автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Анализ пространственного обтекания и повышение гидродинамических качеств неподвижных решеток гидромашин

■ ¿.Ъ - ^ л

МОСКОВСКИ! ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЗАЙДАН ГАССАН

АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ОБТЕКАНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ НЕПОДВИЖНЫХ РЕШКТОК ГВДРОМАШИН

Специальность: 05.04. 13 - Гидравлические машины

и гидропневмоагрегг^

р

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степе, кандидата технических наук

Москва 1092

Работа выполнена на кафедре Гидромеханики и гидравлических машин Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Научный руководитель: докт.техн.наук, профессор Моргунов Г.М.

Официальные оппоненты: докт.техн.наук, профессор Бутаев Д.А., канд.техн.наук Коновалов А.Н.

Ведущее предприятие: Санкт-Петербургский государственный технический университет

Защита состоится "/.?" _1992 года в ^ чао.

—- мин, в аудитории ^"¿/¿грна заседании специализированного Совета К.053.16.05 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просил направлять оУедреоу: 105835, ГСП, г.Москва, Е-250, Красноказарменная Н, Совет МЭИ.

С диссерта|^ей могно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "¡3 " 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета К.053./6.05 ^

к.т.н. ,с.н.с. —4 А.И.Лебедева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Исследованию рабочего процесса в наплавляющих аппаратах (НА) лопастных гидромазин посвящено значительное число экспериментальных и расчетно-теоретических работ. Высокий интерес к данной проблеме определяется превде всего важной, а в раде случаев превалирующей,ролью этих устройств' в формировании я регулировании потока на входе в рабочее колесо (РК) паротурбины (ГТ), либо следушую ступень многосекционных насосов и безлопаточную часть отвода одноступенчатых насосов соответственно.

В настоящее время в целом достигнут достаточно высокий уровень эксшцатационно-технических показателей гидромашин. Требования дальнейшего совершенствования их показателей качества и работоспособности выдвигают задачи более детального изучения гидродинамических свойств неподвижных решеток и на этой базе отрабоиот методик шс оптимального проектирования.

В частности, для НА ГТ с поворотными лопатками сохраняет научный и практический интерес задача создания такого профиля лопатки, который обеспечивал бы, помимо прочего, самозакрытие данного рабочего органа при отказе системы регулирования посушеству во всем реально возможном диапазоне изменения режимных параметров ГГ.

Является также важным уточнить силовые и моментные характеристики таких НА путем применения наиболее совершенных гидродинамических методов расчетного определения полей скоростей и давления в межлопаточных каналах. Кроме того, использование здесь таких методов расчета позволяет без проведения Физического эксперимента получить достоверную информацию о параметрах потока перед РК, необходимую пш последующем решении для него соответствующей гидродинамической задачи.

В отношении НА насосов весьма существ ежой является проблема снижения гидравлических потесь в процессе восстановления сгатичео-кого давления за РК. Это особенно важно в связи с тем,что гидродинамические качества отводящих устройств насосов в значительной меое, а во многих случаях в преобладающей степени, определяют уровень гидравлического КПД насоса и оптимальный режим его работы.

Уже приведенный, далеко не полный, перечень проблем для неподвижных решеток гидромашин указывает на актуальность задачи возможно более детального исследования гидродинамических характерио-ткк НА и последующего их улучшения.

Це?дю работы является анализ особенностей пространственного обтекания решеток НА гидромааин и выработка рекомендаций по их проектированию с улучшением их гидродинамических качеств.

