Теория паровых и газовых турбин (стр. 9 )

Рис. 36

Перетекание (утечка) потока через радиальный зазор приводит к понижению давления на вогнутой стороне лопатки и к повышению его на спинке, т. е. приводит к уменьшению перепада давления на поверхности профиля. Этот эффект наблюдается на участке лопатки, радиальная протяжённость которого превышает сам зазор в среднем в 5 раз, что приводит к снижению окружного усилия и, следовательно, к уменьшению работы, передаваемой рабочему телу в ступени.

На перетекание потока в радиальном зазоре помимо выше сказанного сильное влияние также оказывает степень реактивности и удлинение лопаток. Так при степени реактивности ρк =0.5…0.7 увеличение зазора на 1 % привадит к снижению КПД ступени примерно на 2% и к падению напора на 3 – 5%.

На работу ступени оказывают влияние также осевые зазоры между её неподвижными и вращающимися венцами Δs1 и Δs2 (см. рис. 35).

Наличие спутного следа за каждой лопаткой приводит к сильной шаговой неравномерности потока за решёткой.

В результате величина и направление вектора скорости в потоке, набегающем на лопатки сзади расположенной решётке, будет периодически меняться с довольно большой частотой, что может привести к увеличению потерь, вибрационных напряжений в лопатках и уровню шума, возникающему при работе компрессора.

Увеличение осевых зазоров Δs1 и Δs2 способствует выравниванию потока за лопатками и, как следствие, к снижению уровня выше указанных явлений, но влечёт за собой увеличению осевых габаритных размеров и массы компрессора.

На практике осевые зазоры обычно назначаются в пределах 15 – 30% хорды лопаток.

Лекция № 9

Особенности сверхзвуковых и трансзвуковых ступеней осевого компрессора

Одним из основных путей снижение массы и габаритных размеров ГТД является уменьшение габаритного диаметра компрессора при заданном расходе воздуха и уменьшение числа ступеней.

Для уменьшения Dк необходимо увеличить осевую скорость потока. Но, как видно из треугольника скоростей (см. рис. 3), увеличить с1а при сохранении неизменного значения w1 (или Mw1) можно только при одновременном снижении окружной скорости колеса u или увеличении c1u . Снижение окружной скорости, приводит к уменьшению адиабатической работы сжатия (или π*ст ). Следовательно, чтобы обеспечить прежнее значение степени сжатия π*ст , необходимо увеличить число ступеней компрессора.

Использование положительной предварительной закрутки потока позволяет несколько увеличить допустимое значение окружной скорости, но и в этом случае возможности дозвуковых ступеней остаются ограниченными.

Для иллюстрации на рис. 37 представлены по данным NASA зависимость возможных значений повышения значений степени повышения давления в первой ступени от расчётного расхода воздуха через единицу габаритной площади колеса при =0.5 для ступени с постоянной степенью реактивности при допустимом значении Mw1 =0.75 (кривая 1).

Рис. 37

Как видно, достижимые значения π*ст в такой ступени невелики (1.2 – 1.25) и по мере увеличения расчётного расхода на единицу площади входа уменьшаются сначала медленно, а затем всё быстрее.

Если же допустить увеличение относительной скорости набегающего на лопатки потока без снижении КПД ступени до умеренных сверхзвуковых значений, например до Mw1 =1.1, то это позволит существенно уменьшить внешний диаметр компрессора за счёт увеличения G/F или же увеличить π*ст, т. е. выполнить компрессор с меньшим числом ступеней (кривая 2).

Эти данные наглядно демонстрируют преимущество трансзвуковых и сверхзвуковых ступеней.

В реальных конструкциях компрессора обычно сверхзвуковой поток может быть только поток, набегающий на лопатки рабочего колеса, а скорость потока на входе в расположенный за колесом направляющий аппарат на всех радиусах не превышает скорости звука.

Основной особенностью таких ступеней является форма профилей лопаток рабочего колеса, обеспечивающая возможность обтекания их сверхзвуковым набегающим потоком при достаточно малом уровне потерь.

Типичные сечения решёток рабочего колеса дозвуковой и трансзвуковой ступеней показаны на рис. 38.

Рис. 38. Сечение лопаток рабочего колеса дозвуковой (а) и трансзвуковой (б) ступеней

Для дозвуковых решёток характерны сравнительно толстые профили с расположением максимальной толщины и максимального прогиба дуга средней линии в области первой половины хорды (=0.3…0.4; =0.4), что приводит к значительному сужению межлопаточного канала на его входном участке.

Для обеспечения возможности работы решётки при сверхзвуковых скоростях набегающего потока необходимо, чтобы входной участок межлопаточного канала не имел заметного сужения, а потери в нём при углах атаки, соответствующих fг/f1>1 , были бы малы.

Исследования показали, что для этого профили, составляющие компрессорную решётку, должны иметь малую относительную толщину (=0.04…0.03), при этом максимальная толщена и максимальный прогиб дуги средней линии должны располагаться в задней его части (=0.5…0.6), с тем чтобы передняя часть профиля по своей форме напоминала острый клин.

Удовлетворительные результаты при значениях Mw1 до 1.2 – 1.25 по данным NASA могут быть получены при использовании профилей, образованных двумя дугами окружностей (рис. 39).

