CC BY
69
УДК 629.438
РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОШЕННОЙ СО СТОРОНЫ КОРЫТЦА ВЫХОДНОЙ КРОМКИ ЛОПАТКИ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ НА ПРОФИЛЬНЫЕ ПОТЕРИ В НЕОХЛАЖДАЕМОМ ЛОПАТОЧНОМ ВЕНЦЕ
© 2006 О.В. Батурин, В.Н. Матвеев Самарский государственный аэрокосмический университет
Излагаются расчетные результаты исследования влияния скошенной со стороны корытца выходной части профиля неохлаждаемой лопатки осевой турбины на профильные потери в лопаточном венце. Приведено обоснование полученных результатов и предложены рекомендации по выбору формы выходной кромки лопаток.
Значительную часть профильных потерь в лопаточном венце осевой турбины составляют кромочные потери. Поэтому действенным способом улучшения газодинамической эффективности венца является снижение кромочных потерь за счет утонения выходной кромки лопатки. Одним из возможных способов уменьшения толщины выходной кромки, часто используемым в охлаждаемых турбинах, является применение скошенной выходной части профиля. Преимущество лопатки со скосом выходной кромки заключается в том, что она сочетает в себе кромочные потери близкие к потерям лопатки с тонкой выходной кромкой и прочностные свойства лопатки с толстой выходной кромкой. В практике проектирования неохлаждаемых ступеней турбин часто приходится сталкиваться с тем, что применение тонкой выходной кромки является нежелательным по прочностным соображениям. Поэтому представляется целесообразным распространить опыт, полученный при использовании специальных форм выходных кромок лопаток в охлаждаемых ступенях, на неохлаждаемые лопаточные венцы.
Процесс создания нового профиля со скосом на корытце можно разбить на два этапа. Сначала с помощью известных методик [1...3] профилирования получают исходный профиль (рис. 1,а). Затем к нему пристраивается скошенная выходная часть (рис. 1,б). У такого профиля можно выделить два характерных сечения: агор - горло исходного профиля и агор - кратчайшее расстояние от выходной кромки до спинки профиля (рис 2).
Возможны три варианта формы меж-лопаточного канала со скошенной у корытца выходной частью:
- межлопаточный канал сужается по всей длине ( аГОР > а*ГОР );
- межлопаточный канал расширяется за сечением аГОР ( аГОР < а*ГОР );
- поверхность скоса эквидистантна спинке ( а ГОР = а*ГОР ).
а б
Рис. 1. Профили лопатки:исходный (а) и со скошенной выходной кромкой (б)
Рис. 2. Характерные сечения решетки со скошенной выходной кромкой
Р асчетно е иссл едование пров оди-лось с помощью программы Fluent. В качестве объекта газодинамического исследования была выбрана решетка профилей рабочего колеса турбины, данные которой приведены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры исследуемой решетки
профилей
ао, град 40,5 Ь,мм 29,1
аі, град 27,8 Ст, мм 6,1
^18 расч. 0,95 8, град 14,5
1;, мм 29,19 а0л, град 45
аіл, град 27,5 г1, мм 1,9
У, град 55,5 г2, мм 1,05
ю1, град 34 0,17
Ю2, град 6 г3,мм 0,4
Для исследования влияния скошенной выходной кромки лопатки на эффективность профиля были созданы 4 расчетные модели: решетка с базовым профилем; решетка со скосом эквидистантным спинке
(аГОР = а*ГОР ); решетка с сужающимся меж-лопаточным каналом (аГОР > а*ГОР ) и решетка с каналом, расширяющимся за сечение м аГОр ( аГОР < а гор ).
Следует отметить, что поскольку все основные параметры (хорда, ширина, радиусы входной и выходной кромок) профилей моделей решеток при аГОР = аГОР и при аГОР > а*ГОР , кр оме фор мы пр офиля кср ытца в выходной части идентичны, то эти профили, по-видимому, будут иметь близкие потер и тр ения и кр омочные потер и.
Величина аГОР составляет 11,03 мм. Для варианта подрезки аГОР < а*ГОР величина а*ГОР составляет 11,5мм, для остальных ва-
*
риантов величины аГОР и аГОР равны.
В расчете были приняты следующие граничные условия:
- на границах, смежных с соседними межлопаточными каналами, было установлено периодическое граничное условие;
- перед решеткой профилей задавались полные давление и температура Т0 = 288К. Полное давление выбиралось из условия достижения заданного значения приведенной изоэнтропической скорости 118. Кроме того, на входе в решетку задавался уровень входной турбулентности, равный 5%;
- на выходе из межлопаточного канала задавалось статическое давление, равное 101325Па.
В качестве рабочего тела использовался воздух, подчиняющийся закону идеального газа. Вязкость рабочего тела рассчитывалась по формуле Сатерленда. Модель потока была разбита на четырехугольные конечные элементы. Расчет велся до уровня остаточных невязок 10-4. При расчете использовалась модель турбу -лентности ЯКО к- е.
В ходе расчетов для каждой модели были получены величины профильных потерь £ПР и значение угла выхода потока из решетки (Ху. Результаты расчета пр иведены в таблице 2.
