ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТУПЕНЧАТОЙ КРОМКИ ТУРБИННОЙ ОХЛАЖДАЕМОЙ ЛОПАТКИ НА КПД ТУРБИНЫ

Совершенствование газотурбинных двигателей (ГТД) идет по пути увеличения степени повышения давления и максимальной температуры рабочего тела в цикле. Это обусловило возрастание роли лопаточных машин в обеспечении высоких эксплуатационных качеств двигателя, однако, привело к существенному увеличению зависимости эффективности турбины (КПД турбины) от отрицательных влияний концевых явлений в проточной части из-за уменьшения относительных геометрических размеров лопаточных венцов. Особенно актуальными указанные проблемы представляются в отношении высокотемпературных турбин ГТД, что связано с их высокой газодинамической нагруженностью и с необходимостью охлаждения лопаток и других элементов конструкции, подвергающихся воздействию тепловых потоков от газа. Высокая газодинамическая нагруженность ступеней турбины способствует расширению зоны вторичных течений в лопаточных венцах, в результате чего растут потери (что приводит к снижению КПД турбины, следовательно, к снижению характеристик ГТД в целом), связанные с взаимодействием вторичных вихрей с охладителем. В ходе совершенствования современных ГТД длинновые размеры лопаток сопловых аппаратов уменьшаются (что обусловлено, в том числе, постоянно возрастающими и ужесточающимися требованиями к снижению массы и габаритов двигателей), при этом вторичные вихри, образовавшиеся на противоположных торцевых поверхностях, начинают взаимодействовать между собой.

По мере совершенствования ГТД возможности дальнейшего повышения КПД турбины сужаются, в целях его повышения приходится использовать практически любые мероприятия, способные привести к получению даже минимального положительного эффекта. Одним из таких мероприятий является применение ступенчатой выходной кромки турбинных лопаток, что обеспечит снижение кромочных потерь в турбинной решетке за счет уменьшения диссипации энергии в процессе внезапного расширения потока, возникающего при обтекании выходной кромки.

При этом, ступенчатая кромка обеспечивает высокую аэродинамическую эффективность лопаток, однако, исследований лопаток со ступенчатой кромкой с целью выявления оптимальных длинновых размеров элементов расширения ступенчатой кромки на данный момент выполнено крайне мало, в связи с этим, фактические данные по оптимальным геометрическим параметрам ограничены.

С целью определения оптимальных габаритных параметров турбинной лопатки со ступенчатой кромкой, проведено экспериментальное исследование зависимости уровня  потерь в решетке от величины вылета ступенчатой кромки и высоты лопатки.    

Исследование проводилось на экспериментальном стенде, представленном на рисунке 1. Стенд представляет собой аэродинамическую трубу с насадкой в виде плоской решетки с высотой пера лопатки в 70 мм. На рисунке 2 представлена схема плоской турбинной решётки, используемой в эксперименте.

Рисунок 1. Принципиальная схема экспериментального стенда: 1 – аэродинамическая труба; 2 – лопаточная решетка; 3 – датчик давления; 4 – автоматизированная координатная машина; 5 – компьютерное управление;  6 –  регистрация результатов; 7 – материальная часть; 8 – измерительный блок

Рисунок 2. Модель плоской турбинной решетки: 1 – корпус; 2 – лопатки; 3 – профилированные боковые стенки; 4 – отсечная пластина; 5 – приемник кромочного давления; 6 – фиксатор отсечной пластины

В одну из 3-х, участвующих в эксперименте лопаток, соединённой через штуцер и коллектор с компрессором, подаётся воздух, который моделирует охладитель.  С помощью автоматизированного измерительного блока с применением ПЭВМ замеряется полное давление потока на расстоянии в 4 см от выходной кромки пера лопатки.

Аэродинамическая труба с низконапорным вентилятором позволяет  получить приведенную скорость потока в решетках λ=0,09÷0,1 при избыточном давлении в выходном сечении плоской решетки Pи=230÷980 Па, уровень скоростей и давлений при различных комбинациях установок лопаток в венцах поддерживался постоянным.

Замеры полного давления в потоке на выходе из плоской решетки проводятся на среднем сечении решетки на выходе. Выбор этого сечения обусловлен необходимостью определения давления в наиболее характерной для потока в межлопаточном канале зоне: среднем сечении канала.

На рисунке 3 представлена модель лопатки, во внутреннюю полость которой под напором подавался воздух (моделирование охладителя). Модель выполнена со ступенчатой кромкой (ступень со стороны вогнутой части пера лопатки).

Рисунок 3. Модель лопатки: а – вид сверху: б – вид сбоку 

Данное экспериментальное исследование позволяет сделать следующие выводы.