Рис. 39

Носок и хвостовая часть профиля выполняются с радиусом скругления r=(0.005…0/007)b.

С учётом перечисленных рекомендаций можно построить компрессорные решётки, вполне удовлетворительно работающие при Mw1=0.9…1.3. На рис. 40 приведено типичное изменение КПД ступени при изменении числа М набегающего потока (вызванном изменением частоты вращения) при обычных дозвуковых профилях и при использовании сверхзвуковых решёток.

Рис. 40. 1 – дозвуковые профили лопаток: 2 – сверхзвуковые профили лопаток

Применение тонких профилей с острыми кромками позволяют улучшить КПД при больших значениях Mw1 , в то же время почти не приводит к ухудшению эффективности работы ступени в дозвуковой области.

Рассмотрим некоторые особенности течения потока через решётку рабочего колеса при Mw1>1.

Для большинства трансзвуковых ступеней характерно наличие дозвукового потока на выходе из колеса (Mw2 <1), т. е. торможение потока в рабочем колесе с переходом через скорость звука. Типичная для этого случая схема течения потока в решётке колеса показана на рис. 41.

Рис. 41

Как известно, при обтекании сверхзвуковым потоком изолированного профиля, имеющего хотя бы незначительное скругление передней кромки, перед ним возникает криволинейный скачёк уплотнения – головная волна. Аналогичная картина имеет место при обтекании сверхзвуковым набегающим потоком компрессорной решётки рассматриваемого типа.

Перед каждой лопаткой возникает головная волна АВС. На участке АВ фронт волны почти перпендикулярен вектору скорости, т. е. этот участок можно рассматривать как прямой скачёк уплотнения.

На участке ВС скачёк становиться косым, интенсивность его ослабевает по мере удаления от вызвавшего его профиля и на некотором расстоянии оказывается исчезающее малой.

В области, лежащей за прямым скачком, скорость становиться дозвуковой и уменьшается до нуля в передней критической точке К. Затем на спинке профиля и в прилегающей к ней области течения происходит разгон потока и за линией DE («звуковой линией») скорость опять становиться сверхзвуковой.

Штриховые прямые в этой области называются характеристики (линии разряжения), вдоль каждой из которых скорость постоянна и равна скорости в соответствующей точке на спинке профиля.

Возникновение системы головных волн приводит к возрастанию сопротивления решётки (появляются волновые потери). Если значения числа М перед скачком не превышает 1.35 – 1.4, то потери в прямом скачке оказываются небольшими и КПД процесса сжатия потока в скачке превышает 90%.

Поэтому при Mw1>1,3…1,4 потери в системе головных волн могут быть сравнительно невелики и, следовательно, КПД такого колеса может иметь достаточно высокие значения.

Однако необходимо отметить, что в результате разгона сверхзвукового потока на спинке профиля число М перед замыкающим скачком АВ в общем случае может быть больше, чем в набегающем на решётку потоке. Это превышение оказывается тем более значимым, чем больше кривизна спинки на участке DA и чем больше угол атаки, так как оба эти фактора приводят к увеличению угла поворота вектора скорости на входном участке решётки и соответственно к более интенсивному разгону сверхзвукового потока.

Исследования этой схемы течения показывают, что при наличии головных волн обтекание решётки всегда происходит с положительными углами атаки, поэтому даже при малой кривизне спинки лопатки местное число М перед замыкающим скачком обычно оказывается больше, чем Mw1. Это приводит к заметному увеличению потерь в системе головных волн по сравнению с потерями в прямом скачке и тем самым ограничивает область, где возможно достижение высоких КПД такой ступени, сравнительно умеренными значениями Mw1 .

Второй причиной, ограничивающей рациональные значения чисел Mw1 в таких решётках, является увеличение вероятности отрыва пограничного слоя на спинке профиля в месте расположения замыкающего скачка (в точке А) по мере роста его интенсивности.

При числе М перед скачком более 1.3 – 1.35 отрыв становится неизбежным. Кроме того, потери в головных волнах в таких ступенях(достигающие 30 – 50% всех потерь) заметно увеличивают общий уровень потерь в рабочем колесе, поэтому для получения достаточно высоких значений КПД их целесообразно выполнять с повышенными (по сравнению с дозвуковыми ступенями аналогичного назначения) коэффициентами нагрузки, т. к. КПД зависит от соотношения подведённой энергии и потерь.

Для получения высоких значений КПД ступени при Mw1>1,3…1,35 необходимо переходить к другим схемам течения в решётке рабочего колеса, например к схеме, изображённой на рис. 42.

Рис. 42. Течение потока на входе в компрессорную решётку, предназначенную для работы с Mw1 =1.6

Отличительными особенностями такого профиля являются:

А) отрицательная кривизна начального участка спинки, обеспечивающая торможение (а не разгон) потока на начальном участке в системе волн сжатия;

Б) наличие косого скачка уплотнения вместо прямого скачка (головной волны) в схеме рис. 41.

Отсутствие головных волн достигается использованием профилей с малой толщиной передней кромки и исключением перехода через скорость звука в межлопаточном канале (Mw2 >1).

Применение решёток подобного типа и других мероприятий по снижению волнового сопротивления может обеспечить удовлетворительную работу осевых ступеней при Mw1 =1,5…1,6 и более.