Понятие о профилировании лопаток ступени турбины по радиусу

Если посмотреть на лопатки СА и РК турбины (рис.5), то мы увидим, что концевые сечения лопаток повернуты относительно корневых, а профили их изогнуты в различной степени. Таким образом, лопатки турбины являются закрученными (профилированными). Необходимость профилирования, лопаток турбины по радиусу (высоте) обусловлена двумя причинами. Во-первых, необходимо обеспечить радиальное равновесие газа, на который действуют центробежные силы, порожденные закруткой потока, во-вторых, необходимо привести в соответствие профили рабочих лопаток в разных сечениях с их треугольниками скоростей, которые неодинаковы по высоте лопаток вследствие разных окружных скоростей этих сечений.

Поток газа на выходе из СА приобретает вращательное движение вокруг оси турбины, то есть имеет закрутку. Возникающие при этом центробежные силы стремятся переместить газ к периферии в осевом зазоре между лопатками СА и РК, что сопровождается увеличением потерь энергии в турбине. Поэтому для обеспечения радиального равновесия газа в осевом зазоре степень сужения межлопаточных каналов СА плавно уменьшают в радиальном направлении. То есть на большем радиусе межлопаточные каналы выполнены менее суживающимися, а в корневом сечении — более суживающимися. Вследствие этого давление газа в зазоре между СА и РК увеличивается вдоль радиуса, а скорость истечения С₂ уменьшается. Благодаря большему давлению в периферийных сечениях предотвращается радиальное перетекание газа в зазоре между лопатками СА и РК.

Чтобы избежать больших потерь энергии, стремятся также не допустить перемешивания струек газа за РК. Для этого давление за рабочими лопатками должно быть постоянным вдоль радиуса. Так как давление газа перед рабочими лопатками (на выходе из СА) увеличивается в радиальном направлении, то степень сужения межлопаточных каналов РК увеличивается в этом же направлении, чем и обеспечивается выравнивание давления газа в радиальном направлении на выходе из рабочих лопаток.

Так как окружная скорость рабочих лопаток возрастает в направлении от втулочного сечения к периферии, то треугольники скоростей изменяются вдоль радиуса. Изменяется вдоль радиуса лопатки и направление относительной скорости W₂ набегания потока на переднюю кромку рабочей лопатки. Для того чтобы обеспечить безотрывное обтекание рабочей лопатки во всех ее сечениях, профиль ее изгибают так, чтобы передняя кромка была ориентирована приблизительно по направлению W₂ по всей высоте лопатки.

Рис. 5. К профилированию лопаток ступени турбины:

--- векторы скоростей при обтекании корневых сечений лопаток;

— векторы скоростей при обтекании концевых сечений лопаток

Потери в ступени турбины

В ступени газовой турбины имеют место следующие потери:

— потери на трение газа о лопатки, стенки корпуса, диск ротора;

— потери на перетекание в радиальном зазоре между рабочими лопатками и корпусом;

— потери на вихреобразование внутри межлопаточных каналов.

Сущность каждого вида этих потерь была изложена при рассмотрении осевых компрессоров. Следует отметить, что по сравнению с компрессором температура газа в турбине значительно выше. С увеличением температуры газа возрастает его вязкость, что приводит к значительному росту потерь на трение.

Потери, связанные с наличием радиального зазора, обусловлены в основном двумя обстоятельствами. Во-первых, часть газа протекает через зазор, не совершая работы на лопатках РК (рис.6, а, б).Во-вторых, вследствие разности давлений на корытце и спинке лопаток происходят перетекание через радиальный зазор и частичное выравнивание давлений по обе стороны лопаток. Это приводит к уменьшению газодинамической силы P_KU (рис. 3) и работы, совершаемой газом.

Величина потерь в ступени турбины зависит от скорости движения газа и разности давлений на вогнутой и выпуклой поверхностях лопаток. Разность давлений, в свою очередь, определяет величину силы, с которой газ действует на лопатки турбины. Чем больше скорость движения, тем больше потери на трение газа о лопатки, стенки корпуса, диск ротора. Чем больше газовые силы, действующие на лопатки, тем больше потери на перетекание и вихреобразование.

Для снижения потерь на трение проточная часть турбины выполнена расширяющейся, это позволяет снизить интенсивность роста скорости движения газа. В целях уменьшением перетекания газа в радиальном зазоре применяют ряд конструктивных мероприятий: лопатки с бандажными полками, уменьшение радиального зазора между торцом рабочей лопатки и корпусом с помощью применения мягких графитовых, металлокерамических вставок в корпусе или специального сотового уплотнения (рис. 6,в, г, д). Снижение потерь на вихреобразование можно обеспечить, уменьшив шаг лопаток турбины.

Рис. 6. Способы уменьшения перетекания газа в радиальном зазоре турбины:

а, б— схемы перетекания газа в радиальном зазоре; в— рабочие лопатки с бандажными полками; е— графитовые вставки в корпусе турбины; д— сотовое уплотнение

МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ТУРБИНЫ