автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Исследование закономерностей течения и потерь кинетической энергии в приторцевых зонах решеток турбинных лопаток

од

л лрькор.скпп юсу ддргтярнный

На правах рукописи

м.------„ \Г\.лл-----------

/Hvnuri JWpilil i'l(lpnui>ll4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕП ТЕЧЕНИЯ И ПОТЕРЬ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

d nnrrrnnncdt.iv ofllkv п с i i г стл т.' twf1 с г.1 lj цт- г v

LJ ili lll'-^E UL,UlJl/4 JV; 1X-VJ V Г ЬШЬ t'^iv W I 1Л1П111Л(\

ЛОПАТОК

05.0-1.! 2 - турбомашшш и ту^боустановкп

Автореферат лнсссрifiuiiii на соискание ученой степени канлилата

технических наук

Харьков 1997 г.

Работа выполнена на кафедре турбиностроения Харьковского государственного политехнического университета

1 хаучныи руководитель*

доктор технических наук, профессор Слитенко А.Ф.

ифшшальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гнесин В.И.; кандидат технических наук,

.'!„„........ tri Xli

Дицсш д Ц i^i 111 i 11 .;•!,,

иедущее предприятие:

Институт технической теплофизики ПАП У крашш (г. Кие в)

защита состоится " ч ' сентября 1УУ / г. ъ _ час. н

заседании специализированного ученного совета Д 02.09.12 Харьковском государственном политехническом университете

слепло 01\

диссертацией можно ознакомиться б оиолнотек Харьковского государственного политехнического университета

Автореферат разослан " 14 " июля 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Потетенко О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_1емьк Необходимость повышения

экономичности современных и перспективных паротурбинных и газотурбинных установок требует развития и совершенствования систем автоматизированного проектирования и оптимизации лопаточных Аппаратов турбомашин, базирующихся на использовании современных ЭВМ. При этом одной из важнейших проблем является разработка эффективных методов расчета коэффициентов потерь кинетической энергии б решетках турбинных лопаток, которые бы обеспечивали достаточно высокую точность с минимальными затратами процессорного времени на ЭВМ, что особенно важно при решении оптимизационных задач. Однако, существующие методы расчета течения с межлопаточннх каналах турбинных решеток с учетом образующихся на ограничивающих поверхностях пограничных слоев во многих случаях не удовлетворяют современным требованиям либо по точности, либо по затратам машинного Бремени. Дополнительные трудности возникают в приторпеянх областях, где имеет место сложное трехмерное течение, связанное со вторичным!! перетеканиями на торце и примыкающих к нему участках пера лопатки. Разработка новых и совершенствование имеющихся расчетных методов требует детального изучения физических закономерностей процессов аэродинамики в лопаточных аппаратах турбомашин, анализа влияния различных факторов на исследуемые характеристики. Решению этих важных научных задач и посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы - создание эффективных методов расчета потерь кинетической энергии в турбинных решетках и разработка с их помощью високозкономнчиых лопаточных аппаратов. Для решения этой задачи необходимо:

■в крупномасштабной турбинной решетке детально исследовать микро- и макроструктуру трехмерных пограничных слоев на торцевой поверхности межлопаточного канала и на спинке лопатки б пршорцевой зоне;

-определить расположение, размеры и влияние подковообразного и канального вихрен на закономерности течения в приторцеоой зоне турбинной рени-тки;

-исследовать распределение скоростей по толщине пограничного слоя в различных зонах на торце и на спинке лопатки;

-разработать метод совместного расчета пограничных слоев на торцевой поверхности межлопаточного канала и на спинке лопатки б прнюрцевой зоне б квазитрехмерной постановке;

-усовершенствовать модель формирования концевых и профильных потерь в турбинной решетке и методику их расчета:

-провести сравнение результатов расчета с имеющимися г» литературе экспериментальными данными;

-с использованием разработанных методов расчета спроектировать турбинную решетку с высокими аэродинамическими характеристиками.

Научная новизна работы:

-существенно усовершенствован метод расчета пограничного слоя на торцевой поверхности межлопаточного канала;

-разработан новый метод расчета пограничного слоя на спинке профиля в приторцевой зоне, базирующийся на решении уравнений количества движения и системы интегральных уравнений профильного пограничного слоя;

-получена новая эмпирическая зависимость для нахождения коэффициента кромочных потерь;

-усовершенствован метод расчета коэффициента концевых я профильных потерь кинетической энергии путем уточнения определения величины потерь в пограничных слоях на профиле лопатки и на торцевой поверхности межлопаточного канала, а также оценки потерь кинетической энергии в канальном вихре;

а---- шал г)/" лт ________________________...........................

-Цс1 ийо^ 1 Л_)1»1 Г / ^иодеш Кч^МИЛ^Г^ I Л 11^'чл

для нахождения коэффициентов профильных и концевых потер1 кинетической энергии в решетках турбинных лопаток.

