Теплоэнергетика, 2022, № 1, стр. 51-60

Исходные решетки профилей С-13ГМ

На рис. 3 показаны зависимости профильных ζ_пр и суммарных ζ_Σ потерь энергии в решетках профилей С-13ГМ при варьировании значений t/b и М.

Рис. 3.

Зависимость профильных (а) и суммарных (б) потерь энергии в решетках с исходным профилем С‑13 ГМ от t/b. М: 1 ‒ 1.0; 2 ‒ 0.9; 3 ‒ 0.8; 4 ‒ 0.7; 5 ‒ 0.6

Для решеток профилей существуют минимумы профильных потерь энергии при значениях t/b 0.59 и 0.83–0.98 для М = 0.6–0.9. Минимальные профильные потери энергии 2.7–2.8% обеспечивают решетки профилей С-13ГМ при t/b = = 0.83–0.98 для М = 0.7–0.8. При М = 1.0 возникают три минимума ζ_пр при значении t/b, равном 0.59, 0.70, 0.89. Режим работы при М = 1.0 не является характерным для решеток с такими профилями в составе турбинных ступеней.

Суммарные потери энергии в решетках профилей С-13ГМ изменяются примерно по аналогичным зависимостям, что и профильные, но с учетом концевых потерь (см. рис. 3). Также имеются два минимума суммарных потерь энергии 4.6 и 3.3% при значениях t/b, равных 0.64, 0.83 для М = 0.7‒0.8. Существование двух минимумов у зависимостей ζ = f(t/b, M) доказано и в опытах на решетках с другими профилями С-13Г, в которых b = 47 мм, L/b = 2.13, α₀ = 50°.

Наличие двух минимумов профильных и суммарных потерь энергии в зависимости от t/b является необычным результатом исследования. Как правило, при проектировании выбирают оптимальные значения t/b в решетках, исходя из представлений монотонного изменения зависимости ζ_пр = f(t/b, M) [1, 5, 6] с выраженным минимумом, которые получены экспериментальным путем либо на основе полуэмпирических обобщений. В частности, для решеток с профилями С-5515А МЭИ, близкими к С-13ГМ, в [5] рекомендуются М = 0.70–0.95 и оптимальные t/b = 0.72–0.87, которые не соответствуют результатам, представленным на рис. 3. Наличие одного оптимального значения t/b в [5], возможно, объясняется малым количеством экспериментальных точек, по которым строились зависимости потерь энергии от t/b. В [5] количество таких точек составляет всего три-четыре. На рис. 3 анализируемые графические зависимости построены по восьми точкам для каждого числа Маха в пределах М = 0.6–1.0. Полученные данные, частично представленные ранее в [2], показали, что следует осторожно относиться к существующим рекомендациям по выбору значения t/b для решеток с большими углами поворота потока в межлопаточных каналах.

Решетки с макро- и микровоздействиями на поток в канале

Известные методы управления потоком [1, 7 и др.] с помощью тщательно подобранных изменений геометрических и расходных параметров позволяют уменьшать потери энергии в решетках профилей и турбинных ступенях. Для снижения потерь энергии в решетке с профилями С-13ГМ было принято решение формировать профилированные впадины максимальной глубиной 4.5 мм в межлопаточных каналах на основе рекомендаций [7]. Второе решение заключалось в использовании профилированной щели у конца лопатки. Продувки в опытах [7] проводили на воздухе с профилями, существенно отличающимися от С-13ГМ, при небольших числах Маха (М < 0.5). Оптимально выполненные микровоздействия на поток (перегородки, уступы и выступы, ребра на профиле, щели у концов лопаток) могут обеспечить повышение КПД решеток профилей на 1.0‒1.5%. Однако такие рекомендации сложно применить к решеткам профилей С-13ГМ при значительно бо́льших числах Маха (М = 0.70‒0.95). Единичные продувки этих решеток профилей с впадиной на торцевой поверхности межлопаточного канала, а также со щелью у концов лопаток были выполнены для относительного шага профилей t/b = 0.83 при достаточно высоких значениях М и дозвуковых скоростях потока.

На рис. 2, б глубина впадины в области входа потока в решетку нулевая, а на выходе она не доходит до горла канала на 2 мм. Впадина должна препятствовать перетеканию потока в пограничном слое от вогнутой поверхности профиля к выпуклой. При этом должны снижаться интенсивность вторичных течений и потеря энергии в межлопаточном канале [7].

Схема профилированной суживающейся щели показана на рис. 2, в. Вдув части пара в зону вторичных течений при использовании внутренних ресурсов потока является “тонким механизмом” и требует тщательной отработки параметров. Начало щели шириной 2 мм выполнено на входной кромке профиля. Выходная часть щели шириной 0.8 мм не доходит до горла канала на 1.5 мм, выпуск пара из щели производится под небольшим углом к выпуклой поверхности профиля, высота щели составляет 15 мм. Выбор расположения начала щели на входной кромке профиля обусловлен стремлением снизить интенсивность и масштаб “подковообразного” вихря. Такой вихрь всегда развивается в двугранном угле при соединении конца лопатки с торцевой ограничивающей поверхностью [1]. По отпечаткам отложений на бандажных пластинах был установлен размер “подковообразного” вихря перед профилем без щели, равный примерно 4 мм, который уменьшается до 1 мм при наличии щели.

Анализ распределения потерь энергии по высоте решеток с исходным профилем, с впадиной в межлопаточном канале, со щелью у концов лопаток при t/b = 0.83 и фиксированных значениях числа Маха показал, что микровоздействия слабо влияют на изменение потерь энергии. Впадина на торцевой поверхности межлопаточного канала снижает суммарные потери энергии на 0.2–0.5% при М = 0.6‒0.9 и на 1.5% при М = 1.0. Периферийная щель у концов лопаток, вероятно, сконструирована неоптимальной. Суммарные потери энергии в решетке со щелями у концов лопаток оказались выше на 0.4‒0.5% при М = 0.65–0.85 и ниже на 1.0‒1.5% при М = 0.95‒1.0 по сравнению с решеткой с исходными профилями.

Согласно рекомендациям [8, 9] была исследована двухрядная решетка (см. рис. 2, г), созданная на основе исходного профиля С-13ГМ с t/b = 0.83. Опыты на двухрядной решетке выявили увеличение профильных и суммарных потерь энергии на 2‒3% при М = 0.6–0.9 по сравнению с исходной решеткой профилей С-13ГМ. Модификации решеток профилей с воздействием на расход потока в межлопаточном канале (см. рис 2, в, г) не дают оснований для их применения в целях снижения потерь энергии.

Дальнейшую отработку конструкций впадин в межлопаточном канале, профилированной щели, двухрядной решетки не проводили. Они показали недостаточную эффективность по снижению суммарных потерь энергии.

Решетки профилей с вихревыми камерами на выпуклой части профиля

Поисковые исследования решеток профилей были выполнены при формировании вихревых камер на выпуклой части по всей длине профиля. Известно, что при неуправляемом отрыве потока от профиля возрастают потери кинетической энергии потока в межлопаточном канале [1]. Автор использовал идеи по управлению течением среды в каналах с отрывом потока, предложенные в [10, 11] не применительно к решеткам турбинных профилей.

В исследованиях было принято решение заранее вызывать искусственный отрыв пограничного слоя, не допуская его интенсивного развития и последующего крупномасштабного отрыва от поверхности профиля. Для этой цели были сделаны вихревые камеры на выпуклой части профиля С-13ГМ вблизи зоны максимальной кривизны, где происходит наибольший рост толщины пограничного слоя и возникает вероятность его отрыва от выпуклой поверхности профиля. Для реализации идеи были проведены специальные исследования на модели канала с прозрачными стенками, продуваемого воздухом (рис. 4). Принцип поиска места вероятного отрыва пограничного слоя от выпуклой части профиля с использованием данных, опубликованных в [12, 13], показан на рис. 5. Для поиска места вероятного отрыва пограничного слоя от профиля использовали также результаты дренирования профиля для одного межлопаточного канала.

Рис. 4.

Модель канала с прозрачными стенками

Рис. 5.

Принцип поиска месторасположения вихревой камеры. а ‒ лазерный интерферометр; б ‒ схема изолиний плотности потока в канале; 1 – зеркало; 2 – лазер; 3 – полупрозрачная посеребренная пластина; 4 – экран; 5‒7 ‒ изолинии

В межлопаточных каналах модели проходит поток воздуха. Область потока сканируется источником монохроматического излучения 2, полупрозрачные пластины 3 пропускают 50% лазерного излучения, а 50% излучения отражают. На экране 4 формируется интерференционная картина изолиний равной плотности в потоке воздуха, форма которых изменяется вблизи выпуклой поверхности профиля (см. рис. 5, б). Знак производной плотности потока ρ по контуру профиля s изменяется от линии 5 к линии 7. Там, где dρ/ds = 0 (линия 6), предположительно начинается зарождение отрыва пограничного слоя от профиля. За линией 6 развивается и затем происходит крупномасштабный отрыв пограничного слоя от профиля. Чтобы устранить развитие и отрыв, на выпуклой части профиля С-13ГМ перед точкой на профиле, где dρ/ds = 0, формируют камеру (полость, углубление), в которую “скатывается” образовавшийся пограничный слой (см. рис. 5, б). Вихревая камера в виде цилиндрической поверхности, вырезанная профильной фрезой по всей длине лопатки, плавно переходит к основному контуру выпуклой части профиля. Были исследованы решетки профилей с камерами шириной δ (рис. 6).

Рис. 6.

Схемы межлопаточных каналов с вихревыми полостями на профилях. δ, мм: а ‒ 1.2; б ‒ 3.0; в ‒ 6.0

На рис. 7 показаны зависимости потерь энергии при различных значениях δ и М. Выигрыш/проигрыш по профильным и суммарным потерям энергии определяется их сопоставлением в виде ∆ζ = ζ_{δ = 0} ‒ ζ_{δ ≠ 0} (здесь ζ_{δ ≠ 0}, ζ_{δ = 0} ‒ потери энергии в решетке с вихревыми камерами и без них).

Рис. 7.

Зависимость снижения профильных (а) и суммарных (б) потерь энергии в решетках профилей С‑13ГМ с вихревыми камерами от ширины камеры при L/b = 2.46, t/b = 0.84, α₀ = 50°. М: 1 ‒ 1.0; 2 ‒ 0.9; 3 ‒ 0.8; 4 ‒ 0.7; 5 ‒ 0.6

Из анализа результатов опытов следует, что оптимальная ширина вихревой камеры составляет 3 мм. Использование вихревой камеры может обеспечить снижение суммарных потерь в решетке профилей на 0.8‒1.0% при М = 0.8‒0.9 и примерно на 2.7% при М = 1.0.

Вихревая камера на профиле препятствует развитию крупномасштабного отрыва потока от его выпуклой поверхности, о чем косвенно свидетельствует анализ следов потока на рис. 8. Вихревая камера выполнена очень большой, не оптимальной ширины δ = 6 мм при α₀ = 50°. Отложения на ограничивающей пластине показывают “скатывание” пограничного слоя и части пара в пространство вихревой камеры. Сброс части пара из вихря в поток уменьшает толщину пограничного слоя на профиле, на котором после вихревой камеры происходит зарождение и развитие нового пограничного слоя. При этом глобальный отрыв потока в межлопаточном канале от выпуклой части профиля удается устранить. В пограничном слое на торцевой пластине от вогнутой части профиля к выпуклой заметны следы вторичных течений пара (см. рис. 8).

Рис. 8.

Вид ограничивающей пластины для решетки профилей С-13ГМ с вихревыми камерами шириной 6 мм

На рис. 9 для сравнения показаны профильные и суммарные потери энергии в решетках профилей С-13ГМ с вихревыми камерами и без них в зависимости от М. Параметры исследуемой решетки составляли: L/b = 2.46, t/b = 0.84, δ = 3 мм, α₀ = 50°. При М > 0.65 профильные и суммарные потери энергии в решетке с вихревыми камерами становятся меньше, чем в решетке с исходным профилем.

Рис. 9.

Зависимости профильных (1, 3) и суммарных (2, 4) потерь энергии в решетках профилей с вихревыми камерами (1, 2) и без них (3, 4) от числа Маха

Результат увеличения КПД решетки с вихревой камерой был проверен на решетке профилей С-13ГМ с короткими лопатками при L/b = 0.5 и неоптимальном значении t/b = 0.69. Зависимости профильных и суммарных потерь энергии приведены на рис. 10. Во всем исследованном диапазоне режимов работы решетка с вихревыми камерами на профилях при М = 0.65–1.10 обеспечивает снижение потерь энергии не менее чем на 1% в зависимости от числа Маха.

Рис. 10.

Зависимости профильных (1, 3) и суммарных (2, 4) потерь энергии в решетках профилей с вихревыми камерами (1, 2) и без них (3, 4) с короткими лопатками от числа Маха

На рис. 11 показаны результаты опытов по влиянию угла входа потока на потери энергии. Решетки профилей для опытов были выбраны на основе исходных профилей С-13ГМ с вихревыми камерами и без них. Параметры исследованных решеток составляли: L/b = 2.46, t/b = 0.69 (неоптимальный), α₀ = 52°, δ = 3 мм (для решетки с вихревой камерой), изменение угла входа потока в решетку ∆α₀ = ±10°. Отмечена меньшая чувствительность изменения КПД решетки с вихревыми камерами на профилях при изменениях угла входа потока в решетку. При положительном угле атаки (α₀ = 40°) профильные и суммарные потери энергии в решетке с вихревыми камерами на профилях снижаются. При отрицательном угле атаки (α₀ = 60°) профильные и суммарные потери энергии в решетке с вихревыми камерами на профилях становятся больше, чем в решетке без вихревых камер.

Рис. 11.

Зависимости профильных (а) и суммарных (б) потерь энергии в решетках профилей с вихревой камерой (2, 4, 6) и без нее (1, 3, 5) от числа Маха. α₀, град: 1, 2 ‒ 40; 3, 4 ‒ 50; 5, 6 ‒ 60

Сравнение решеток профилей с макро- и микровоздействиями на поток

Выше были рассмотрены результаты исследований решеток профилей с исходным профилем С-13ГМ, а также с модификациями профилей. На рис. 12 для сопоставления показаны суммарные потери энергии в решетках с исходным профилем, с впадиной в межлопаточном канале, со щелью у концов лопаток, с вихревой камерой на профиле δ = 3 мм при L/b = 2.46, t/b = 0.83 и 0.84, α₀ = 50°.