Для достижения сформулированной цели необходимо:

- применить современный высокоэффективный метод расчетного исследования течений в лопастных системах гидромашин, в качестве которого использовано решение прямой трехмерной гидродинамической задачи по методу МЭИ (ШГЗ МЭИ);

- подтвердить высокую степень адекватности расчетных по ПТГЗ МЭИ и опытных данных для неподвижных решеток гидромашин;

- установить характерные особенности пространственного потока в радиальных НА ГГ, а также в НА осевого и центробежного насосов;

- применить ПТГЗ МЭИ прогнозирования повышенных энергетических показателей НА насосов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- впервые расчетный метод ПТГЗ МЭИ применен для систематического изучения пространственных течений в НА гидромашин' с подтверждением высокой степени достоверности получаемых результатов;

- установлены интенсивности, области развития и характерные особенности трехмерного обтекания НА гидромашин исследованных типов;

- изучены и даны оценки влияния на гидравлические поля скороотей в радиальном НА быстроходной диагональной ГТ изменения таких основных геометрических параметров, решетки, как .угла установки, числа лопаток и их высоты;

- определены уточненные силовая и моментная характеристики радиального НА ГТ;

- дана оценка потерь трения для НА насосов осевого и центробежного типов и подтверждена возможность повышения юс энергетических показателей и "выправляющей" функции;— выработаны отдельные рекомендации по проектированию лопаток

НА с улучшением их гидродинамических качеств.

Практическая ценность работа:

- пакет прикладных программ (ППП) численного решения ПТГЗ МЭИ адаптирован применительно к неподвижным решеткям гидромашин;

- разработаны подпрограммы расчета ситовых и моментных характеристик НА, а такяе вычисления коэффициентов трения, использующие результаты численного решения ПТГЗ МЭИ;

- получены модификации НА насосов с прогнозно улучшенными

энергетическими совйствеми.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- применением широко апробированного современного метода расчета пространственных течений в РК гядромааин - ПТГЗ МЭИ;

- вполне удовлетворительным согласованием скоростей и давления на лопатках НА как турбин, так и насосов.

• Внедрение результатов работы:

- подпрограммы расчета силовых и моментных характеристик НА, а также потерь на трение в них внедрены и используются в САПР гидромашин кафедры Гидромеханики и гидромашин (ГГМ) МЭИ;

- разработанные рекомендации применяются в НИР кафедры ГГМ МЭИ при модернизации и проектировании новых эффективных НА насосов.

Апрйация работи. Основные результаты докладывались и получали положительную оценку на:

- научных семинарах кафедры Гидромеханики и гидромашин МЭИ в ]989-92гг.;

- Руспубликанской научно-технической конференции "Математическое моделировяние и вычислительный эксперимент для совершенствования энергетических я транспортных турбоустановок в процессе исследования, проектирования, диагностирования и безопасного функционирования", г.Змиев, 1991 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы тезисы доклада на указанной выше научно-технической конференции.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников . Общий объем работы 166 стр., в т.ч. 100 стр. маиинописного текста, 99 рисунков , 5 таблиц, 150 наименований литературных источников.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры Гидромеханики и гидромашин МЭИ за помощь в работе.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОМ

Введение. Дано обоснование актуальности темы диссертационной работи. Сформулированы цель и основные задачи разработки.

Глапа т . Выполнен обзор и проведен анализ наиболее значительных работ, посвященных расчетным и экспериментальным исследованиям НА, а также методикам их проектирования.

Среди большого количества важных результатов в данной облао-ти особое внимание в связи с тематической направленностью настоя-

щей диссертации уделено тем работам, в которых содержатся, помимо прочего, достаточно полные экспериментальные материалы о внутренней структуре потока в НА, причем в отдельных случаях - в сочетании с расчетными данными. Так, при анализе достигнутых результатов по исследовании течений в НА ГТ выделяются, в частности, известные работы Никольского П.Н., Климова А.И.; по насосным НА -работы Давыдова И.В., Борщева И.О. Анализ условий проведения экспериментов этими авторами показывает вполне приемлемую степень достоверности полученных ими результатов.

Из приведенных в указанных исследованиях опытных данных в качестве одного из принципиальных выводов следует наличие заметной, а для насосов - как правило, существенной пространственности течения в межлопаточных каналах. Такое развитие течения имеет место даже при практически полной равномерности потока по высоте и в окружном направлении на входе в решетку. Например, по экспериментальным данным Климова А. И. отличия в значениях выходной циркуляции /7 для радиального НА ГТ вдоль выходных кромок лопаток достигают 25$. Эффект развития трехмерного характера течения к выходу из НА при равномерных условиях на входе объясняется влиянием жидкости и, во многом, изменением направления течения от радиального к осевому в зоне выхода из НА.