Наиболее благоприятные с точки зрения уменьшения уровней потерь случаи – это величины вылета ступени кромки с относительных размером s/a_г = 0,14 (s – ширина стенки лопатки в области выходной кромки, a_г – ширина горла канала) и s/a_г = 0,28, наименее благоприятные – без вылета ступени) и вылет размером s/a_г = 0,42. Фактически, с изменением величины вылета ступени потери сначала снижаются, затем растут. Данный результат объясняется следующим образом: уровень потерь определяется величиной аэродинамической кромки (рисунок 4), представляющей собой сумму физический толщины выходной кромки и толщин вытеснения пограничных слоев на спинке и корыте.  Причем, на величину толщины вытеснения пограничного слоя на спинке лопатки влияние оказывает её высота, а на величину толщины вытеснения пограничного слоя на корыте –  физическая толщина стенки лопатки и относительный расход охладителя.  

Рисунок 4. Увеличение аэродинамической выходной кромки в решетках с высотой, соответствующей смыканию зон вторичных течений

В первом эксперименте при отсутствии ступени аэродинамическая кромка самая широкая, это обусловлено тем, что физическая кромка здесь тоже самая широкая из всех четырех случаев. Во втором эксперименте при относительном  вылете ступени s/a_г = 0,14 утончается физическая кромка, а пограничный слой с части кромки со стороны спинки плавно стекает, не успевая вырости. В третьем случае при s/a_г = 0,28 картина течения получается практически аналогичная, что подтверждается и близким ко второму случаю уровнем потерь. В четвертом же случае (s/a_г = 0,42) вылет ступени оказывается настолько велик, что к выходному сечению успевает нарасти пограничный слой, увеличивает толщину аэродинамической кромки до примерно равной той, что была при отсутствии ступени. В связи с этим величина потерь в этом случае возросла.

Целесообразно соотнести величину вылета с шириной горла решетки, чтобы оценить относительную длину вылета. В наших случаях это будет s/aг = 0; 0,17; 0,35 и 0,52. Можно сделать вывод, что с позиции получения низких уровней потерь применение лопаток со ступенчатыми кромками целесообразно при относительных величинах длины вылета до 0,35.

На большой аэродинамической высоте, когда зоны вторичных вихрей не взаимодействуют друг с другом, изменение скорости основного потока оказывает незначительное на уровень потерь.

На высоте, равной высоте проявления смыкания зон вторичных течений, изменяется характер распределения потерь по ширине канала, что обусловлено распространением вихревых зон по всей высоте межлопаточного канала. Ярко выраженная зона максимума потерь, очевидная при высоте h=70 мм (отсутствие смыкания зон вторичных течений), размывается при снижении высоты до h=42 мм (проявление смыкания зон вторичных течений). Изменение скорости при этой высоте не оказывает значительного влияния на уровень потерь.

Аналогичная картина наблюдается и на высоте, равной h=32 мм.

Однако, большое значение при изменении высоты решетки играет изменение толщины аэродинамической кромки лопатки.

На высотах, соответствующих условиям отсутствия смыкания зон вторичных течений (55...70 мм), ветвь вихря распространяется по спинке лопатки, по аналогии с  классическим случаем (рисунок 5).

Рисунок 5. Картина вторичных течений в межлопаточном канале

При смыкании зон вторичных течений (h≤ 42 мм) канальный вихрь отскакивает от спинки лопатки и движется в сторону корыта соседней лопатки. Достигая выходного сечения решетки, он занимает значительную долю сечения, при этом увеличивая аэродинамическую  выходную кромку, причем форма распределения профильных потерь по ширине канала соответствует этому увеличению.  

Список литературы:

1. Тихомирова Н.В. «Оптимизация оребрения охлаждаемой лопатки первой ступени турбины».// Сборник трудов молодых учёных. – Рыбинск: РГАТА, 2001. – С. 89-92.
2. Богомолов Е.Н. «Влияния положения струи охладителя на оптимальные размеры ступенчатой выходной кромки турбинной лопатки./ Е.Н. Богомолов, В.В. Вятков, Н.В. Тихомирова.// «Проблемы газодиамики и тепломассобмена в энергетических установках: труды XIV Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева: в 2-ч т.- М.: Изд-ва МЭИ, 2003. – Т.2. – С. 39-41.
3. Тихомирова Н.В. «Некоторые вопросы аэродинамической оптимизации ступенчатой выходной кромки турбинной лопатки».// XXX Гагаринские чтения: тез. Докл. Международной молодёжной научной конференции: в 5 ч.- М.: Изд-ва МАТИ, 2004. – ч.4 – С. 84-85.
4. Богомолов Е.Н. «Об эффекте разрежения за уступом ступенчатой выходной кромки охлаждаемой турбинной лопатки»./ Е.Н. Богомолов, В.В. Вятков. Н.В. Тихомирова.// Проблемы газодинамики и тепломасообмена в энергетических установках: труды XV Школы-семинара молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леотьева: в 2-х т.- М.: Изд-во МЭИ, 2005. – Т.2. – С. 16-17.