автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Исследование и совершенствование характеристик круговых сопловых решеток судовых (корабельных) малоразмерных турбин

Р Г 5 ОД I

Дальневосточная государственная морская академия

I п ».¡.,' I

I

На правах рукописи

Погорелов Михаил Васильевич

Исследование и| совершенствование характеристик круговых сопловых решеток судоеых (корабельных) малоразмерных турбин

05

Специальность

судост;

.08.04 - технология и организация роения и судоремонта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации| на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 1995 г.

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техничес

ком университете.

Научный руководитель : профессор, член международной акаде мии наук нетрадиционных технологий Подсушный A.M.

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессс Ильин А.К., кандидат технических наук, доцент Резник А.Г.

Ведущая организация - Дальневосточный научно-исследовател! ский, проектно-изыскательский; и конструкторско-технологичесга институт морского флота (ДНШМФ).

Защита диссертации состоимся 49 1995 г. Е

часов на заседании специализированного совета К 101.05.01 в Дальневосточной государственной морской академии по адресу

690059, г.Владивосток, ул.Верхн - - - С диссертацией можно озк

впортовая, 50-А, ауд. 241. акомиться в библиотеке академии.

чатью, просим направлять в адре демии.

Отзыв на автореферат в двух экземпрярах, заверенный пе

с специализироЕИШГ0Тга~совета акг

Автореферат разослан

995 г.

Ученый секретарь специализирован» кандидат технических наук

овета

Копьев Д.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. МаЛОрЗЗМерНЫв ТурбИНЫ ЯВЛЯЮТСЯ НЗДеЖНЫ-ми, высокоскоростными, малогабаритными приводами различных arpe- ; гатов. устройств и инструментов. Практика создания и использоеэ- 1 ния малоразмерных осевых ступеней настойчиво выдвигает задачи повышения эффективности работы осноеных элементов проточной части с одновременным упрощением технологии производства лопаточных аппаратов и ступени в целом. Достаточно отметить, что КОД осевых ступеней, применяемых в настоящее Еремя, в осноеном, не превышает 20 %, а процесс изготовления лопаточных аппаратов решеток очень ; трудоемкий и сложный.

Очень важное значение в одно - или двухступенчатом вариантах малоразмерных турбин приобретает эффективность работы решетки 1 соплоеого аппарата, так как весь перепад давления ( или почти \ весь) срабатывается в ней. Повышение эффективности работы сопло- j вой решетки малоразмерной турбины на 10% приводит к увеличений КОД Есей ступени также на ю%.

В малоразмерных осевых ступенях используются круговые реактивные решетки, состоящие из коротких аэродинамических профилей, чаще - из цилиндрических прямолинейных каналов постоянного сечения или из плоских лопаток постоянной высоты. Малые размеры проходных сечений таких сопл, большая неравномерность потока течения j в них, толстый пограничный слой, относительно большая толщина вы- 1 ходных кромок лопаток делают невозможным разделение потерь на составляющие,а значит, не позволяет достаточно полно отразить xa- ! рактер рабочего процесса е соплоеых каналах. Это порождает трудности в анализе повышения КПД соплоеого аппарата. Учитывая эти особенности, можно рассматривать только суммарные потери в соплоеых решетках.

При аналитическом методе определения суммарных потерь принято считать, что течение в микросоплах аналогично течению в соплах полноразмерных турбин. Однако очевидно, что особенности мик-роканзлов не позволяют использовать существующие методы расчетов без учета их степени точности, определенной в сравнении с опытными данными, полученными для соплоеых решеток, если эти малоразмерные решетки отличаются формой сопел.

ГГпа лЛлрилооииплл тттхаиоит;а ма ттгтаом^'пит.тл'' пгмтпптэит пла ouv

yi-^it i uv^ijnuuuiiuvi w_n^xmujttuujm i'iuiiiu^iuuwy^uaA ljl.»Л W V ■-/ ____

решеток, составленных из аэродинамических и плоских лопаток, вы-

полненных по традиционной и упрощенной технологиям, необходт теоретические и экспериментальные данные, позволяющие произвес: оценку методов расчетов основных характеристик сопоставляемых сс пловых аппаратов.