Практическая ценность раооты:

-разработанные методы расчета и комплекс программ на ЭВ1ч позволяют с высокой точностью определять коэффициент профильных и концевых потерь кинетической энергии в решетка; турбинных лопаток при малых затратах процессорного времени, неособенно важно при оптимизационных расчетах новых лопаточны: профилей;

-с помощью этого программного комплекса создан новы! ламинаризованный лопаточный профиль, обладающий высоким! аэродинамическими харахтеристиками;

-комплекс может использоваться как самостоятельно, так и совместно с другими программными продуктами ь качестве подсистемы САПР турбоустаноиок

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:

-на международной научно - технической конференции "Компьютер: ласка, техника, технология, здоровье", г. Харьков, 1993, 1994, 1996, 1997 г.г.:

-на международной научно - технической конференции "Совершенствование энергетических ¡1 транспортных турбоустановок методами математического моделирования, вычислительного и физического экспериментов", г. Змиев, 1994 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 11 печатных работах.

Объем и структура_работы. Диссертация состоит из

введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, включающего &8 наименований Содержит 134 страницы машинописного текста, 112 рисунков и 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой

темы.

Первая глава содержит обзор литературных источников по теме диссертационной работы и постановку задачи исследования.

Из приведенного литературного обзора следует, что экономичность турбинных решеток особенно при малой относительной высоте лопаток в значительной мере зависит от величины концевых потерь. Поэтому задача надежного определения кониевых потерь ¡5 их снижения является весьма актуальной. Ее решению посвящено много экспериментальных и расчетных исследований, создан целый ряд расчетных методов, базирующихся на различных физических и математических моделях.

Анализ экспериментальных данных, методов расчета пограничного слоя на торцевой'поверхности межлопаточного канала

и моделей формирования концевых потерь в турбинных решетках показал:

-несмотря на значительное число проведении? экспериментальных исследований до сих пор нет единого четкогс представления о закономерностях развития трехмерной: пограничного слоя на торцевой поверхности межло паточно го канала о структуре и размерах подковообразного вихря, о его влиянии ш пограничные слои на торце и на спинке лопатки, а также ш формирование канального вихря;

-имеются значительные отличия б предложенных разным} авторами моделях формирования концевых потерь в турбинныэ решетках;

-при расчете профилей скорости в пограничном слое на торц« используются различные зависимости, которые дают значительна отличающиеся друг от друга результаты, а это существенно влияе' на определение характеристик торцевого пограничного слоя;

-большинство авторов решает уравнения пограничного слоя ! двумерной «остановке вдоль средней линии тока и при этом и. учитывает влияния подковообразного вихря на структур; пограничного слоя за зоной его прохождения:

-ни в одном из известных диссертанту методов определены; концевых потерь не рассчитывается трехмерный пограничный слой приторцевой зоне на спинке лопатки;

-в изложенных в литературе методах расчета, базирующихс: на интегральных соотношениях пограничного слоя, на всей торцево.' поверхности распределение скоростей в пограничном сло> определяется по единой зависимости, хотя в литературе имеете: несколько таких зависимостей, полученных, повидимому, пр: различных условиях течения: при разных сочетаниях продольного : поперечного градиентов давления и различной интенсивност: вторичных течений; поэтому для участков, расположенных выше ил ниже по течению от зоны прохождения ветви подковообразной вихря и на различном расстоянии от этой зоны, характеризующее различной интенсивностью вторичных перетеканий, расиределени скоростей по толщине пограничного слоя должно осуществляться п разным зависимостям.

На основе выполненного анализа сформулированы задач исследования.

Ми.'НЛОИЯ I ОЧНОЮ ИНЯ.'И ЛЫЛЮНЫЧ мстлом

Вторая__г.'ш-а ьк.почает вопросы экспериментального

исследования закономерностей течения б крупномасштабной ренк-тке турбшпшх лопаток.

Описал экспериментальный стенд, использованный для изучения аэродинамических характеристик основного течения и структуры пограничных слоев на торне межлопаточного канала и на профиле лопатки.

Представлены результаты визуализация течения методом шелковинок н дымовым методом {см. рисунок !), выполненные с целью предварительного определения основных особенностей течения и облегчения интерпретации полученных экспериментальных данных по зондовым измерениям. Определены аэродинамические характеристик основного течения, а также макро- и микроструктура пограничных слоев, полученные при помоши трехканалыгаго и пятиканального пневмометрических зондов и термоанемометра постоянной температуры конструкции ОКБ Киевского НИИ ГТ и ПЗ, устанавливаемых г, различных точках межлопаточного канала,

Измерены распределения скоростей (см. рисунки 2 - 4) и углов отклонения потока в пограничном слое на торцевой поверхности межлопаточного канала до ветви, в зоне ветви и за ветвь» подковообразного вихря.

Приселена методика обработки экспериментальных данных.

По визуальной опенке сделан вывод о том. что большая часть массы торцевого пограничного слоя захватывается и уносится ветвью подковообразного вихря, пересекающей межлопаточный канал, а далее на торцевой поверхности образуется новый пограничный слой.