Таблица 2. Результаты расчетов профиля с разными вариантами скоса выходной кромки со стороны корытца
Профиль базовый * а = а гор гор * а гор > а гор * а гор < а гор
^ПР,% 4,52 4,18 3,62 7,782
а, град 25,58 25,18 25,41 26,16
Применение скоса со стороны корытца приводит к снижению профиль ных потерь только при условии, что межлопа-точный канал сужается на всем протяжении или скос эквидистантен спинке. Вариант скоса, с расширяющейся выходной частью, наоборот, увеличивает потери.
У исследованных решеток со скосом величина диаметра выходной кромки г3 (рис. 2) одинакова для всех вариантов, а величины горла различаются незначительно. Согласно существующим представлениям применение скошенной выходной части должно приводить к снижению кромочных потерь на одну величину для всех вариантов одного и того же профиля. Однако расчеты показали, что изменение профильных потерь у данных решеток различно. На основании этого был сделан вывод о том, что введение скошенной со стороны корытца выходной кромки привело к изменению величин дру гих компо нентов пр офильных потер ь.
Изменение составляющих потерь было выявлено с помощью представленных на рис. 3 картин распределения условной приведенной скорости 1 по периметру профиля.
Рис. 3. Распределение условной приведенной скорости 1по контуру профиля лопатки РК ТВД в среднем сечении: 1 - базовый профиль (сплошная линия), 2 - профиль со скосом по схеме
аГоР = а*гоР (сплошная линия) , 3- профиль со скосом по схеме атР > а*ГООР (пунктир); 4 - про-
*
филь со скосом по схеме аГоР < аГоР (штрих пунктир)
Приведенная скорость названа условной, так как на самом деле на поверхности лопатки скорость равна нулю. Величина 1 определяется по газодинамической функции
[я)=рг1р 0 , где рі - статическое давление
на профиле, р * - давление заторможенного потока на входе в решетку.
В решетках из профилей с изломом на
/ *
поверхности корытца (аГОр = аГОр - кривая
2 и аГОР < а*ГОР - кривая 4 на рис. 3) наблюдается повышение скорости в районе горла. Этот разгон вызван влиянием излома конту -ра профиля. При повороте потока на нем, скорость газа увеличивается, а давление, температура и плотность снижаются [5]. Кроме того, при обтекании точки излома появляется небольшая сверхзвуковая область. За ней возникает скачек уплотнения на корытце вблизи выходной кромки, который может занимать почти весь межлопа-точный канал, что вызывает рост волновых потерь. Следует отметить, что у решетки из профилей с расширяющимся к выходу меж-
Ґ * \ лопаточным каналом ( аГОР < аГОР ) повышение скорости происходит интенсивнее, чем при использовании скоса эквидистант-
ного спинке (аГОР = а*ГОР ), поскольку у нее диффузорность участка за сечением больше. Поэтому, у решетки с рас-
а
ГОР
ширяющимся к выходу межлопаточным
*
ГОР
каналом ( аГОР < аГОР ), снижение кромочных потерь сводится на нет ростом волновых потерь.
В решетке без излома контура профиля (аГОР > аГОР) полученные зависимости 1 = / (?) подобны аналогичной зависимости решетки со скосом, эквидистантным спинке ( аГОР = а*ГОР ), однако локальных ускорений потока в ней не наблюдается. Профили этих решеток отличаются только формой выходной части. Поэтому и кромочные потери, и потери, обусловленные трением в пограничном слое, у этих решеток близки и, следовательно, величины профильных потерь для этих моделей будут отличаться лишь на величину дополнительной составляющей, обусловленной наличием ускорения потока вблизи излома контура
профиля у лопаток с аГОР = а*ГОР . Рассчитанная величина дополнительной составляющей профильных потерь, обусловлен-
ная изломом контура лопатки с подрезкой аГОР = а*ГОР , равна 0,56%.
Таким образом, в случае, когда по условиям прочности профили с тонкими выходными кромками неприемлемы, следует использовать такую скошенную со стороны корытца выходную часть профиля, которая бы обеспечивала сужающийся межлопаточ-ный канал или поверхность скоса эквидистантную поверхности спинки.
Список литературы
1. Мамаев Б.И., Рябов Е.К. Построение решеток турбинных профилей методом доминирующей кривизны //Теплоэнергетика.
- 1979. - №2. - С. 52-55.
2. Мамаев Б.И., Рябов Е.К. Построение турбинных решеток профилей на ЭВМ //Вопросы проектирования и доводки авиационных газотурбинных двигателей: Межвуз. сб. /Куйбышев: КуАИ, 1977.
- С. 49-57.
3. Аронов БМ., Жуковский М.И., Журавлев В.А. Профилирование лопаток авиационных газовых турбин. - М.: Машиностроение, 1978. - 168 с.
4. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М., «Энергоатомиздат». 1984.
- 150с.
5. Дейч М .Е. Техническая газодинамика. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1961.671с.
CALCULATED STUDY OF INFLUENCE OF SQUINTED FORM PRESSURE SIDE OF OUTLET TRAILING EDGE OF AXIAL TURBINE VANE UPON PROJECTION LOSSES IN NON-COOLED VANE ROW
© 2006 O.V. Baturin, V.N. Matveev
Samara State Aerospace University
The article sets forth the calculated research of influence of squinted form pressure side of outlet trailing edge ofnon-cooled vane section of axial turbine upon proj ection losses in vane row. The justification of the results received has been stated and recommendations on the choice of vanes trailing edge have been suggested.
