Распределение по ступеням степени реактивности.

При назначении степеней реактивности обычно руководствуются следующими соображениями:

- не допускают отрицательные значения степени реактивности у втулки лопатки;

- по возможности минимизируют потери в радиальном зазоре;

- в случае охлаждаемой ступени с увеличением r температура перед РК по заторможенным параметрам будет увеличиваться, что потребует увеличение расхода охлаждающего воздуха на РК.

Обычно предлагается степень реактивности увеличивать от первой ступени к последней, так как относительные высоты проточной части по тракту турбины всегда увеличиваются, и по условию неполучения у корня отрицательной степени реактивности величина расчетной степени реактивности на среднем радиусе проточной части должна увеличиваться от первой ступени, где r₁ = 0,2…0,25 (малая реактивность в первых ступенях снижает потери от перетеканий в радиальном зазоре и позволяет принимать более высокие значения коэффициентов нагрузки при умеренной закрутке потока на выходе), до более высоких значений на последних ступенях, где r_z = 0,35…0,4, а иногда и выше.

Умеренная степень реактивности способствует падению температуры газа перед рабочими лопатками, уменьшению закрутки потока на выходе из ступени, снижению потерь от перетеканий через радиальный зазор. Однако в некоторых случаях приходится применять большие степени реактивности r₁ ³ 0,4, в частности в первой ступени, с целью воспрепятствования появлению сверхзвуковых скоростей на выходе из соплового аппарата, для увеличения осевой силы, воздействующей на ротор турбины (то есть уменьшения результирующей осевой силы, воздействующей на ротор турбокомпрессора), уменьшения перепада давления, под которым работает лабиринтное устройство между сопловым аппаратом и рабочим колесом, в особенности в случае подвода охлаждающего воздуха с так называемой спутной закруткой.

Существенным фактором, влияющим на выбор степени реактивности, является величина температуры торможения газа на рабочих лопатках Т_w1^*. Температура Т_w1^* будет тем меньше, чем больше l_ад и меньше степень реактивности ступени. При этом на величину Т_w1^* влияет также отношение u/c_ад. Необходимость возможно большего снижения температуры газа на лопатках с целью улучшения условий работы ротора турбины часто приводит к тому, что l_ад первых ступеней турбин ГТД назначается значительно больше соответствующей оптимальным величинам приведенных скоростей l_1t и l_w2t, а степень реактивности выбирается минимально возможной из условия получения нулевой или небольшой положительной степени реактивности на втулочном радиусе проточной части.

Снижение степени реактивности может оказаться оправданным, в основном, для первой ступени, поскольку с уменьшением r снижаются потери, связанные с наличием радиального зазора над рабочим венцом. Для последующих ступеней более существенным может оказаться перетекание рабочего тела через неплотности в сопловом аппарате, интенсивность которого при снижении степени реактивности возрастает ввиду увеличения перепадов давления на втулочных путях перетекания. Для последней ступени турбин ГТД главным условием, определяющим величину степени реактивности, обычно является необходимость обеспечения осевого направления движения выходящих газов.

Величина степени реактивности на среднем радиусе определяется минимально допустимым значением степени реактивности у корня лопатки r_вт ³ 0. Надо заметить, что проектировать турбинную ступень со степенью реактивности в корневом сечении лопаток, равной нулю, практически не целесообразно. Погрешности, неизбежные при производстве турбин, даже в пределах допусков на изготовление лопаток или на положение их, могут привести к тому, что площадь проходных сечений в межлопаточных каналах изготовленного рабочего колеса окажется несколько больше расчетной или та же площадь у сопловых лопаток окажется меньше расчетной. В этих случаях степень реактивности у корневых сечений лопаток выполненной турбины, если она была запроектированной равной нулю, станет отрицательной. Известно, что отрицательная степень реактивности даже в корневых сечениях лопаток уменьшает КПД турбины. Объясняется это, главным образом, нарушением расчетного течения в корневых сечениях ступени и распространением этого нарушения на близлежащую область по высоте лопаток тем в большей степени, чем более отрицательна степень реактивности, то есть чем большая часть лопатки вдоль радиуса работает в режиме отрицательной степени реактивности. Кроме того, в турбинных ступенях с нулевой или отрицательной степенью реактивности в корневых сечениях лопаток уменьшение их КПД из-за практически неизбежной протечки воздуха в осевой зазор между венцами сопловых и рабочих лопаток происходит в значительно большей мере, чем у ступеней с положительной степенью реактивности. Иными словами, они более чувствительны к попаданию в проточную часть воздуха, подаваемого либо на охлаждение рабочих лопаток и дисков, либо для уменьшения (разгрузки) осевой силы, действующей на ротор турбокомпрессора. Развитые лабиринтные уплотнения уменьшают эти протечки, но полностью их не устраняют, и отрицательное их влияние на экономичность турбины остается. Поэтому при проектировании турбин реактивность в корневых сечениях лопаток необходимо делать положительной. Положительная степень реактивности в корневых сечениях лопаток, особенно в газодинамически нагруженных ступенях, способствует при прочих равных условиях уменьшению относительной скорости на входе в рабочие лопатки, которая в корневых сечениях достигает весьма высоких значений, и увеличению угла входа потока газа на рабочие лопатки. Последнее существенно облегчает профилирование лопаток, особенно лопаток с внутренним воздушным охлаждением.

