Специфика энергетических преобразований

В радиальной турбине рабочее тело течет в основном вдоль радиуса. Различают ступени центробежные и центростремительные. В первых, поток направлен от центра к периферии, во вторых – от периферии к центру. Радиальные турбины могут быть одноступенчатыми и двойного вращения; в первых, имеется одно вращающееся колесо, во вторых – два колеса, вращающихся в противоположных направлениях (турбина Юнгстрема).

В судовой энергетике наибольшее распространение получили радиально – осевые центростремительные ступени и турбины.

На рис.1. показаны две модификации радиально – осевой центростремительной ступени: с лопаточным и безлопаточным направляющим аппаратом. Сопловой аппарат 1 комплектуется из радиально установленных сопл, где происходит ускорение потока. Затем рабочее тело входит в радиальном или близком к радиальному направлении в рабочее колесо 3, движется между лопатками 2 и покидает колесо в направлении близком к осевому на меньшем радиусе.

Рис. 1. Радиально – осевая центростремительная ступень:

а) с лопаточным сопловым аппаратом;

б) треугольники скоростей;

в) с безлопаточными направляющим аппаратом.

Сопловая решетка радиально – осевой центростремительной ступени отличается тремя особенностями: эта решетка круговая, обтекаемая центростремительным потоком и имеет сильно выраженную естественную конфузорность, в связи с уменьшением радиуса по ходу движения потока. Это позволяет применять для сопловых лопаток наряду с криволинейными профилями, также прямые аэродинамические симметричные и несимметричные профили, прямые клиновидные профили и прямые листовые профили постоянной толщины.

Профильные потери энергии включают потери трения и кромочные потери. Потери трения приближенно можно определить по формуле [1].

(1.1)

где Scn – длина контура профиля по выпуклой стороне;

α₀, α₁ –входной и выходной углы;

tc – шаг сопловых лопаток;

R₀, R_1c –входной и выходной радиусы;

,

c₁, υ₁ – скорость и вязкость потока на выходе из сопел.

Кромочные потери энергии можно определить по формуле:

(1.2)

где S₂ – толщина выходной кромки профиля;

m – опытный коэффициент, который рекомендуется принимать m = 0,1 ¸ 0,22.

Потери энергии во входных патрубках или улитках по опытным данным составляет приблизительно 20% от потерь энергии в соплах. (z=0,005¸0,01) [9].

Концевые потери энергии можно определить по формуле:

, (1.3)

где l₁ – высота лопатки;

с – опытный коэффициент, который рекомендуется принимать с=0,05¸0,1 [5].

КПД сопловой круговой решетки зависит от шага. Оптимальное шаговое отношение для различных профилей лежит в пределах 0,55¸0,75. При относительном шаге меньше оптимального на спинке профиля появляется диффузорный участок, и потери энергии резко возрастают. При потери увеличиваются на 1-2% и стабилизируются при . Это объясняется сильно выраженной естественной конфузорностью каналов, что исключает отрыв потока.

Специфика радиально-осевой центростремительной ступени допускает применение безлопаточных направляющих аппаратов. Например, ограничение наружного диаметра подводящего патрубка не позволяют обеспечить оптимальный угол входа потока в сопла. В таких случаях КПД ступени с безлопаточным направляющим аппаратом может быть на 1¸2% выше, чем с лопаточным сопловым аппаратом.

В рабочем колесе радиально-осевой центростремительной ступени поток рабочего тела имеет сильно выраженный пространственный характер.

Под действием вращающейся системы поток рабочего тела в межлопаточном канале приобретает ускорение, которое имеет составляющие:

1) радиальное ускорение, вызываемое вращением колеса Rw²;

2) кориолисово ускорение, вызываемое движением частицы относительно вращающегося колеса, которое равно 2ww и направленно к вектору относительной скорости под углом 90°, отсчитываемым в сторону вращения колеса;

3) местное ускорение частицы в её относительном движении, равное dw/dr, вызываемое переменностью скорости w.

Трем составляющим ускорения соответствуют три составляющие силы: центробежная rRw², кориолисова 2r w w, инерционная rdw/dr=rwdw/dx.

В центростремительной ступени кориолисовы силы способствуют вращению колеса, а в центробежной препятствуют.

Потери энергии в рабочем колесе зависят от числа рабочих лопаток. С увеличение числа лопаток растет площадь поверхности омываемой потоком, и повышаются потери энергии на трение.

Рабочее тело в колесе радиально – осевой центростремительной ступени течет от периферии к центру, совершая поворот в меридианной плоскости примерно на 90°. Действие центробежных и кориолисовых сил формирует в каждом межлопаточном канале осевой и парные вихри (см. рис. 2).

Рис. 2. схема вихрей в рабочем колесе радиально-осевой центростремительной ступени:

а – осевой вихрь, б – парный вихрь

У периферии осевой и парный вихри направлены в одну и туже сторону, у ступицы – в противоположные стороны.

Описанное явление приводит к двум особенностям потока: резкой неравномерности поля скоростей в колесе и небольшой величине относительных скоростей газа в межлопаточном канале, меньшей, чем в осевых ступенях (при равных располагаемых работах на ступень)

Потери энергии в колесе складываются из потерь трения, потерь на входе в колесо и потерь вследствие отрыва потока. Потери на входе появляются, когда угол входа потока в относительном движении b₁ заметно отличается от геометрического входного угла рабочей лопатки b_1л. В этом случае возможен отрыв потока от лопатки на входе. Отрыв потока возможен и при заниженном числе лопаток.

Минимальное число лопаток в рабочем колесе определяется по формуле:

(1.4)

При меньших числах могут возникнуть обратные течения возле лопаток со стороны высокого давления у периферии. На колесе обычно выполняют от 12 до 18 рабочих лопаток.

Вследствие неравномерности поля скоростей в колесе потери у корня составляют 1¸3%, а у периферии могут достигать 6¸10%. Общий коэффициент потерь в колесе лежит в пределах z_р=0,25¸0,45, что соответствует коэффициенту скорости y=0,87¸0,76. В связи с небольшими относительными скоростями, потери в колесе, отнесенные к располагаемому теплоперепаду энтальпий в ступени, невелики.

Потери энергии с выходной скоростью на оптимальном режиме составляют z_вых=3¸8%. При отклонении от оптимального режима эти потери быстро увеличиваются.