Далее в настоящей главе на основании проведенного анализа формулируется ряд нерешенных научно-практических задач для неподвижных решеток ГТ и насосов, многие из которых оговорены выше при обосновании актуальности настоящей работы. Указывается, что для успешного решения гидродинамических задач целесообразно использование хорошо апробированного и достаточно точного современного метода расчета течений в решетках НА.

Ввиду этого рассмотрены известные расчетные методы, используемые в гидродинамической теории решеток. Наиболее детально изучены трехмерные математические модели, постановки и численные схемы их реализации на ЭВМ. Такие методы, по крайней мере, потенциально обладают повышенной точностью в сравнении с другими при прочих равных условиях, т.к. не используют метрической схематизации течения в проточных частях гидромашин.

В связи о известными преимуществами методов, использующих интегральные уравнения относительно функций поля гибкость в математическом описании пространственных поверхностей сложной формы, принципиально повышенная точность полученных результатов предпочте-

нив отдается хорошо зарекомендовавшему себя в практике инженерных расчетов методу решения ПТГЗ МЭИ.

Указывается, что имеющиеся трудности в реализации такого подхода не носят принципиального характера и в настоящее время успешно преодолеваются благодаря непрерывно возрастающим разрешающим возможностям ЭВМ, а также разработке высокоэффективных алгоритмов решения сингулярных интегральных уравнений.

В заключении главы приводятся математическая модель и постановка ПТГЗ МЭИ, краткая характеристика ее реализации на ЭВМ и получаемые результаты.

Глава 2. Показано, что высокая степень достоверности определения скоростей и давлений по методу ПТГЗ МЭИ, многократно подтвержденная ранее для лопастных систем РК глдромашин различных типов и систем для безотрывных режимов работы, имеет место и для их подводящих и отводящих неподвижных решеток. Ранее таких расчетов не проводилось.

Данное обстоятельство было установлено путем осуществления ряда сопоставлений результатов расчетов обтекания НА ГТ и насосов с помощью применяемого здесь метода о известными опытными данными. Ниже приводятся выборочные примеры таких сравнений. Все размерные физические величины даются в системе СИ. На рис. I показано сопоставление расчетных и опытных по Никольскому П.Н. распределений приведенного динамического напора /?,= К^ра комплекс, использованный экспериментатором от относительной длины хорды асимметричного профиля отрицательной кривизны для среднего по высоте лопатки НА сечения. Здесь К - коэффициент согласования размерностей, ,/>« -плотность жидкости, V - скорость, О/ - приведенный расход. Режим течения был принят близким к безгаркуляционному и характеризовался следующими значениями параметров: циркуляция на входе П = 1.65, расход О =0,26, открытие Оо =0,026.

На рис.2 сравниваются также для среднего сечения, но уже для симметричного профиля, значения статического давления^ = кр/(2'* вдоль , полученные расчетом по опытам Климова А.И. Изменение коэффициентов силы Ср и момента Ст в зависимости от аргумента ¿@сС2г для двух значений П = П /О в случае профиля положительной кривизны показаны на рис.3,4 соответственно. Здесь сХгг -осредненный в окружном направлении угол, определяющий закрутку потока на выходе из НА. Коэффициенты силы и момента относительно

Распределение динамического давления по расчёту ПГПЗ ¡■!сЛ: и опытам Никольского П.Н. .. " аси(.мзтр;шнпго профиля НА

Рис.2 Распределено статического по расчёта ПТГЗ УЛ1 и опытам Николь ского П.il.для симметричного профиля НА.

в♦ «а и « <" Л* Ц**'

г.ч ftjc.4 Изменение коэффициента момента для ¡¡А - — эксперимент,

расчёт по методу Дукашевича&.П, расчёт по методу tiaï

Рис.3 Изменение коэффициента сипы для НА ---- эксперимент, _ насчёт по методу/Ькз2шича*"В. П., рас чет по методу ИЬИ

с, Г ( ?