ц&ль работы. Анализ расчетно-теоретических методов опредс ления основных характеристик малоразмерных осевых сопловых рс шеток с экспериментальными данными в сопоставимых условиях. Полз чение сравнительных экспериментальных данных для соплов! аппаратов, составленных из плоских и аэродинамических лопато! имеющих различные углы выхода каналов из решетки при различи-режимах работы. Получение опытных коэффициентов и разработ^ рекомендаций по практическому применению и совершенствованию мш

методы исследования.Расчетно-таоретическое определение эне] гетических,_расходных-и кинематических характеристик соплоеых ~а1 паратов, составленных из разных по форме сопел методами, осноез! нами на дифференциальном варианте решения ¡задачи. При этом зада' для микросопел решается ДЕумя путями: | когда коэффициент тр< ния е каналах определяется по характеристикам пограничного слоя посредством решения уравнения Дарси-Вейсбаха. Дренирование торц< вых поверхностей соплоеых кзнзлое с различной геометрической фо] мой. Опытная продувка круговых соплоеых решеток на экспериме! тальном стенде и определение действительных характеристик иссл! дуемых решеток.

Научная новизна. ПОЛуЧвНЫ Экспериментальные зависимости О' новных энергетических, расходных и кинематических характерист: соплоеых аппаратов от осноеных геометрических и газодинамическ: параметров. Выявлена реальная картина течения потока в соплое: каналах с суживающимся и постоянным сечением. Определена степе: сходимости экспериментальных и расчетно-теоретических результ тое. Предложена обобщающая характеристика реактивных- решеток, о _ ражающая. канедтао^рмы_сшла_,____:______ . ..

Практическая ценность. РвЗуЛЬТЗТЫ рЗбОТЫ МОГУТ бЫТЬ ИСПОЛ

зоеэны для оптимального Еыбора осноеных геометрических и режимн параметров соплоеых решеток осевых малоразмерных турбин. Они пр

дставлены в евдэ основных зависимостей ^ =/(М1ад), ц = /(М1ад), а15ф = /(М1ад ), Мдр = /(М1ад ) для каждого типа исследуемых соп-лоеых аппаратов. С помощью комплексной характеристики, выражающей приведенный момент м^ , можно быстро и надежно определить качество сопловых аппаратов с суживающимися и постоянного сечения каналами е широком диапазоне режимных параметров. Используя еыяе-ленную неравнозначность картины течения в соплах разной формы, выработаны методы повышения КПД для заданных условий работы.

Внедрение работы в промышленность. ПолучеННЫб результаты

нашли применение для разработки сопловых лопаточных аппаратов осевых малоразмерных турбоприводов различных агрегатов и устройств (турбофреверные и турбосЕерлильные агрегатные голоеки, турбсшлифовальные машинки, турбоэмульгатор судоеых топливных систем). Предложено новое техническое решение: конфузорно-диффузор-ная решетка для судовых реверсивных ГТД. Конструкции и механизмы внедрены на А.О.ДальзаЕоде, А.О.Эре, в|А.О.Приморкрайстрой.

автор защищает. Обоснование выбора расчетных методов определения потерь энергии, расхода и угла выхода потока из решетки в сопловых микроканалах с разной геометрической формой. Результаты расчетов и экспериментов по определению потерь энергии, расхода и угла еыходэ потока из решетки при различных углах установки лопаток в широком диапазоне режимных параметров. Результаты анализа расчетов и экспериментов. Принцип работы конфузорно-дифузорной решетки судового осевого реверсивного ГТД.

Апробация работы. Вопросы, рассмотренные е диссертации, обсуждены е докладах на Всесоюзном координационном совещании, (г. Винница, 1983 г.), отраслевой научно-технической конференции по по судовой энергетике, (г.Владивосток, 1985 г.), научно-технической конференции ДВПИ, (г.Владивосток, 19ВЗ г.), юбилейной научно-технической конференции ДВГТУ,( г.Владивосток, 1993 г.).

