение отметим, что разработанный метод конструирования тела зависимых сечений является частным случаем обобщенного метода задания трехпараметрического тела. Этот метод позволяет конструировать криволинейные примитивы для различных изделий в широком диапазоне форм - от круговых цилиндров и конусов до многогранников.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Емин О.Н., Зарицкий С.П. Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами. М.: Машиностроение, 1975. 216 с.
2. Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели. Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2006. 1204 с.
3. Мухина С. Д. Разработка критериального метода расчета профильных потерь в турбинных решетках: дисс. ... канд. техн. наук. Рыбинск, 2006. 146 а
4. Паровые и газовые турбины / М.А.Трубилов, Г.В.Арсеньев, В.В.Фролов и др. под ред. А.Г.Костюка, В.В.Фролова. М.: Энергоатомиздат, 1985. 352 с.
5. Федоров Е. В. Частная собственность как фактор повышения эффективности производства электроэнергии с использованием турбин малой и средней мощности: дисс. ... канд. техн. наук. М., 2002. 150 а