Проектирование турбин с положительной степенью реактивности в корневых сечениях лопаток встречает некоторые затруднения у ступеней с относительно длинными лопатками. Преодолеть эти затруднения можно, спроектировав турбину с уменьшенным градиентом степени реактивности по длине: например, с постоянным или близким к постоянному углом a₁ по длине лопатки или повышением общего уровня степени реактивности в ступени, то есть увеличением ее на среднем радиусе. Последнее также уменьшает градиент степени реактивности по длине и в сочетании с некоторым отходом от закона постоянства циркуляции в сторону постоянного угла a₁ практически решает задачу проектирования турбин с положительной степенью реактивности по всей длине лопатки.

Чем выше общий уровень степени реактивности в ступени, тем при прочих равных условиях больше отклонение потока на выходе из ступени от осевого направления. Если это имеет место в последней ступени турбины, то имеющиеся в затурбинном диффузоре стойки используют для придания потоку осевого направления. Для этого их выполняют профилированными с учетом направления потока на выходе из турбины. Опыт показывает, что ступень турбины с отношением среднего диаметра к длине лопатки, равным 4,5, с положительной степенью реактивности и со стоящей за ней спрямляющей решеткой имеет больший на 2,5% суммарный КПД, чем эта же ступень, но с рабочими лопатками, при которых в корневом сечении отрицательная степень реактивности (-0,12) и близким к осевому направлением потока на выходе.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Учебники и монографии:

1. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. – М, Машиностроение, 1991. – 511с.

2. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчёт авиационных лопаточных машин. – М., Машиностроение, 1986. – 432с.

3. Емин О.Н., Карасёв В.Н., Ржавин Ю.А. Выбор параметров и газодинамический расчёт осевых компрессоров и турбин авиационных ГТД.: Учебное пособие. – М.: «Дипак», 2004. – 156с.

4. Ржавин Ю.А., Емин О.Н., Карасёв В.Н. Лопаточные машины двигателей летательных аппаратов. Теория и расчёт.: Учебное пособие. – М.: Изд – во МАИ – ПРИНТ, 2008. – 700с.

5. Белоусов А.Н., Мусаткин Н.Ф., Радько В.М. Теория и расчёт авиационных лопаточных машин.: Учебник для вузов. 2-е изд., испр. и дораб. – Самара, 2003. – 344с.

6. Белоусов А.Н., Мусаткин Н.Ф., Радько В.М., Кузьмичёв В.С. Проектный термогазодинамический расчёт основных параметров авиационных лопаточных машин.: Учебное пособие. – Самара, 2006 – 316с.

7. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы: Справочник / Под. общ. ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина. – М.: Изд-во МЭИ, 2000 – 528 с. - (Теплоэнергетика и теплотехника; кн. 1).

8. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический

эксперимент.: Справочник / Под общ. ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина –

М.: Изд-во МЭИ, 2001 – 564 с. - (Теплоэнергетика и теплотехника; кн. 2).

9. Тепловые и атомные электростанции: Справочник / Под. общ. ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина. – М.: Изд-во МЭИ, 2003 – 645 с. - (Теплоэнергетика и теплотехника, кн. 3).

10. Локай В.И., Бодунов М.Н., Щукин А.В. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993 – 158с.

11. Венедиктов В.Д. Газодинамика охлаждаемых турбин. – М.: Машиностроение, 1990 – 185с.

12. Копелев С.З., Тихонов Н.Д. Расчёт турбин авиационных двигателей. (Газодинамический расчёт. Профилирование лопаток). – М.: Машиностроение, 1974 – 268с.

13. Богомолов Е.Н. Рабочие процессы в охлаждаемых турбинах газотурбинных двигателей с перфорированными лопатками. – М.: Машиностроение, 1987. – 160с.

14. Ремизов А.Е., Пономарёв В.А. Формирование облика проточной части базового ТРДД семейства на ранней стадии проектирования.: Учебное пособие, - Рыбинск: РГАТА, 2008. – 160с.

Дата добавления: 2015-07-20