М

V"

и. 10---м/с

Рисунок 2 - Распределении продольной и и поперечной [£• составляющих скорости по толщине пограничного слоя перед зоной ветви подковообразного вихря на средней линии межлопаточного

80

ал

40

20

сру

I

£

:шт

¡их

аииш

= 0.01:

т л

I

V)

Г0„

А

1 . I

"сР-

л ,-Я

4

и. XV-

4

6

ы/ с

Рисунок 3 - Распределение продольной и и поперечной ц> составляющих скорости по толщине пограничного слоя в зоне ветви подковообразного вихря на средней линии межлопаточного канала решетки крупномасштабных сопловых лопаток. X = 0.340

По результатам экспериментальных исследований течение на торцевой поверхности было разделено на четыре основные зоны' ■зону, занимаемую входным пограничным слоем, зону прохождения ветви подковообразного вихря, зону нового пограничного слоя,

tj

Purvünt: I Ряспpeпеление продольной и поперечной to coc шиляющил скорое ni no iu.iuwhi: пограничною слоя ua даной ветви подковообразного вихря на средней линии межлопаточного кяняля ¡«тетки крупномасштабных сопловых лопяток. х = 0.570

образовавшегося за этой ветвью, и зону канального вихря. Экспериментально было установлено, что универсальный профиль скорости б пограничном слое для всей торцевой поверхности межлопаточного канала и тля зоны вторичных перетеканий на спинке лопатки отсутствует.

Для повышения точности расчетов были построены обобщенные зависимости изменения • скорости по толщине трехмерного пограничного слоя для различных участков течения. В качестве базового профиля скорости принят профиль, аналогичный профилю Прандтля-Меиджерэ:

"с «Г- %

сэ сэ

где показатели степени т и п зависят от характера течения в пограничном слое, числа Реинольдса и степени турбулентности внешнего потока.

Статистическая обработка экспериментальных данных, полученных на крупномасштабном аэродинамическом стенде и результатов исследований, имеющихся в литературных источниках для различных типов сопловых к рабочих решеток турбинных

лопаток позволила построить зависимости для определения показателей степени т и п в наиболее характерных областях течения на торце межлопаточного канала: в зоне входного пограничного слоя, расположенной перед ветвью подковообразного вихря, и в зоне нового пограничного слоя ниже по течению от этой ветви.

В области входного пограничного слоя на торце

|п, = (1.55ДН} - !)) ■ (1 + 200 • (Ты, - 0.0!)2)05, | - 2 • (1 + 200 ■ (Тц - О.ОО2)0'5, а в области нового пограничного слоя за ветвью подковообразного

рт'по -""--г"

Л. = (2.00ДН; - 1))-(1 + 200- (Тц - 0.01)'\)1Ъ, ' ш = (2 + 2 ■ б-'" ■ X;) • (1 + 200 • (Ти, - 0.01>2Г,

где - формпараметр пограничного слоя, Ти; - степень

турбулентности внешнего течения, Б — б/Ь - относительная стрелка

прогиба скелетной линии профиля, — ' относительное

расстояние рассматриваемой точки от ветви подковообразного вихр?" вниз по потоку. Средняя относительная погрешность для эти:, выражений составляет VI и 14% соответственно, г среднеквадратичное отклонение - 0.24 и 0.26.

Третья глава посвящена разработке метода расчет« пространственных пограничных слоев на торцевой поверхность межлопаточного канала и на спинке лопатки в приторцевой зоне I квазитрехмерной постановке.

С2оЗД&Нг16 зффбКТИоНОГО рслСЧСТ но го метода т реоуу совместного решения пограничных слоев на торцевой поверхност! межлопаточного канала и на спинке лопатки в приторцевой зоне : трехмерной постановке Для описания течения в трехмерно?-торцевом пограничном слое с учетом сжимаемости рабочего тела криволинейной ортогональной системе координат используете: следующая система уравнений:

со.

сх

СХ

+ (1 + • 2)■ (2 - /Ц2 ) • ЛТ • Б ■ о** •

с 1п с

сх

,2 I

-г

-а'. ЛИ -ь /.. - с-'). 5

-М{ а'х - /.-з-б*; = с, (и< -г).

где о'.' - толщина потери импульса па торце; с - тангенс угла отклонения лонных линий тока на торне; К, М, I. ] - формвярамстры

пограничного слоя: С; - коэффициент трения на торцевой

поверхности ыежлопаточного канала: сх, - угол между вектором скорости внешнего течения на торне межлопаточного канала и нормаль» к фронту лопаточной решетки. Эта система уравнений решается методом Рунге-Кутта.

При разработке расчетного метода била принято предположение о том, что подковообразный вихрь вовлекает во вращательное движение и уносит с собой большую часть входного пограничного слоя. За ним на торце образуется новый пограничный слон. В связи с этим, расчет торцевого пограничного слоя предложено проводить не непрерывно от входа в решетку до выхода из нее, как это делалось в ранее, а последовательно на двух участках. На первом участке от входного фронта решетки до зоны прохождения ветки подковообразного вихря рассчитывается входной торцевой пограничный слон, для которого в качестве граничного условия принимается толщина потери импульса накопленного на входе пограничного слоя, а на следующем участке рассчитывается новый торцевой пограничный слон, образующийся за ветвью подковообразного вихря и свободно развивающийся далее вниз по потоку вплоть до выходного фронта решетки.