Основные публикации. РеЗуЛЬТЭТЫ рабОТЫ ОПубЛИКОЕЗНЫ И ИЗЛО-

:кекы е 4. печатных работах, 2 отчетах по НИР. Получено авторское свидетельство на новое техническое решение в области судоеого турбостроения•

- б -

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введет« семи'глав, выводов, содержит машинописного текста, 1С

иллюстрации, 5 таблиц, список используемой литературы, включаищ 68 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

введение посвящено обоснованию актуальности работы, сущнос1 и практической ценности диссертации.

в первой главе рассмотрена состояние вопроса по исследован» соплоеых аппаратов малоразмерных турбин (МРТ) осевого типа. Стг еятся задачи исследования. Обзор литературы показал, что самостс ятельное направление малоразмерные турбины получили за последни 20-25лет, когда микроэнергетика -стала неотъемлемой частью некс торых технических устройств и технологических производств. Ml имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами приводов (не пример, перед электродвигателями и пнешомоторами) как бортоЕЬ приводы Еысокооборотных механизмов, так как массогабаритные поке затели МРТ имеют высокую техническую конкурентоспособность, i следует, однако, полагать, что малоразмерный турбоприЕод значу тельно потеснит традиционные типы приводов, альтернативно сущес твужшие в различных областях техники.

Однако, наряду с преимуществами, рассматриваемый класс тур боприЕодов имеет и некоторые недостатки, к которым относятся не достаточный крутящий момент на Еалу отбора мощности, высокие ог тимальные частоты вращения ротора, низкий внутренний КПД ступеш Все они преодолимы, поэтому малоразмерный турбоприЕод молет найт дальнейшее широкое применение в различных отраслях техники.

В настоящее время применяются одноступенчатые или двухсту пенчатые варианты осевого малоразмерного"турбопривода. Весь ш почти весь перепад давлений в них срабатывается в соплоеой ре шетке. Очевидно, что при такой организации рабочего процесса проточной части турбины очень Еажное значение приобретает зффек тиеность работы соплоеого аппарата (СА). В зависимости от назнг чения, реязмоЕ работы и технических возможностей приводимого ме ханизма, ступень турбины, как правило, работает при неоптимальны

условиях. Рабочие режимы ступени определяются также возможностью источника сжатого воздуха или аккумуляторными свойствами бортовых газовых емкостей. Для активной ступени МРТ сопловые каналы играют существенную роль в работе.всего турбопривода в целом.

• За последние-15^2©-^1ет-далуч8Ш—теоретические-и экспериментальные результаты по исследованию работы некоторых сопловых каналов микротурбин. В осноеном данные этих исследований касаются реактивных решеток для центростремительных турбин. Подобных экспериментальных данных для осевых МРТ почти не встречается в доступных литературных источниках.

Эффективность работы соплоеых аппаратов с различной формой каналов экспериментально определялась С.Аверкиевым по внутреннему КПД ступени осеЕой МТ. Для диапазона чисел Маха, равном 0,9 - 1,8 внутренний КПД ступени получен: 0,41 - для ступени с СА, имеющим цилиндрические прямолинейные сопла;0,407 - для ступени с СА, имевшим прямоугольного сечения каналы типа Лаваля и 0,37 - для ступени' с СА, имеющим прямоугольного сечения суживающиеся сопла.

В авиакосмической академии им. С.Королева А.Наталевич разработал методику расчета коэффициентов потерь скорости и расхода для суживающихся прямолинейных и слабоизогнутых микросопел по характеристикам пограничного слоя.

