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

Ступени	Относительный радиус
сопловые лопатки	рабочие лопатки
Первая охлаждаемая	0,015…0,02	0,06…0,08
Вторая охлаждаемая	0,012…0,018	0,04…0,06
Неохлаждаемая	0,01…0,014	0,03…0,04

 

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

Сопловая лопатка	Рабочая лопатка
Величина и размерность	Сечение	Величина и размерность	Сечение
кор-невое	сред-нее	пери-ферийное	кор- невое	сред- нее	пери- ферийное
, град				, град
, град				, град
S, мм				S, мм
, град				, град
b, мм				b, мм
t, мм				t, мм
, мм				, мм
, мм				, мм
, град				, град
, град				, град
, град				, град
, мм				, мм

 

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

					…		, мм	, мм	, мм
, мм
, мм
, мм

 

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.