Рис.? Геометрия и распреде-р 1 с n f ■ ения динамиче с ко го дпг-сн/п центробежного насоса пс ДагыдС'!-}' П'.В.

Рис.6 Геомзтрия и распределен;! тей ИА центробежного насоса OUÏT -il

некоторой точки "а" вычислялись по известным формулам, приведек • ным, например, в работах Лукашевича В.П., но обобщенным для трехмерного случая. Именно

СР , МаЪ</О* , Р= (Р, >р2г) ,

Р<.* = , л3 - О , =

гдер , Ма~ сила и момент на лопатке НА, Дг ее поверхность, П~ внешняя единичная нормаль к ^ , р - радиус-вектор, - удельная механическая энергия потока на входе в НА, £ - ускорение свободного падения. Нижние индексы ( I ,2),3 - отмечают проекции Л в локальной системе координат. В качестве точки "а" выбрана входная кромка.

На рис.5,6 (а,б) представлены фрагменты меридианных проекций и планов НА насосов, экспериментально исследованных Давыдовым И.В. и'Бортевым И.О. соотвественно. Сравнения проводились на режимах, близких к оптимальным, для которых решения по ПТГЗ МЭИ дают наиболее достоверные результаты. Остальные геометрические и режимные параметры указаны в работах данных авторов.

На рис.5 "в" по оси абсцисс отложена нормированная длина мерных сечений I ,П, Ш в плане. По. оси ординат - динамический напор /)д для среднего по ширине канала сечения.

На рис.б"в" представлены изменения скоростей вдоль безразмерной ширины канала в косом срезе для различных сечений по его высоте, полученные данным расчетным методом, а также по опытам Бурцева И.О. и его трехмерному расчету, основанному на методе конечных элементов.

Из рассмотрения всех графиков можно сделать один общий вывод: применение П1ГЗ МЭИ на безотрывных режимах обтекания НА гидромашин приводит к результатам, близким к экспериментальным.

Глава .3. Описывается машинный эксперимент по исследованию трехмерных течений в меДлолаточных каналах НА гидротурбин.

Для НА поворотно-лопастной диагональной турбины ПЛД-60 изучалось влияние угла установки ¿р , числа лопаток 2 и высоты 6о на гидродинамику потока в рамках модели безвихревого течения идеальной жидкости. Последнее считается приемлемым, как первое и основное приближение к действительным условиям с учетом реаль-

пых уровней нестационарнооти и влияния на режимах течения, близких к оптимальным.

С-рагаент меридианной проекции проточной части тур бины ПДД-60 в зоне НА показан на рис.7. Использовался нормализованный симметричный профиль лопаток о их базовым числом ¿г =24 при относительной высоте НА 1с =0,35. Режимные параметры соответствовали оптимуму КГЩ ГТ и равнялись: /7 =-2,35, ¿2 =0,16, угол установки лопаток ¿у =62°. Из всей достаточно обширной информации по распределениям функций поля в межлопаточных каналах для данного режима наибольший интерес представляют эпюры модуля скорости V , коэффициента давления р и поперечной компоненты скорости , характеризующей уровень пространственнооти течения.

Для базового варианта геометрии получены следующие основные результаты:

- установлен факт нарастания 1Т и, как следствие, падения р к периферии; причем наиболее интенсивно этот эффект проявляется

к выходу из решетки и для сечений, расположенных ниже среднего по высоте НА профиля; различия в значениях 1/ вблизи втулки и периферии достигают 205? и выше;

- поперечные скорости достаточно интенсивно увеличиваются

к выходу из НА, особенно в окрестности периферийных сечений лопатки, достигая значений порядка ¡0% от .

В качестве иллюстрации сказанному на рис.8,9 представлены эпюры ~1Г я соответственно для профилей 2 -(вблизи втулки), 5 ; (средний профиль) я 9(вблизи периферии). По оси абсцисо отложена безразмерная длина хорды профиля . Знаки + и - отмечают принадлежность разным сторонам профилей (см.рис.7).

