Профилирование охлаждаемых лопаток осевых газовых турбин
Процесс профилирования охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток осевой турбины в основном выполняется так же, как и неохлаждаемых лопаток. Особенности касаются выбора геометрических соотношений профиля и решетки охлаждаемых лопаток. Разноречивость требований, исходящих из условий прочности, технологичности и обеспечения максимальной газодинамической эффективности не позволяет воспользоваться готовыми профилями, имеющимися в атласах. Поэтому, последние могут служить лишь прототипами для выбора основных геометрических соотношений. При реальном профилировании охлаждаемых лопаток помимо способа изготовления лопатки (литье, штамповка, фрезирование) необходимо учитывать и тип охлаждения ее (с дефлектором или без него, с выпуском охлаждающего воздуха в радиальный зазор, в выходную кромку или вблизи ее, наличие внутренних штырьков – турбулизаторов, перфораций и т.п.). На основе компромисса между всеми этими условиями и требованиями и получаются геометрические соотношения, рекомендуемые при профилировании охлаждаемых лопаток. Исходными данными при графическом построении внешнего обвода и профиля лопатки в расчетном сечении по высоте проточной части являются параметры, полученные в результате расчета потока по радиусу ступени турбины (см. §5.4), а также некоторые геометрические соотношения профиля и решетки лопаток, выбранные ранее (см. §3.1 и §3.4). Ниже приводятся дополнительные геометрические соотношения, необходимые при профилировании лопаток: 1. Радиус скрепления входной кромки лопаток (см. рис. 6.6).
Nbsp; Рис. 6.6. Основные обозначения в решетке рабочих лопаток
К моменту профилирования хорда профиля известна, поэтому удобно величину выбирать в долях от длины хорды b. По статистическим данным на среднем диаметре для охлаждаемых лопаток: сопловых – ; рабочих – . В корневых сечения рабочих лопаток увеличивают на 15%…20%; в периферийных – уменьшают на 10%…15%. Указанные значения и на среднем диаметре для охлаждаемых лопаток в 1,4…1,8 раза больше, чем в неохлаждаемых. 2. Относительный радиус скругления выходной кромки выбирается в долях от шага решетки . Величина на среднем диаметре приведена в табл. 6.3. Таблица 6.3
В корневых сечениях величина увеличивается на 15%…20%, в периферийных сечениях уменьшается на 10%…15%. 3. Угол заострения входной кромки (см. рис.6.6) в охлаждаемых сопловых и рабочих лопатках =150…300. В неохлаждаемых лопатках этот параметр в 1,5…2 раза меньше. 4. Угол заострения выходной кромки в охлаждаемых сопловых лопатках , в рабочих . В неохлаждаемых лопатках этот параметр в 1,5…2 раза меньше. 5. Геометрический угол на входе в лопатку: - для сопловых лопаток первой ступени ; - в последующих ступенях предыдущей ступени; - для рабочих лопаток . Угол атаки i рекомендуется выбирать в среднем сечении равным i = 0, в корневом i = +(2…7) 0, в периферийном i = -(2…6) 0. 6. Геометрический угол на выходе из лопаток: - для сопловых лопаток ; - для рабочих лопаток , где для среднего сечения; для корневого сечения; для периферийного сечения. Уголы потока и известны по результатам расчета закрутки лопаток. 7. Угол отгиба выходного участка спинки профиля на среднем диаметре (затыловочный угол) : при ; при ; при . В корневых сечениях берется меньше указанных величин на 10…30, а в периферийных сечениях больше указанных величин и при может достигать 300. 8. Максимальная толщина профиля в неохлаждаемых лопатках на среднем радиусе обычно - для сопловых лопаток ; - для рабочих лопаток . В случае охлаждаемых сопловых и рабочих лопаток максимальная толщина профиля на среднем диаметре достигает . Изменения по радиусу будет, в основном, определятся выбранным типом охлаждения и прочностью. Поэтому для сопловых лопаток определяющим в выборе будет тип охлаждения, и величина может быть принята постоянной по высоте, а для рабочих лопаток желательно уменьшать к периферии, на сколько это позволяет прочность и конструкция внутренних охлаждающих полостей. 9. Размер горла решетки сопловой ; рабочей , где ; . Здесь и углы отставания потока на выходе из решеток, определяющиеся по графику (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Зависимость угла отставания потока от числа М на выходе из решеток с различными углами
В первом приближении при определении и по графику можно принять и . Перед построением профиля целесообразно все геометрические соотношения представить в табличном виде (см. табл. 6.4).