Расположение этой ветви подковообразного вихря показано-на рисунке 1. Оно приближенно определяется с*дловой точкой, расположенной вблизи точки встречи на входной кромке лопатки, и точкой максимума скорости на спинке соседнего профиля.

На основе анализа результатов визуализации теч-.-шш и имеющихся б литературе данных, было установлено, что напраьлснис донных линий топа непосредственно за зоной прохождения ветви подковообразного вихря параллельно оси этой ветви.

Начальная толщина потери импульса нового пограничного слоя может быть оценена, исходя из следующих соображений. Экспериментальные данные по трассированию нового пограничного слоя за ветвью подковообразного вихря с помощью этилена", свидетельствуют о том, что процентное содержание этилена в зоне торцевого пограничного слоя за ветвью подковообразного вихря составило по различным данным лишь В + 12%, а большая его часть - свыше 80% была обнаружена в области канального вихря, формирующегося под воздействием подковообразного вихря, то есть осноьная масса входного пограничного слоя с содержащимся ь нем этиленом уносится ветвью подковообразного вихря к спинке лопатки и затем участвует в формировании канального вихря. Видимо, соотношение между толщинами потерн импульса пограничного слоя б сечениях 3¿ и перед зоной прохождения ветви подковообразного вихря соответствует соотношению их масс, то есть

С (0.08 + 0.12). eenecio

На основе обобщения литературных данных и результатов визуализации течения, полученных на крупномасштабном стенде, была принята следующая модель вторичных перетеканий на выпуклую поверхность профиля в приторцевой зоне. На участке от входной кромки до места подхода правой ветви подковообразного вихря перетекания подторможенной жидкости с торца на спинку профиля практически не происходит. Б jone между ветвями подковообразного вихря перетекание среды из торцевого пограничного слоя на выпуклую поверхность профиля происходит с. близлежащей линии тока по нормали к оси X. на.травленной вдоль линии тока во внешнем потоке на торце вблизи выпуклой поверхности. Поскольку для этого участка масса перетекшего вещества значительно меньше массы, текущей в пограничном слое на профиле, величина предельных углов отклонения донных линий тока на спинке лопатки получается небольшой и высота зоны влияния

'К

- Мур, Смит. Течение в турбинной решетке. Ч. 11. Определение траекторий с помощью детектора этилена / / Энергетические машины и установки -1984 -Т 106 -К? 2 -С. 67-72

вторичных перетеканий здесь мала. В месте подхода к спинке лесой ветви подковообразного вихря на выпуклую поверхность профиля перетекает почти вся масса входного пограничного слоя, захваченная этой ветвью вихря при пересечении им межлопаточного канала. Это вызывает резкий рост предельных углов отклонения донных линий тока и значительное увеличение высоты золы утолщенного пограничного слоя на профиле. За этим местом вплоть до выходной кромки лопатки на выпуклую поверхность перетекает пограничный слой из близлежащей к спинке линии тока по нормали к оси X. При этом величина предельных углов отклонения донных линий тока постепенно уменьшается и вблизи выходной кромки становится близкой к нулю.

Исходя из этого предложен метод расчета параметров профильного пограничного слоя, базирующийся «а решении системы интегральных уравнений профильного пограничного слоя, аналогичной полученной ранее для торцевого пограничного слоя:

col" л in г £1 • ■ о"

+ • (2 и - mj i • ibib ^ ¡i + у:. v i--£—líz _

о: ! & ь ¿у

-Гг'МГ -i-s^-ol, - Я -г - у) • с.„,

' (1 + У;. У .1 • (. ISL +1. crf • i + 1• h • < 2 - Mi-) - н;

—- + е с'х

М й " <Гп

" т

31 л С <51п М es.. 1 + Н

Ом Ох !е Су М

где ,5" - толщина потерн импульса пограничного слоя на

профильной поверхности лопатки: = | * тангенс отклонения лонных линии тока на профильной поверхности лопатки:

у. - угол между вектором скорости внешнего течения на профильной поверхности лопатки ¡1 нормалью к образующей лопатки. Граничные значения углов отклонения лонных линий тока на спинке лопатки в представленном методе расчета находятся путем решения уравнений количества движения для элементов утолщенного пограничного слоя на спинке лопатки в прториевон зоне.

Таким образом. описанные выше расчетные методы позволяют получить интегральные параметры торцевого пограничного

слоя i! утолщенного пограничного слоя на спинке профиля, что дает возможность определить коэффициенты концевых потерь кинетической энергии.

Разработан модернизированный метод расчета коэффициента суммарных потерь кинетической энергии в турбинных решетках, включающий определение четырех основных составляющих: профильных потерь в центральной части лопатки, обтекание которой не испытывает влияния вторичных течений; профильных потерь в приторцевой зоне, подверженной влиянию вторичных явлений: потерь трения на торцевой поверхности ыежлопаточного канала; потери кинетической энергии в канальном вихре:

Si = S.-pi "г Sn?2 ^ SxP ^ W Коэффициент профильных потерь представлен в виде суммы: С

-l.jj jlip jlip

где

^тр _ _Hm -v К,. -S.K

t ■ sin аЬф - (Hcn • + HK • S"J

Нга =—, Нг =—- формиараметры пограничною слоя на

"5 б

x сп 1!к

выходной кромке со стороны спинки и корытца профиля; 6ЛС„ , 51): - толщины потери энергии на выходной кромке со

стороны СПШ1КИ и корытца профиля; , - толщины потери

импульса ка выходной кромке со стороны спинки и корытца

профиля: ? - шаг решетки; (У,^ - среднее значение эффект¡¡вного

угла выхода потока из решетки.

Для расчета коэффициента кромочных потерь кинетической энергии на бюи экспериментальных данных с помощью корреляционного анализа и методов математической статистики установлена взаимосвязь между интегральными параметрами

пограничного слоя на выходной кромке лопатки, геометрическими характеристиками решетки лопаток и кромочными потерями. Детальный анализ возможного влияния различных факторов на физические .закономерности формирования потерь кинетической энергии в кромочном следе выявил, что основную роль играют следующие комплексные параметры;

■л' , л ■ л* I /„: и - -и t и _ s' /а" , я'/s"- й-и!и.

— \ "сп ^ "кр -г / .'V 1 Ч - 1 1гп т 1 — *-'сп/ сп ^ '-'к/'-'к ' " ~ 4

где cL - диаметр выходной кромки лопатки; аг - ширина горлового

сечения межлопаточного канала; 5 и 5 ■ толщины вытеснения на выходной кромке со стороны спинки и корытца профиля;

о" тг с-*"-

ося И о., - толщины потерн импульса на выходной кромке со стороны спинки и корытца профиля; h - расстояние от выходного Фронта решетки до линии определения кромочных потерь (обычно !1 = 0.2 ■ Ь); о - хорда профиля.

Построенная на их основе зависимость учитывает влияние характерных особенностей развития пограничного слоя на профиле туроинной лопатки на процессы формирования потерь кинетической энергии в кромочном следе, что повышает достоверность прогнозируемых с ее помощью результатов:

CZ = 0.3559 ■ 8* + 0.2193 ■ Ii - 0.0066 -Hz~ 0.0297.

Полученное выражение оооощает экспериментальные данные со средней относительной погрешностью 10.7%, коэффициент множественной корелляции составляет 0.914, а среднеквадратичное отклонение - 0.008. Эту зависимость рекомендуется использовать при

изменении параметров 5 . //vf Н в следующих диапазонах;

5" = 0.04-К).18, Н: = 2.3 + 4.2. /7 = 0.17 ч- 0.22.

Таким образом, б предложение?-! методе расчета коэффициент профильных потерь кинетической энергии в центральной части решетки находится из выражения:

^ _ (Г1 F^ +

где

и^ ' - коэффициент потерь трения на профильной

__ ____

поверхности лона 1 ки для золы пйрй лоийтки | — к — • ¿лс . не

занятой утолщенным погпяличным слоем (/' - ллина лопатки, ЛИ -

J I ч . , ;

высота приторцевой зоны, занимаемой утолщенным пограничным слоем, обусловленным вторичными перетеканиями);

- коэффициент кромочных потерь на профильной

поверхности лопатки для зоны пера лопатки /■ не занятой утолщенным пограничным слоем.

Коэффициент потерь кинетической энергии в пограничном слое на профиле в приторцевой зоне, занятой утолщенным пограничным слосм, равен.

... I у.и . гкр

ьпро - ""

где

ктр ______,.д........... .............. „ ________________

пограничном слое в приторцевой зоне на профиле;

" коэффициент кромочных потерь б притерцсьон зоне.

Коэффициент потерь трения на торцевой поверхности межлопаточного канала находится по формуле.'

т т г»

"те«х • тве0.х т Пт««3 • тшп

~ m у

1 - ■ ~ птш,з ■ b*r„J

где

, - толщины потери импульса на торцах

».,".„- « т., „г, г, . TJ* Т-Т* Ï-T

межлопаточного канпла в выходном сечении; i.j._ „, l ц, u„,, 11........

J i tli ii i I'r.r...

Hr„t„ - формпараметры пограничных слоев на торнах межлопаточного канала в выходном сечении; i - длина лопатки.

Осредненный коэффициент потерь кинетической энергии в

канальном вихре С. определяется по методике, которая получена, исходя из следующих допущении;

-локальное значение коэффициента потерь кинетической энергии в произвольной точке на выходе из решетки равно:

Г = 1 _ ,г>2 ^ (7р* _ Р' 1 /11. п .С- VI

*- ч-Ч . и ' 1 .'/ \ 7 —1| / ■*

где С,_. - теоретическая скорость на выходе из решетки в ¡-той

D* „ D*

Mxi " Mi " ---"г-'

торможения на выходе из решетки в 1-тои точке:

-минимальное давление торможения в центре канального

вихря на выходе из решетки Р. равняется статическому давлению на входе в решетку Р„(Г т е потеря давления торможения в центре

канального вихря на выходе из решетки равна Р^ — Р^ — — М - о и коэффициент потерь в центре канального вихря равен