Известны методики по раздельному расчету каждой составляющей суммарной потери в микросоплах.Они полностью построены на использовании зависимостей, принятых для полноразмерных сопел. Такие зависимости создавались на основе математических уравнений, с последукшцш-уточнением-и^-экепериглентомт-^ущеетвующие -отличия-малоразмерных решеток не позволяют с достаточной достоверностью использовать эти данные для расчетов каналов малоразмерных СА без утешения экспериментального характера. Очевидно по той же причине нельзя использоеэть для этой же цели результаты продуЕок полноразмерных соплоеых решеток.

В технической литературе экспериментальных данных по продувкам СА для МРТ встречается недостаточно. В опубликованных источниках такие материалы, как правило, представляются без приведения з сопоставимые условия и детального анализа, что ограничивает их применения е расчетных методиках.

Данная работа посвящена исследованию осноеных характеристик круговых осевых решеток с соплами, образованными плоскими лопатками и аэродинамическими профилями типа "Б".

- а -

Задачи исследования следующие:

1. Экспериментально получить картину течения в сопловых кг налах постоянного прямоугольного сечения и суживающихся сопел.

2. Численными и экспериментальным методами исследовав зависимости осноеных характеристик сопоставляемых СА от осноень конструктивных и газодинамических параметров.

3. Сравнить экспериментальные зависимости с расчетными. Пс лучить удобные для практического использования энергетические расходные и кинематические данные в широком диапазоне изменен! режимных параметров.

4. Выработать пути совершенствования сопловых каналоЕ дг осевых МРТ и дать рекомендации по практическому применению nojj ченных данных.

во второй главе представляется; ЕЫбор объектов исследования рабочих параметров, численных методов расчетов потерь энергии расхода в сопловых решетках. Для исследования выбраны СА с наруз ным диаметром"диска равным :60 мм, с полным впуском, состэЕленнь из плоских прямолинейных лопаток, образующих соплоЕые каналы пос тоянного сечения (каналы первого типа) и аэродинамических профи лей типа"Б".образующих суживающиеся каналы (каналы второго типа) Оба типа сопловых аппаратов имеют высоту лопаток з мм. В качеств постоянных геометрических параметров приняты диаметр СА, горле вое сечение единичного сопла,углы Еыхода сопел из решетки, шириг решетки.

Рабочие параметры выбраны в диапазоне, соответствующем услс виям работы судовой (корабельной) пневмосети низкого давления усредненным параметрам бортоЕЫх источников сжатого Еоздуха окег нологических и транспортных энергетических установок, ззеодскс сети сжатого воздуха.

Учитывая очень сложный характер рабочих процессов, протекак тих в каналах СА МРТ, принятые методы их расчетов базируются к предположении одномерного течения при безотрывном обтекании лопе ток решеток. В настоящее время в теории расчетов микросопел при меняются дав физические модели, каждая из которых е той или инс степени учитывает реальные процессы, сопровождающие течения кое фузорного потока. Одна из моделей движения потока в микросоплг представляется как течение на начальном участке трубы. Согласк этому е теории микротурбин существует интегральный метод расчет

потерь энергии и расхода в прямолинейных и слаооизогнутых сопловых микрокзналах. Другим представлением о течении в микросоплзх является течение, аналогичное движению потока на основном участке труси эквивалентного гидравлического диаметра.

В балансе общих потерь потерю энергии кз трение в каналах можно определить тадиционным способом по характеристикам пограничного слоя или с помощью коэффициента трения для эквивалентных по гидравлическому диаметру шероховатых труб. Остальные составлявшие потери определяются отдельно, а полученные численные величины суммируются. Исходя из этого, перед конструкторами встает вопрос о том. какая физическая модель и, соответствующая ей, расчетная схема наиболее полно отражают реальные физические процессы, протекающие в сопловых каналах особых МРТ.

Следует отметить, что использование для расчетов потерь энергии и расхода в малоразмерных сопловых решетках данных, полученных для полноразмерных сопловых кана!лов неправомерно, так как малоразмерные сопловые решетки не подобны полноразмерным по ряду важнейших геометрических и режимных параметров.

Для сопоставления методик теоретических расчетов потерь энергии и расхода е СА, имеющих разные формы сопловых кзнзлое, при-ЧