CZ278005B6

CZ278005B6 - Turbine blade for high velocities of working medium

Info

Publication number: CZ278005B6
Application number: CS903395A
Authority: CZ
Inventors: Miroslav Ing Csc Stastny; Rudolf Ing Drsc Dvorak; Pavel Ing Safarik
Original assignee: Skoda Kp
Priority date: 1990-07-10
Filing date: 1990-07-10
Publication date: 1993-07-14
Also published as: CS339590A3

Description

Vynález se týká profilování turbínových lopatek parních a plynových turbín, které jsou obtékány pracovním médiem o vysokých rychlostech, převyšujících na výstupu z lopatkování rychlost zvuku.

Vývoj parních a plynových turbín směřuje ke zvyšování výkonu, dosaženého v turbínovém stupni při vysokých rychlostech obtékání lopatek pracovním médiem a nadzvukovém proudění na výstupu z rozváděcího, respektive oběžného lopatkování. Zvláště u kondenzačních parních turbín je nezbytné použití posledních stupňů tohoto typu, aby turbína byla proveditelná s ohledem na požadavky pevnosti, konstrukce a výroby. Profily pro turbínové lopatky, obtékané vysokými rychlostmi, s nadzvukovými rychlostmi na výstupu z lopatkování se vyznačují charakteristickými tvary zadní části hřbetu profilu a odtokové hrany. Zadní část hřbetu profilu může mít tvar vypuklý, přírubový, vydutý nebo je složena z úseků těchto tvarů. Tvar odtokové hrany se volí různě. Výhodné je zeslabení profilu u odtokové hrany vhodným zaoblením žlábku profilu. Nepříznivou vlastností stávajících profilů lopatek, určených pro nadzvukové výstupní rychlosti je to, že svým tvarem způsobují poměrně velký vzrůst ztrát kinetické energie při nenávrhových režimech obtékání nebo i při režimu návrhovém. Vzrůst ztrát je způsoben odtržením proudu od zadní části hřbetu profilu lopatky, jehož hlavní příčinou je účinek rázové vlny na mezní vrstvu proudícího média u profilu lopatky.

Tyto nedostatky eliminuje turbínová lopatka pro vysoké rychlosti pracovního média podle vynálezu, jejíž zaoblená náběžná hrana plynule přechází ve žlábek lopatky a naproti němu ve hřbete lopatky jehož zadní část se v příčném řezu, tvořícím profil lopatky, blíží přímce a ve styku žlábku lopatky se hřbetem lopatky je vytvořena odtoková hrana. Podstata turbínové lopatky podle vynálezu spočívá v tom, že počátek přímkové zadní části hřbetu turbínové lopatky je umístěn vzhledem k dotykovému bodu hrdlové kružnice, vepsané do kanálu mezi povrchy sousedních lopatek v jeho nejužším místě, v intervalu, jehož hranice jsou dány směrem k náběžné hraně výrazem

Rc a = - («e + 1) . — .Rc

Rp a směrem k odtokové hraně výrazem

Rc b= ($+1) . — .Rc, kde

Rp a - hranice počátku přímky směrem k náběžné ^> raně b = hranice počátku přímky směrem k odtokové hraně ae = Poissonova konstanta proudícího média Rc = poloměr hrdlové kružnice

Rp = poloměr křivosti hřbetu lopatky před přímkovou částí.

U profilu lopatky podle vynálezu dochází podle rozsáhlého experimentálního a teoretického šetření k lokální supersonické kompresi v místech za počátkem přímkové zadní části hřbetu.

Tato lokální supersonická komprese se vyznačuje poklesem poměrné rychlosti na'povrchu profilu lopatky. Poměrná rychlost je poměr místní rychlosti k rychlosti kritické. Lokální supersonická komprese způsobuje vytvoření turbulentní mezní vrstvy, jež je podél celé zbývající části profilu lopatky velmi stabilní, takže nedochází k odtržení proudu od profilu lopatky v důsledku účinků rázové vlny na mezní vrstvu a podobně. Následkem toho zůstávají ztráty kinetické energie malé při režimech proudění od nízkých hodnot výstupních rychlostí až po výstupní rychlosti, převyšující vysoko rychlost zvuku. Snížení ztráty kinetické energie pracovního média při obtékání profilu lopatky se projeví snížením ztráty výkonu turbínového stupně a celé turbíny v širokém rozsahu pracovních režimů. Použitím profilu lopatky podle vynálezu nedochází k žádným změnám v technologii výroby lopatek.

Příklad praktického provedení turbínové lopatky pro vysoké rychlosti pracovního média je uveden na připojeném výkresu, kde na obr. 1 je příčný řez dvěma sousedními lopatkami ana obr. 2 je diagram rozložení poměrné rychlosti pracovního média na novém profilu lopatky.

Jak vyplývá z obr. 1, má turbínová lopatka podle vynálezu zaoblenou náběžnou hranu n. Na náběžnou hranu n navazuje žlábek z lopatky a naproti němu hřbet h lopatky. Žlábek z a hřbet h lopatky se stýkají na odtokové hraně o lopatky.

Do mezilopatkového kanálu m vymezeného hřbetem h první lopatky 1a žlábkem z sousední lopatky 1₂ je vepsána u odtokové hrany o sousední lopatky 1₂ hrdlová kružnice d o minimálním poloměru Rc. Tato hrdlová kružnice d se dotýká hřbetu h první lopatky 1_χv dotykovém bodě C a žlábku z sousední lopatky 1₂ v dalším dotykovém bodě C¹ ležícím u odtokové hrany o, který však pro účel tohoto vynálezu nemá praktický význam. Dotykový bod C na hřbetě h první lopatky 1₂ je vhodným počátkem zadní části hřbetu h turbínové lopatky, kde tento hřbet h přechází v přímkovou část p, končící před odtokovou hranou o lopatky. Výzkumem bylo zjištěno, že k lokální účinné supersonické kompresi dochází i v případě, kdy počátek přímkové zadní části p hřbetu h turbínové lopatky leží v nejbližším okolí dotykového bodu C, a to nejdále v hranicích, daných směrem k náběžné hraně n lopatky vzdáleností a, tj. vzdáleností hranice od dotykového bodu C hrdlové kružnice d směrem k náběžné hraně n a směrem k odtokové hraně o vzdáleností b, tj. vzdáleností hranice od dotykového bodu C hrdlové kružnice d směrem k odtokové hraně. Pro tyto vzdálenosti a, b platí vztahy:

Rc (ae + 1) . —RP

Rc

Rc a b = (ae + 1) . — . Rc, kde

Rp

H = Poissonova konstanta proudícího média

Rc = poloměr hrdlové kružnice d v mezilopatkovém kanálu m Rp = poloměr křivosti hřbetu lopatky před přímkovou částí.

\ \·

Jestliže je počátek přímkové části p hřbetu h lopatky ve výše definovaném okolí dotykového bodu C hrdlové kružnice d vhodně umístěn, dojde k účinné lokální supersonické komkpresi, která způsobí vznik stabilní turbulentní mezní vrstvy.

Podle obr. 2 je poměrná rychlost _X rozložena na novém profilu lopatky následujícím způsobem. V náběžném bodě N profilu lopatky je poměrná rychlost X rovna nule. Ve směru podél žlábku z profilu lopatky poměrná rychlost ^X od náběhového bodu N plynule roste až k odtokové hraně o. Ve směru podél hřbetu h lopatky poměrná rychlost nejprve plynule roste a překročí hodnotu poměrné rychlosti_A. = 1. V oblasti supersonické komprese za počátkem přímkové části p hřbetu h dochází k supersonické kompresi; poměrná rychlost x zde klesá a dochází ke vzniku stabilní turbulentní mezní vrstvy, která se neodtrhne od profilu, ani když na zbývající části hřbetu h dojde k poruchám, způsobeným například dalším náhlým poklesem poměrné rychlosti ke kterému by došlo v oblasti V jejího poklesu, například v důsledku dopadu rázové vlny a podobně.

Claims

Turbínová lopatka pro vysoké rychlosti pracovního média, jejíž zaoblená náběžná hrana plynule přechází ve žlábek lopatky á naproti němu ve hřbet lopatky, jehož zadní část se v příčném řezu, tvořícím profil lopatky blíží přímce a ve styku žlábku lopatky se hřbetem lopatky je vytvořena odtoková hrana, vyznačující se tím, že počátek přímkové části (p) hřbetu (h) turbínové lopatky je umístěn v hranicích, daných na jedné straně vzdáleností (a) od dotykového bodu (C) hrdlové kružnice (d) směrem k náběžné hraně (n) lopatky a na druhé straně vzdáleností (b) od dotykového bodu (C) hrdlové kružnice (d) směrem k odtokové hraně (o) lopatky, přičemž vzdálenost (a) od dotykového bodu (C) směrem k náběžné hraně (n) je násobkem poloměru (Rc) hrdlové kružnice (d) a jedné osminy hodnoty druhé odmocniny z podílu poloměru (Rc) hrdlové kružnice (d) a poloměru (Rp) křivosti hřbetu (h) lopatky před přímkovou částí (p) a Poissonovy konstanty (as) proudícího média zvětšené o jednu, zatímco vzdálenost (b) od dotykového bodu (C) směrem k odtokové hraně (o) je násobkem poloměru (Rc) hrdlové kružnice (d) a hodnoty druhé odmocniny z podílu poloměru (Rc) hrdlové kružnice (d) a poloměru (Rp) křivosti hřbetu (h) lopatky před přímkovou částí (p) a Poissonovy konstanty (ae) proudícího média, zvětšené o jednu.