1.3. Методика подбора профилей по «Атласу профилей мэи»

1.3.1. Обозначения профилей

В «Атласе профилей МЭИ» все профили делятся на две группы:

- профили для неподвижных (сопловых) решёток;

- профили для вращающихся (рабочих) решёток.

Профили для неподвижных (сопловых, направляющих решёток) обозначаются буквой «С» (русская «эс»), а для вращающихся решёток – буквой «Р» (русская «эр»). Например: С-9012А или Р-3021А.

За буквой обозначения типа решётки стоят две пары чисел и буква:

Символ в конце обозначения профиля означает:

А- для дозвуковых скоростей ( М_с1t=c_1t/a_1t<0.8-0.9, М_w2t=w_2t/a_2t<0.8-0.9);

Б - для околозвуковых скоростей (0.8-0.9<М_с1t=c_1t/a_1t<1.1-1.2, 0.8-0.9<М_w2t=w_2t/a_2t<1.1-1.2);

В - для сверхзвуковых скоростей ( М_с1t=c_1t/a_1t>1.2-1.4, М_w2t=w_2t/a_2t>1.2-1.4).

Вся номенклатура представленных в «Атласе» профилей перечислена в таблице 2.1.

1.3.2. Основные задачи и принципы выбора профиля по атласу профилей.

В результате проведения расчёта ступени турбины по среднему диаметру конструктор получает все параметры, необходимые для выбора сопловой и рабочей решёток профилей: углы α₀ и α₁, число М_с1t – для сопловой решётки, и β₁ и β₂, число М_w2t – для рабочей решётки.

Профиль сопловой и рабочей решётки выбирают, в первую очередь, ориентируясь на значение угла выхода потока α₁ и β₂. Как известно, при дозвуковых скоростях углы выхода потока α₁ и β₂ практически равны эффективным углам α_1эф=arcsin(a₁/t₁) и β_2эф= arcsin(a₂/t₂), а эффективные (геометрические) углы выхода решётки определяются по величине узкого сечения («горла») межлопаточного канала. «Горло» межлопаточного канала определяет проходную площадь решётки, а, следовательно, и расход рабочего тела через ступень и её мощность. Поэтому, при выборе профиля, в первую очередь, обращают внимание на близость значений α₁ и β2, полученных из расчёта ступени, второй паре цифр в обозначении профиля. Далее, выбранный профиль проверяют по близости углов входа потока α₀ и β₁, полученным из расчёта, первой паре цифр в обозначении профиля. Если разница этих значений невелика (менее 5-10 градусов), то выбирают тот профиль, у которого она минимальна. Это означает, что выбранный профиль в условиях проектируемой ступени будет работать с небольшими углами атаки на входе в решётку и, хотя его эффективность несколько уменьшится по сравнению с обтеканием профиля при нулевом угле атаки, выбор готового профиля из «Атласа» оправдан использованием унифицированных деталей ступени турбины.

Однако, если значения углов входа и выхода, полученные в расчёте существенно отличаются от значений углов в обозначении профилей в «Атласе», приходиться принимать решение о создании новых профилей, что связано с большими временными и материальными потерями, но сулят выигрыш в эффективности вновь проектируемой ступени.

Если удалось подобрать профиль по атласу, то следующей задачей является сборка из этих профилей решётки. Решёткой профилей называют устройство, состоящее из одинаковых профилей, установленных с одним и тем же шагом и углом установки.

Замечание. Иногда, для повышения вибрационной надёжности ступени, решётки профилей специально собирают из одинаковых профилей, установленных с различными углами установки и шагом («разношагица»).

Относительный шаг решётки профилей (t_1отн=t₁/b₁ и t_2отн=t₂/b₂) выбирают оптимальным, соответствующим минимальным потерям. Оптимальное значение относительного шага определяется по экспериментальным зависимостям коэффициента потерь от t_1отн и t_2отн, которые, как правило, имеются для каждого профиля в «Атласе». Если зависимость ζ=f(t_отн) для каких-либо профилей отсутствует, то можно воспользоваться кривыми ζ=f(t_отн) для соседних (похожих по углам входа и выхода) профилей, или использовать приближённые рекомендации: t_1отн=t₁/b₁=0.75-0.85 и t_2отн=t₂/b₂=0.55-0.65.

Угол установки профиля (α_у и β_у) в решётке (рис.1.2) при выбранном значение шага однозначно определяет величину «горла» межлопаточного канала и значение эффективного угла α_1эф=arcsin(a₁/t₁) и β_2эф= arcsin(a₂/t₂). Поэтому угол установки α_у и β_у профиля должен быть выбран таким или рассчитан по зависимости (α_у,β_у)= f(α_1эф, β_2эф) , чтобы значение эффективного угла α_1эф=arcsin(a₁/t₁) и β_2эф= arcsin(a₂/t₂) совпало с заданным. Зависимости (α_у,β_у)= f(α_1эф, β_2эф) приведены для каждого профиля на листе, где расположены его координаты.

После того, как определены (α_у,β_у) и (t_1отн, t_2отн), расположение профилей в решётке жестко задано и можно приступать к определению аэродинамических потерь в решётке профилей.

В зависимости от причин возникновения потери в турбинных решетках условно разделяют на несколько групп:

- профильные потери ζ_пр, складывающиеся, в свою очередь, из:

- потерь на трение при обтекании профилей ζ_тр;

- кромочных потерь ζ_кр;

ζ_пр = ζ_тр + ζ_кр

- концевые потери, включающие потери от вторичных трехмерных течений и трения потока о торцевые стенки ζ_конц;

Эти две составляющие потерь учитывают при определении коэффициента суммарных потерь ζ_сум, определяющего значение параметров потока в зазорах ступени:

ζ_сум = ζ_пр + ζ_конц

В «Атласе», на графиках ось ординат, в большинстве случаев, обозначена как ζ. Если в поле кривых этого графика содержится надпись =l/b=∞, то есть коэффициенты потерь получены для высоты решётки много большей, чем хорда профиля (l>>b), то значение ζ – соответствует профильным потерям. Если же в поле графика нет надписи =l/b=∞, значение ζ – соответствует суммарным потерям.