Изучена кинематика потока и проведено сопоставление его характеристик для трех углов установки & =5162°,73°. Укажем наиболее важные выводы:

- изменение открытия НА слабо влияет на поток перед решеткой; это влияние в исследованном диапазоне открытий составляет не более 3% от среднего значения •£/" ;

- при Э =73° имеют место весьма высокие градиенты скорости от стороны лопатки + к -, что естественным образом объясняется большой величиной положительного угла атаки порядка 20°;

- режим о & =51° близок к бесциркуляционному обтеканию;

- поперечные скорости по модулю |1Дг( монотонно нарастают к

Рис.8 Эпюры скоростей на профилях НА турбины ПЛД60

Рис.7 Фрагменты геометрии и контрольные расчётные сечения для турбины ПЛД-бО

Рис.9 Эпюры поперечных скоростей на профилях НА турбины ПДЦ-60

рис. /а

На рис.10+ 12 эпюры 'V . ■

скоростей на профилях НА ШД-'бО

г-4-

"г*

Рис.13 Изменение профильных циркуляции при & *?з°б?,51*№Д-60

Рис.14 Изменение'профипькых циркуляции при г =

- Т2-

выходу из решетки и мало зависят от параметра О ;

- циркуляции за НА для =54 0, 62°,73° равнялись Гг =-2,3; -2,7; -6,2 соответственно.

В качестве примера на рис.10 даны распределения скорости на среднем профиле 5 лопатки НА для различных углов установки ¿9 .

Проведен анализ влияния числа лопаток 2 на поле скоростей. Этот машинный эксперимент проводился при фиксированных (р =62°, ¿с - 0,35. Длина хорды профилей также не менялась. Таким образом, посуществу исследовалось влияние на поток густоты решетки. Установлены следующие особенности обтекания:

- как и следовало ожидать, в пределах межлог!аточного канала при увеличении 2 с ростом стеснения потока скорость повышается, причем наибольшее стеснение и, соответственно, скорость имеют мео-то в поперечном сечении-I ъ" (см.рис.7);

- влияние варьирования данного параметра на поток за НА значительно существеннее, чем перед ним;

- установлено возрастание скорости за НА при переходе от

2" =32 к 16; это увеличение в среднем составляет 4$, что приводит к соответствующему повышению по модулю циркуляции за решеткой при1 6 лопатках по сравнению с 2 =32;

- при' 2 =1о заметно нарастает общая неравномерность обтекания-лопаток НА и степень пространственности потока; поперечная составляющая скорости нарастает на ¡0+20$ при 2 =16 по отношению

к базовому варианту 2 =24 и в таком же соотношении снижается при г =32;

- во всех случаях 2 компонента на стороне лопасти + в 2+3 раза выше, чем на противоположной и нарастает к вйходу, что свидетельствует об отклонении поверхностей тока от осемиетричных.

В качестве выборочной иллюстрации влияния параметра 2 на 17" на рис. II гоказаны эпюры скорости для профиля в среднем сечении НА при 2 =16,24,32.

Исследована зависимость кинематических характеристик от параметра £с . Задавались значения &=0,3;0,35;0,4 при фиксированных базовых значениях остальных геометрических параметров решетки. Варьирование высоты НА достигалось за счет изменения конфигурации периферийного_обвода. Получены следующие основные результаты:

- влияние бот перед НА значительно слабее, чем в пределах

межлопаточного канала и за нпм; это связано с тем, что до НА с. изменением ¿^увеличивается (Ьо =0,3), или уменьшается (<ГГ =0,4) лишь меридианная составляющая 1/~ ; _

- по отношению к базовой геометрии для ¿.у =0,4 уровень понижения '(X несколько меньше, чем степень увеличения скорости для варианта =0,3; отмеченное связано с тем, что относительное изменение площади проходного сечения решетки по втором случае больше, чем в первом;

- . последнее объясняет и тот эффект , что модуль циркуляции за НА для ¿с =0,3 на Ъ% превышает его значение при 4- =0,4;

- наибольший уровень поперечной составляющей скорости и, следовательно, степень пространственности потока имеют место при ¿¿г

=0,3.