(р ^ , С- Ь

Уко -О/, \И -'¡т/'

~ЭКБ ц

-величина падения давления торможения в канальном вихре

пллтлплтто I т т •■» f\т г> тт «ч ri гч «ч r> пл *t *»*i и<-хцтг>»-. г>т»л,-гчг» i/ п/л

1!»_'». 1 «.-JiV i3I3«-' V .'«J». XlJL'iXItll 1 Л L> JSC! JJ L'i'Jl 111131 U I Л J j.'CI J.'JJ.'vj.'.'l J\ 4 1 U

гт^птдгЬотан лт моулплсшлшгл -зпоийииа Л — О .Л . П. . С 7 лл П

~ » Ч, «lltl ^ж 111 ¿Л t~V J

i.e. j изменяем си но радиусу канального имхрн oi Скв ц 0-

.пл 'лулпитаьиттптич т_ппшч пмашштшпп г> титл

..........г".................... ■..................................

распределение но радиусу коэффициент noiорь и ндре канального

вихря близко к линейному, то есть ^ , = C,VVl • \ 1 — l'/R)-

Тогда средние значение коэффициента ншерь но всему выходному сечению канального вихря равняется:

1 л ..1 ..... i- i •>

а осреднешшй по площади всего выходного сечения межлопаточного канала коэффициент потерь кинетическои энергии б канальном вихре для турбинной решетки:

„ _ 2 рс, • С 71 •

^кв о ' . г2 ' Л. •

о р! ■ ц, i - л

Описанный метод расчета суммарного коэффициента потерь кинетической энергии в турбинной решетке может использоваться при условии, что смыкание зон концевых явлений не происходит.

Характерными осооенностями предложенных методов расчета пограничных слоев в турбинной решетке являются:

-использование трехмерной системы интегральных уравнений торцевого пограничного слоя с членами, содержащими производные в направлении поперек ыежлопаточнсто канала;

-учет влияния ветви подковообразного вихря; -применение для различных участков течения соответствующих им законов распределения скорости по толщине пограничного слоя;

-определение локальных значений формпараметров 1, М, I; -выполнение расчетов по нескольким продольным линиям на торцевой поверхности .межлопаточного канала:

•выполнение расчета трехмерного пограничного слоя ш спинке лопатки в зоне влияния вторичных течений совместно с расчетом трехмерного пограничного слоя на торцевой поверхности канала.

Приведенное б диссертации сравнение экспериментальных 1: расчетных данных (см. таблицу П позволяет сделать вывод с достаточной надежности усовершенствованного метода определение интегральных параметров торцевого пограничного слоя г утолщенного пограничного слоя на спинке лопатки, а также расчет; на их основе коэффициентов профильных и концевых потер! кинетической энергии в решетках турбинных лопаток.

Четвертая глава содержит описание метода оптимального проектирования профилей турбинных лопаток и расчетно( исследование аэродинамических .характеристик новогс ламинаризованного соплового лопаточного поосЬиля с увеличенны?> моментом сопротивления.

Таблица I - Сравнение расчетных и экспериментальных значений коэффициентов потерь кинетической энергии для ряда решеток турбинных лопаток_

Состав- п тг^ший Стапая ' ж Ъ Я Г\-1Л П I Отн. 1 Новая погр ^ | М О ЛР л ь Отн. плгп О/. Экспери-

Решетка профилей С-9012А*"

У о/ , /о 1.12 20.0 1.46 4.28 1.40

г •-пр, 7„ 2.84 9 80 3 22 2 22 3 15

% 3 96 [ о оо 4 68 0 ЙА 4 55

Пл.....____*** 1 шс 1 гч<_1 «.• 1 'лга

% 6.47 - 4.62 ■ -

С_. о/ 4.75 - 5.27 - -

Г и/ "■=1., /о 11.22 7.88 9.89 4.9 10.40

Решетка Ходсоня

1 О П/2 ( о/ | -.ии , <> 1 - 1 0*2 1 ^и !

1 ,1 с. о о/ | - 1 ПО 1 .СО 1

с. О/ I 4.92 — ■ 0 1 49.1 3.19 о.оЗ | о'.о'О

Дан анализ основных принципов проектирования турбинных решеток с высокими аэродинамическими характеристиками. Для решения проблемы создания высокоэкономичных профилей турбинных лопаток с отсутствием, на спинке и корытце профиля скачков и изломов кривизны признан наиболее подходящим метод,

Гречаниченко Ю.В., Нестеренко В.А. Вторичные течения в решетках турбомашин. Харьков, Изд-во ХГУ, 1983.

Трубилов М.А., Арсеньев Г.В., Фролов В.В. и др. Паровые и газовые турбины -М/ Энергоатомиздат, 1985

Л.зпгстон, Няне. Х\'пер. Трехмерное течения г, канале турбинной решетки , Энергетическое машиностроение. -Сер. А. -1977. -Т. 99. ■№. -С. 22-31.

- Ходсон, Домини. Пространственные течения в решетке профилей турбины низкого давления на расчетном режиме /' / Энергетические машины и установки.-!988. -т. ПО. -До 2. -С. 116-126.