Рис. 12.

Зависимость суммарных потерь энергии в решетках с профилем С-13ГМ (1), с вихревой камерой на профиле (2), с впадиной в межлопаточном канале (3), со щелью у концов лопаток (4) от числа Маха

Решетка с вихревыми камерами на профилях обладает самыми лучшими газодинамическими качествами при М > 0.65. По сравнению с исходной решеткой можно получить снижение суммарных потерь энергии на 1.0–2.7% при М = 0.9–1.0. Минимум суммарных потерь при этом составляет около 2.7% для диапазона М = 0.8–0.9. Решетка с впадиной на торцевой поверхности в межлопаточном канале обеспечивает снижение суммарных потерь энергии на 0.2–0.4% при М = = 0.8‒0.9 и около 1.5% при М = 1.0. В решетке со щелью у концов лопаток увеличение потерь энергии составляет примерно 0.5% при М = 0.65–0.82. При М ≈ 0.9 такая решетка практически равноценна исходной по газодинамическим качествам, а при М ≈ 1.0 потери энергии в ней снижаются на 1.7%.

Решетки с “дельфинообразными” профилями

Конструирование решеток профилей может выполняться различными методами [1, 5, 7, 14]. В практике российских проектных организаций обычно используют лемнискатный метод построения решеток с дозвуковыми профилями [1, 5] и другие методы образования профилей. При этом применяются прикладные пакеты программ профилирования лопаточных аппаратов с учетом пространственного течения потока для решения прямых и обратных задач проектирования. Многие зарубежные организации пользуются методами с образованием ламинаризованных профилей NACA (рис. 13) или английских профилей [14]. Построение профиля сводится к соответствующему изгибу средней линии под нужные углы входа/выхода потока с последующим распределением толщины профиля по таблицам толщин ламинаризованных профилей для соответствующих координат средней линии.

Рис. 13.

Ламинаризованные профили NACA

Автор предложил принцип создания дозвуковых турбинных профилей на основе подобия их конфигурации телам морских животных, обладающих высокими скоростями движения [15], выработавшимися в процессе их эволюции. К числу быстроходных морских обитателей относятся некоторые дельфины: афалина, касатка, белобочка (скорость 12‒16 м/с) ‒ и рыбы: тунцовые (скорость более 30 м/с), акулы, меч-рыба, парусник и др. Установлен факт гидродинамического сходства профилей тела высокоскоростных китообразных и рыб с расчетными аэродинамически совершенными профилями.

На рис. 14 приведены профили дельфина (касатки) и разработанные в ЦАГИ [15] и в NACA. На основе представлений о форме тел дельфина и информации [14, 15], а также разработок автора по конструированию турбинных профилей, частично упомянутых в [7], спроектирован “дельфинообразный” профиль (см. рис. 2, е).

Рис. 14.

Профили ЦАГИ (а), дельфина (б, в) и NACA (г)

В качестве базовой основы выбран профиль С-13ГМ, модифицированный по подобию телу дельфина. Модифицированные профили сглаживались по специальной технологической программе. Скелетная линия профиля подстраивалась под необходимые углы входа/выхода потока в решетке. Вогнутая и выпуклая части профиля повторяли форму очертаний изогнутого тела дельфина. В другой группе профилей повторялись очертания изогнутого тела тунца. Проведены единичные испытания [4] на паровом стенде продувок решеток с “дельфинообразными” профилями при t/b = 0.75, α₀ = 50° для М = 0.6‒1.0. Решетка с “дельфинообразными” профилями обеспечивает снижение профильных и суммарных потерь энергии на 0.2–0.5% по сравнению с решеткой профилей С-13ГМ.

В газодинамической лаборатории МЭИ была проведена серия детализированных опытов на плоских сопловых решетках с “дельфинообразными” профилями под руководством докт. техн. наук профессора М.Е. Дейча. Решетки такого типа обеспечивают заметное снижение потерь кинетической энергии, они особенно эффективно работают на влажном паре [1]. Эксперименты в МЭИ проведены для некоторых сопловых решеток с “дельфинообразными” профилями с углом входа потока 90°. Параметры решеток варьировались следующим образом: α₁ = 12°–20°, t/b = 0.62–0.75, пар перед решеткой ‒ слабо перегретый либо влажный. В решетках с “дельфинообразными” профилями лучше дробится влага, стекающая с поверхности профиля, уменьшается угол атаки крупнодисперсных капель, натекающих на рабочую решетку.