В качестве примера воздействия изменения на поток на рис.2 даны эпюры скорости при Оо =0,3; 0,35; 0,4.

Отметим еще, что во всех случаях варьирования параметров & , Р . Ре существует определенная неравномерность "сработай" циркуляции по высоте лопатки НА с некоторым нарастанием ее к Гйряфэ-рии, что также свидетельствует о пространственности течения в радиальном НА. Указанное иллюстрируется на рис. 13, К , где представлены распределения профильных циркуляция вдоль относительной высоты лопатки (от втулки к периферии) 'приО ~ггаг и 2

Иоследована кинематика трехмерного течения в лопаточных отводах насосов в широком диапазоне быстроходностей /75=70 - 500, на режл- , лах работы, близких к оптимальным.

НА осевого насоса 0ПВ-2. Число лопаток= и, режим обтекания зпределен параметрами = -20,5, (2 =5,05. Основные вывода по результатам расчета:

- неравномерность в "сработое" циркуляции по размаху лопатки

{А существует, но она сравнительно мала; причем значения профиль-' гых циркуляций монотонно попытаются к наружному обводу; от- . гачие в ^ на внутреннем и наружном обводах составляет 6$;

- изучение линий тока меридианного потока показало, что, при • . 1аличии отклонения потока от наружного обвода к внутреннему, яз-¡енеиие направления меридианной скорости вдоль окружной коор-янатн в пределах шага решетки невелики и не превосходит Ъ% от редней ориентации; указанное, в частности, означает,что для лапой проточной части и геометрии НА при расчетах с достаточной очностью может быть использована кваэитрехмерная модель обтекания.

В качестве иллюстрации вышеуказанному на рис. 15 представлена меридианная проекция лопатки с нанесением расчетной сетки и осред-ненных по шагу векторов гТч вблизи втулки, периферии и в среднем по высоте сечении. На рис. К показаны эпюры скоростиРдля среднего профайл 5 лопатки НА. Интенсивное понижение скорости к выходу естественным образом с "выправляющим" действием НА.

НА питательного насс т ПЭ 500/#0. Число лопаток? =10. Режим обтекания характеризовался значениями параметров/7 =-38,9, Q =0,14. Наиболее существенные особенности обтекания состоят в следующем:

- наблюдается значительная неравномерность эпюр скорости 1Г на входных участках решетки НА о возникновением эффекта торможения

в центральной части межлопаточного канала;

- наибольшие значения поперечная скорость 1 rs3 принимает также на входных участках лопаток, где они достигают 2С# от V;

- существует заметная неравномерность "сработки: циркуляции IJ .

В качестве демонстрационного материала на рис. 1 7 показаны

фрагменты меридианной проекции и плана НА, а на рис./8 - изменение профильной циркуляции от внутреннего к внешнему обводу.

Обратный канал многосекционного насоса ns-120. Число лопаток

2 = II • Исследовались три режима обтекания для расходов Q =0,19; 0,21 ; 0,24 при одном значении циркуляции на входе /7 =26. На ряс. 19 показаны меридианная проекция и план обратного НА. Установлено:

- с увеличением Q. соответственно увеличивается как модуль скорости , так и' поперечная составляющая 5

- характер эпюр2/" на стороне + профилей существенно меняется, начиная от среднего значения 5+ к внешнему обводу; для профиля 9+ наблюдается достаточно резкое нарастание на большей части контура. На противоположной стороне профилей 2",5",9" вид распределений скорости примерно идентичен и заметно не меняется при варьировании Q i все это указывает на существенную пространственность течения в решетке обратного НА. Последнее наглядно видно из рис. 20. Здесь представлены эпюры х-Гна профилях 2,5,9 (см.также рис. 19) при Q =0,21 .

Глава 4. Рассматриваются два примера, подтверждающих возможность эффективного использования ПТГЗ МЭИ при проектировании НА гидромашин с прогнозируемым улучшением показателей работоспособ-

- 15 -

Рис.15 Направление векторов • меридианной скорости в НА насоса ОПВ-2

■ иГ*» §1

ф . / ' «У/ / /

1 1 < / Г А» У /Г

'.а

Рис.17 Фрагменты ной про насоса

га меридт ной проекции и плана НА зса ПЭ 500/180

иан-

РисЛб Изменение эпюр скоростей на сред-сечении по высоте лопатки НА насоса " "

£

| 1

/Г 1 |\

9 I |

Рис.13 "змененке профчльнь-х циркуляций по высоте НА насоса ПЭ 500/180

------

Рис.19 Фрагменты меридианной проекции и плана выправляющего аппарата меногосекционного насоса.

Рис.20 Эпюры скоростей на профилях лопатки выправляющего аппарата многосекционного насоса

ности и качества.

Разработана модификация НА насоса ОПВ-2 с улучшенными энергетическими свойствами при практическом сохранении циркуляции за решеткой. На рис. 21 показаны два предельных цилиндрических сечения лопатки с номерами I и 10 в координатах С/ - У . Сплошные линии - исходная геометрия, пунктир - скорректированная. На рис. 22 и 23 даны эпюры V и ...одуля касательного напряжения для

среднего сечения 5. Видно, что указанное изменение геометрии входных участков лопаток НА привело к преимущественному снижению 1Г и в зоне их наибольших значений, что и привело к достижению желаемого эффекта. Так, для коэффициентов тренйя Лг получены значения: 2,3-10~2 для исходного варианта, и 1,9*Ю~2 для модификации при сохранении циркуляции за НА.

Здесь коэффициент трения определяется по выражению

где момент трения, - плотность жидкости, - проекция касательного напряжения на стенке на окружное направление, ¡Р - радиус текущей точки интегрирования, ¿Зо - поверхность трения. включающая поверхности лопаток и обводов в пределах межлопаточного канала.

Далее осуществлена модернизация направляющей решетки центробежного насоса, меридианная проекция которой и элементы плана изображены на рис. 24. Ставилась задача для расчетного режима (Р а- II , й =0,03, 2 =7) достигнуть снижения | П>\ при одновременном возможном уменьшении потерь трения Ы . Как следует из рис.24, была скорректирована лишь геометрия стороны лопатки, т.е. части ее поверхности с повышенным уровнем ^ и ^ для данного режима течения. Такой вариант модификации был получен как итог достаточно трудоемкого машинного эксперимента. Видно, что оо стороны на входном участке кривизна контура оказалась несколько увеличенной, а.при переходе к диффузорной части - наоборот.

В качестве примеров влияния указанной корректировки на гидродинамику потока на рис.25 и 26 представлены эпюры 7-г и 7* для среднего профиля лопатки НА. В соответствии с характером корректировки геометрии на стороне 7/" и на входных участках профиля повысились и снизились к выходу. Наиболее существенным оказалось понижение 1Г и Т^ на стороне что связано с отте-

^

5 *

з г

\

&г

Р.Ю.21 Коррекция геометрии профилей осевого насоса

— Модифика:'/: -- нсх.геомет;

Р;:с .22 Зпюры скоростей на контуре среднего профиля лопатки НА осевого насоса.

исх.геометрии модификации

Рис.23 Эпюры касательных напряжений на профилях лопатки НА осевого насоса.

"модификация Мг

Рис.24 Фрагмента исходной и модифицированной геометрии НА центробежного насйса.

исх.геометрия дия

Г*1С.25 Эпюры скоростей на профилях исходной и модифицированной лопатки НА центробежного насоса

-«

\ —йсх.геоме -*-мод|ф(ка1

\

\ _7

ъ к <

4-

Рис.26 Распределение касательных напряжений на профилях лопаток 4 сравниваемых НА центробежного насоса

- 1С-

снением потока к поверхности

Интегральные параметры тлеют следующие значения:

- для исходного варианта}/¿1=6,54, Ьт =0,23;

- для модификации ¡/¿} =5,6, /)г =0,21 .

Подведены некоторые итоги исследований и сформулированы рекомендации, которые целесообразно использовать при проектировании НА гидромашин.

Показано, что для турбины ПТД-60, а также ГТ других_типов, но близкой быстроходности, значения параметров 2 =24 и & =0,35 о энергетической точки зрения являются наиболее предпочтительными •в сравнении с теми другими их величинами, влияние на гидродинамику НА которых изучалось в настоящей работе.

В отношении НА насосов отмечается, что известны достаточно многочисленные и в целом обоснованные указания по наиболее целесообразному выбору конфигурации лопаточных отводов. Однако отдельные положения основываются на общих гидравлических соображениях без учета специфики пространственного обтекания таких решеток.

В настоящей работе на основе проведенных исследований указывается, что при проектировании лопаточных отводов насосов целесообраз-ио:

- стремиться к достижению возможно меньших значений за решеткой прямого НА, при соблюдении условий безотрывности обтекания в воз- . можно широком диапазоне режимов.работы;

- для НА осевых и диагональных насосов с прямоточным отводов рекомендуется обеспечивать значения (/¿|, не выходящие из диапазона 0 + 1% от | /71;

- на основе машинного эксперимента с использованием эффективных трехмерных методов расчета достигать:

а/ наиболее плавного изменения эпюр скоростей с возможно малыми градиентами вдоль координатных направлений на всех элементах обтекаемых поверхностей, быть может, за исключением окрестности выходных кромок;

. б/ такого распределения касательных напряжений трения на границах межлопаточных каналов, которые бы соответствовали геометрии о приемлемо малыми значениями потерь трения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения настоящей диссертационной работы получены следующие основные и имеющие новизну научные и практические результаты.

1. Из анализа предшествующего опыта расчетно-теоретических исследований и проектирования фиксированы достигнутые результаты и сформулированы актуальные задачи дальнейшего совершенствования лопаточных аппаратов гидротурбин и насосов.

2. Показано, что эффективным средством решения научно-практических задач в данной предметной области является применение трехмерного гидродинамического метода МЭИ расчета лопастных систем гидромашин.

3. Установлен высокий уровень согласования результатов расчетов по ШГЗ МЭИ обтекания НА гидромашин с известными экспериментальными данными на режимах, близких к оптимальным.

4. Изучены особенности пространственных течений в радиальном НА быстроходной диагональной гидротурбины 1Щ-60. Для таких НА показано, что иглеет место заметный уровень трехмерности течения

не только в области изменения направления движения жидкости от радиального к диагональному(или осевому)в окрестности периферийного обвода, но и по всей высоте лопаток решетки.

5. Малинным экспериментом подтверждена наиболее вероятная оптимальность значений числа лопаток и высоты НА турбины 1Щ-60,-выбранных ранее на базе богатого расчетного и экспериментального материала в данной области.

6. Установлено, что для лопаточного отводящего аппарата осевого насоса ОПВ-2 точение, при его общем пространственном характере, обладает тем свойство:,",, что применение здесь квазитрехмерных методов описания обтекания может дать вполне удовлетворительные, результаты.

?. Для НА тихоходного центробежного насоса показан высокий' уровень поперечных скоростей в окрестности выходных кромок вблизи обводов межлопаточного канала, а также значительная неравномерность профильных циркуляция по размаху лопатки.

8. Подтверждена достаточная эффективность применения ШГЗ МЭИ при реализации машинного эксперимента с целью прогнозируемого улучшения основных показателей решеток НА. Получены модификации лопаточных отводов осевого и центробежного наоосов, для которых прогнозируются повышенные энергетические качества.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Моргунов- Г.М..Зайдан Г.Аналил особенностей обтокания неподвижных ропеток гидремзшн на оснопе решений прллой трехмерной гидродинамической задачи М^И.-Респ.научн.-техн.конф.-Тез.докл..г.Харьков,

1991, ч,2.