о котором профиль описывается двумя полиномами Безье Бернштейна. которые сопрягаются между собой в точке встречи и иг выходной кромке лопатки при равенстве значений функции, а такж<= ее первых и вторых производных.

Описан метод определения оптимальной формы профилу путем решения многокритериальной задачи оптимизации ; многомерном пространстве параметров при наличии функциональны? и параметрических ограничений. В качестве критериев оптимизацш приняты коэффициенты профильных и концевых потерь определяемые с помощь» разработанных методов. Оптимизационна? задача решалась при наличии ряда параметрических ограничений обусловленных геометрическими характеристиками турбинно} решетки и технологическими возможностями изготовления лопатки и функциональных ограничений, связанных с обеспечение^ прочности конструкции.

С помощью описанной методики спрофилирован новы! ламинаризованный лопаточный профиль с увеличенным моментов сопротивления. который предложено использовать вмсслч существующих ныне аналогов.

Представлены результаты расчетного исследоваши коэффициентов профильных и концевых потерь в решетке нови: лопаточных профилей. Выполнено их сравнение с соответствующим! параметрами для решетки применяемых в турбинах лопаточные профилей. Показано, что новый ламинаризованный лопаточньп профиль при одинаковых прочностных характеристиках имеет боле> высокие экономические показатели, чем профиль, применяемый 1 настоящее время в паровых турбинах.

Таким образом, использование разработанных методо; расчета трехмерного пограничного слоя и коэффициентов »отер кинетической энергии в турбинных решетках, а такж< предложенного метода создания высокоэкономичных лопаточны: аппаратов, показало достаточно высокую их эффективность.

ВЫВОДЫ

1. Метол расчета трехмерного пограничного слоя на торцевой поверхности межлопаточного капала существенно усоиершенст иоиан:

-учитываются производные всех членов интегральных уравнений пограничного слоя на торпе межлопаточного канала в поперечном направлении:

-формнарамст ры пограничного слоя принимаются не постоянными, а определяются в процессе расчета;

-учитываются влияние ветви подковообразного вихря на развитие торцевого пограничного слоя;

-для нахождении распределении скорости но толщине пограничного слоя на различных участках течения в межлопаточном' канале используются обобщенные зависимости, которые построены путем обобщения экспериментальных ланпых методами математ ической отатлет ики.

2. Разработан новый метод расчета пограничного слоя на спинке профиля в нриториевой зоне, базирующийся на решении уравнении количества движения и системы интегральных уравнений профи тьього пограничного слон.

'¿. С целью повышения точности расчета коэффициента профильных потерь кинетической энергии в решетке турбинных лопаток на основе обработки экспериментальных данных.получен;; эмпирическая уаиисимос 1 ь дли нахождении коэффициент кромочных потерь, учитывающая влияние не только относительной толщины выходной кромки, как применяемые сейчас зависимости, но и толщины потери импульсов пограничных слоев на спинке и корытце лонагки вблизи выходной кромки, структуры этих пограничных слоев и расстояние от выходной кромки.

4. Предложена новая математическая модель определения коэффициента суммарных потерь кинетической энергии в решетке 1урбинны.\ лонаIок. учишииюшни профильные потери и центральной зоне лопатки, профильные потери в приторцевых зонах, потери трения в пограничном слое на торпе межлопаточного канала и потерн в канальном вихре.

5. Предложен приближенный метод оценки потерь кинетической энергии в канальном вихре.

6. На базе 1ВМ РС./АТ создан комплекс расчетных программ, позволяющий определить интегральные параметры пограничных слоев

на торцевых поверхностях .межлопаточных каналов и на профиля: лопаток, причем, как с центральной, так и в цриторцеьых зона; лопаток, а также коэффициенты профильных и концевых гютер кинетической энергии в решетках турбинных лопаток. Сравнена полученных расчетных результатов с экспериментальными данным! показало достаточную надежность рзаработанных методов расчета ; комплекса расчетных программ.

7. Комплекс расчетных программ использован для создани: нового ламинаризованного профиля, который при одинаковы: прочностных характеристиках имеет более высокие экономически показатели, чем исходный профиль, используемый в настояще время.

11УЙЛИКАЦИИ 1Ю РАЬОТЬ

1. Слитенко А.Ф., /Куков Ю.М. Расчет характеристи пограничного слоя на торцевых поверхностях в турбинных решетка} тезисы докладов на международной научно - техническо конференции "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье" , Харьков, Мишкольц: ХГПУ, МУ. -¡993. -С. 160-162.

2. Титов В.Б., Жуков Ю.М. Экспериментальное исследовали течения в решетке турбинных лопаток и обработка его результатов помощью полуавтоматического информационно • изшерительиог комплекса: тезисы докладов на международной научно - техническо конференции "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье" , Харьков, Мишкольц: ХГПУ, МУ. -1993. -С. 155-157.

