Влияние потерь энергии в лопаточном аппарате на степень реактивности осевой турбинной ступени Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ

УДК 621.165 А.Г. Резник

РЕЗНИК АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ - кандидат технических наук, профессор кафедры судовых котельных и турбинных установок и вспомогательного энергетического оборудования Морской академии (Морской государственный университет им. адмирала Г.И. Невельского, Владивосток).

E-mail: reznik@msun.ru

ВЛИЯНИЕ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ЛОПАТОЧНОМ АППАРАТЕ НА СТЕПЕНЬ РЕАКТИВНОСТИ ОСЕВОЙ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ

В рамках одномерной теории определяется влияние потерь энергии в лопаточном аппарате осевой турбинной ступени на переменных режимах работы на степень реактивности. Результаты теоретического определения потерь в лопаточном аппарате и их влияние на степень реактивности сопоставлены с экспериментальными данными.

Ключевые слова: коэффициент потерь энергии, степень реактивности, ступень турбины, режим работы.

The effect of energy losses in the blade system on the degree of reaction of the turbine axial stage. Aleksandr G. Reznik (Maritime State University named after Admiral G.I. Nevelskoy, Vladivostok).

Within the frame of the one-dimensional theory, it is specified, how the losses of energy occurring in the blade system of the turbine axial stage effect on the degree of reaction, when the mode of operation is variable. The results of the theoretical determination are correlated with the experimental data.

Key word: axial turbine stage, reaction degree, losses.

В расчетах характеристик турбинных ступеней на переменных режимах и при анализе эксплуатационных показателей работы необходимо определять потери энергии (по возможности близко к реальным) как в сопловом аппарате, так и в лопаточном аппарате рабочего колеса, что весьма важно для турбин, работающих в широком диапазоне изменения нагрузок. Потери кинетической энергии в лопаточном аппарате влияют на эффективность ступени и приводят к изменениям ее характеристик. Степень реактивности определяет распределение перепадов энтальпий между сопловым аппаратом и рабочим колесом, что влияет на расход-

© Резник А.Г., 2012

ную характеристику ступени. Поэтому представляется необходимой сравнительная оценка степени реактивности рт, подсчитанной по априорно вычисленным потерям кинетической энергии в проточной части на некотором режиме работы турбинной ступени и установленной в результате опыта.

В литературе при расчетах характеристик турбинных ступеней применяются методы расчетов потерь энергии, базирующихся на обобщении результатов статических испытаний турбинных решеток профилей и экспериментальных исследований турбинных ступеней различного класса [1, 3]. В работе [3] приведен анализ довольно простых методик вычисления потерь энергии, где получены обобщения результатов испытаний газовых турбин (Эйнли и Мэтьюсон) и опытов со ступенями паровых турбин (Содерберг). В этих методиках потери энергии в турбинных ступенях различного класса подсчитываются в зависимости от определяющих параметров, к которым в первую очередь относится угол поворота потока в решетке и веерность. Угол поворота существенно определяет профильные потери, тогда как показатель веерности ступени d/l ^ - средний диаметр, ! - высота лопатки) определяет величину и влияние вторичных, концевых потерь.

Поэтому представляет интерес сравнение определения степени реактивности рт как при использовании величин коэффициентов потерь энергии, вычисленных по эмпирическим зависимостям, так и по коэффициентам потерь энергии, полученным в результате испытаний турбинной ступени [2]. Следует заметить, что применение полуэмпирических зависимостей, полученных по результатам опытных исследований модельных и натурных ступеней, дает возможность получения достоверных результатов как при проектировании, так и при анализе результатов испытаний[4].

При вычислении степени реактивности используются так называемые коэффициенты скорости ф для соплового аппарата и у для рабочего колеса, учитывающие уменьшение скорости истечения под влиянием потерь энергии. Эти коэффициенты подсчитывались по известным данным геометрических характеристик сопловой и рабочей решеток профилей осевой турбинной ступени средней верности d/l = 4,22. Здесь d - средний диаметр ступени, а ! -высота рабочей лопатки.

Коэффициенты потерь энергии ^ в сопловом аппарате и ^2 в рабочем колесе вычислялись как сумма всех составляющих потерь, имеющих место в лопаточном аппарате: профильных потерь ^пр, вторичных или концевых Свт. В свою очередь профильные потери энергии представляются в соответствии с принципом декомпозиции суммой потерь от трения Стр , кромочных Стр и поправок на отклонение от оптимального режима работы по критериям Маха и Рейнольдса (см. [1]). Для рабочего колеса учитывались и дополнительные потери энергии от углов атаки i при нерасчетном обтекании £0).

Таким образом, в общем случае коэффициенты потерь энергии определяются

С = Спр + Свт или, и Спр = Стр + Стр + С(М) №) +С(0

и приводятся к среднему диаметру ступени, параметры потока рабочего тела на котором яв-

ляются представительными для всей ступени при безотрывных режимах работы. Коэффициенты ф и у, использующиеся при подсчете рт, вычисляются по известным выражениям ф =

VI- , а у = VI- £2

Экспериментальные значения коэффициентов ф и у, используемые для сравнения определения рт, подсчитывались по параметрам, полученным осреднением результатов травер-

сирования потока рабочего тела в зазоре турбинной ступени средней веерности между сопловым аппаратом и рабочим колесом. Осреднение выполнялось по методике с сохранением таких интегральных характеристик действительного неравномерного потока, как расход, полная энергия, вращающий момент относительно оси турбины и поток энтропии, и этих же характеристик осредненного канонического [2].

При исследовании параметров потока в сечениях турбинной ступени определялись коэффициенты потерь вдоль радиуса ступени, таким образом были получены значения коэффициентов ^ в сопловом аппарате и ^2 в рабочем колесе. Потери в сопловом аппарате слабо зависят от режима работы ступени, определяемого отношением и/Со, где и - окружая скорость на среднем диаметре, С0 - условная скорость, подсчитанная по всему располагаемому перепаду на ступень. Поэтому оценка влияния потерь энергии на степень реактивности выполнена только относительно потерь в рабочем колесе.

В результате осреднения измеренных параметров потока вдоль радиуса ступени коэффициенты потерь составили: в сопловом аппарате ступени ^ = 0,031, в рабочем колесе ^2 = 0,14. С учетом вторичных потерь расчетное значение ^1расч = 0,0288. Коэффициент потерь в рабочем колесе получен с учетом влияния радиального зазора над необандаженным рабочим колесом.

Для определения точности вычисления рт по опытным данным было вычислено значение степени реактивности с помощью уравнения для степенной закрутки потока в ступени рт= 1- (1- ртк)(гк/гср)п , где показатель степени п подсчитан по данным измерений давления в дренажах у корня и периферии. Разница между проектным значением рт = 0,417 и вычисленным таким образом составила менее 1%.

Вычисление рт по экспериментальным показателям эффективности лопаточного аппарата дает близкие к измеренным значения степени реактивности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абианц В.Х. Теория авиационных газовых турбин. М.: Машиностроение, 1979. 246 с.

2. Афанасьева Н.Н., Бусурин В.Н., Гоголев И.Г. и др. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбомашин / под ред. В.А. Черникова. Л.: Машиностроение, 1980.

263 с., ил.

3. Лапшин К.Л., Гудков Н.Н., Бабиев А.Н. и др. Оптимальное проектирование проточной части цилиндра высокого давления при модернизации паровой турбины Т 100-12,8 // Теплоэнергетика. 2007. № 4. С. 18-21.

4. Хорлокк Дж.Х. Осевые турбины (газовая динамика и термодинамика): пер. с англ. М.: Машиностроение, 1972. 208 с.