Таблица 6.4
Графическое построение внешнего обвода профиля лопатки рекомендуется выполнять в крупном масштабе (М5:1, М10:1). Первым шагом профилирования является отыскания опорных точек профиля. Для этого проводятся лини АВ и CD параллельные фронту решетки на расстоянии ширины S друг от друга (см. рис. 6.6). Радиусом скругления выходных кромок R2 описываются две окружности на расстоянии шага t между центрами ( и ), так чтобы окружности коснулись линии АВ. Через центр окружности проводится линия под углом . Линия является осевой линией выходной кромки лопатки. Под углом к линии симметрично проводятся две касательные к окружности . Точки касания и являются концами линий, которые в дальнейшем будут образовывать соответственно вогнутую и выпуклую части профиля лопатки. Из центра радиусом () проводится дуга окружности ee. Под углом к линии АВ проводится касательная к дуге ее. Точка касания Р должна в дальнейшем находится на выпуклой части профиля (на спинке профиля лопатки). Под углом проводится касательная к окружности до пересечения с линией CD. Радиусом проводится окружность, которая является закруглением передней кромки профиля. Центр окружности подбирается так, чтобы окружность касалась линии фронта CD и линии, проведенной под углом , которая определяет хорду профиля b. Через центр под углом к фронту решетки проводится осевая линия входной кромки . Симметрично к под углом проводятся касательные к окружности . Точки касания и являются начальными точками кривых, которые в дальнейшем будут образовывать соответственно спинку и вогнутую часть профиля. Таким образом, найдено положение всех опорных точек, через которые должны пройти кривые, очерчивающие спинку (точки ) и вогнутую часть профиля (точки и ). Второй шаг профилирования заключается в подборе кривых для очерчивания спинки и корытца. Вогнутую часть профиля очерчивают обычно двумя дугами окружностей, как показано на рис. 6.6 (центры и ). Для спинки предпочтительнее кривые с плавно увеличивающимся радиусом кривизны – параболы, лемнискаты Бернулли и др. При использовании, например, параболы, через точки и (см. рис.6.8а) проводятся лучи под углом и до их пересечения в точке д. Рис. 6.8. построение спинки профиля по параболам
Полученные отрезки и делятся на равное число отрезков (не меньше 5 – 7) и одноименные точки соединяются между собой прямыми линиями. Огибающая кривая, касательная к прямым, и будет искомой параболой, образующей контур профиля спинки и проходящей через опорные точки . Если при таком построении парабола не проходит через точку , то добиться желаемого можно изменением угла заострения и затыловочного угла в пределах интервала рекомендуемых значений. Если и при этом не удастся «попасть» в точку , то спинка очерчивается отрезками двух парабол. Первая строится на отрезках угла (см. рис. 6.8б), а вторая на отрезках угла . Каждая парабола строится аналогично описанному способу. Вписав в полученный профиль окружности, находим максимальный диаметр вписанной окружности и определяем . При существенном отличии от рекомендуемых значений профиль следует перестроить, изменив угол установки хорды профиля в решетке, учитывая, что увеличение ведет к увеличению . Если все параметры профиля лежат в рекомендуемых пределах, то далее необходимо проверить плавность изменения проходного сечения межлопаточного канала (см. рис. 6.9).
Рис. 6.9. Сечение рабочей лопатки с проверкой плавности каналов
Во всех расчетных сечениях сопловых и рабочих решеток канал должен быть непрерывно и плавно сужающимся. Исключение может составить только корневое сечение рабочей решетки, где на участке от входа до середины канала может допускаться некоторая диффузорность. В целом же корневой канал должен быть тоже сужающимся, т.е. <1, где - размер горловины решетки на входе. Каждый профиль координируется относительно осей х, у, где ось х совпадает с направлением хорды профиля, а ось у перпендикулярна к оси х. Величина координат записывается в таблицу (см. для примера табл. 6.5). Кроме того, в таблице указываются величины , и .
Таблица 6.5
Следующим важным шагом является согласование взаимного расположения профилей по высоте проточной части, так как от расположения сечений друг относительно друга и относительно корневого сечения зависит соотношение изгибных и растягивающих напряжений в лопатках. Угол установки профиля корневого сечения и сам профиль определяют и геометрию нижней полки лопатки.
|