3. Слитенко А.Ф., Титов В.Б., Жуков Ю.М. Использован« информационно - измерительного комплекса и компьютерно техники при экспериментальном исследовании микроструктур пограничного слоя и кромочных потерь в решетках сопловы турбинных лопаток: тезисы докладов на международной научно технической конференции "Компьютер: наука, техника, технологи; здоровье" / Харьков, Мишкольн: ХГПУ, МУ. -1994. -С. 125.

4. Слит ел ко А.Ф., Титов В.Б.. Жуков Ю.М Исследован:: влияния микроструктуры пограничного слоя на кромочные потерн решетках сопловых турбинных лопаток: тезисы докладов г международной научно - технической колференцл "Совершенствование энергетических и транспортных турбоустановс методами математического моделирования, вычислительного физического экспериментов" / Змиев, Украина. -1994. -С. 140.

5. Слите.чко А.Ф., Титов В.Б., Старусев Г.С., Жуков Ю.М. К исследованию течения на торцевой поверхности межлопаточного канала крупномасштабной сопловой турбинной решетки / / Энергетическое машиностроение.-Т. 53. -1995. -Д? 1. -С. 195-203.

6. Слитенко А.Ф., Титов В.Б., Жуков Ю.М. Экспериментальный стенд для комплексного исследования аэродинамик]! и теплообмена в крупномасштабной решетке сопловых турбинных лопаток / / Энергетическое машиностроение. -Т. 53. -1995. -ДЬ 1. -С. 59-67.

7. Слитенко А.Ф., Жуков Ю.М. М.етод и программный комплекс для расчета концевых потерь в решетках турбинных лопаток: тезисы докладов на международной научно - технической конференции "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье" / Харьков, Мишкольц: ХГПУ, МУ.-1996. -С. 355.

8. Слитенко А.Ф., Жуков Ю.М. Экспериментальное исследование закономерностей течения в приторцевон зоне крупномасштабной решетки турбинных лопаток: труды международной научно - технической конференции "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье" / Харьков, Мишкольц: ХГПУ, МУ. -1997. -С. 160.

9. Слитенко А.Ф., Жуков Ю.М. Решение уравнений гидродинамического пограничного слоя на ограничивающих поверхностях приторцевой зоны межлопаточного канала турбинной решетки: труды международной научно - технической конференции "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье" / Харьков, Мишкольц: ХГПУ, МУ. -1997. -С. 184.

10. Слитенко А.Ф., Жуков Ю.М. Создание комплекса расчетных программ для проектирования высокоэкономичных турбинных лопаток: труды международной научно - технической конференции "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье" / Харьков, Мишкольц: ХГПУ. МУ. -1997. -С. 188.

11. Slitenko A.F., Titov V.B., Jukov Y.M. Expérimental Research oî the Local Heat Transier in the Turbine Blade Cascades at Higli Turbulence oî Mainstream: Proceeding oî 3-rd International Symposium on Aerotiiermodynamics oî internai Fiows / Beijing, China.-1996.-P. 941 - 946.

АННОТАЦИЯ

Жуков Ю.М. Исследование закономерностей течения i потерь кинетической энергии в приюрцевых зонах решето турбинных лопаток. Рукопись. 05.04.12 - турбомашины i турбоустановкн. Харьковский государственный политехнически;

.........,.....V"------- ШП7

yjinDCptmCl. /\.d}.'t>JV~it>. i. W I .

Метод расчета пограничного слоя на торце существен^ усовершенствован. Новый метод расчета утолщенного пограничноп слоя на спинке профиля в приторцевой зоне разработан .Эмпирическая зависимость для нахождения коэффициент, кромочных потерь получена. Метод расчета коэффициента концевы: потерь кинетической энергии усовершенствован. Метод оценю потерь кинетической энергии в канальном вихре предложен Комплекс расчетных программ на базе этих методов создан i использован для создания нового ламинаризованного лопаточной профиля.

SUMMARY

Jiikov Y.M. Research of How laws and losses'oi kinetic епегд; in end wall zones oi turbiue blade stages. Manuscript. 05.04.12 turbomachine and turbomstaiiaiions. Kharkov state poiiiechnica university. Khaikov. 1997.

The calculation method oi boundary lave г at the t. rici wall i' much advanced. The new calculation method oi thick boundary bye! o; the blade ¿uctioii sunace in the eiid wail zone- k- d«vvtop«d. "I h< empiiicai equation ior deietiiiiiiing oi edye losses coeiiicieni is leceived The calculation method ol end losses coeiiicieni of kinetic energy' i< advanced. The calculation method oi kinetic energy losses in tuibint blade channel vortex is offered. The program complex он the basis о these calculation methods is cieated and it is used joi construction о the new efficient profile for turbine blades.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Решетка турбинных лопаток, торцевой пограничный слон подковообразный вихрь, коэффициент потерь кинетической энергии оптимальное проектирование лопаточных профилей ла.мннаризованныи лопаточный профиль.

Подл, к печати 15.07.97 г. Фсркат 60"84,' 16. Печать офсетная.

ХГПУ, г.г.ля;;::;:;;хг.■: ;:г.т~г.". Ня-г.чятя'п'г. мЯ тг.~я::;:г. ХГПУ, о10002, г.Харьксэ, ул. Фрунзе. "21.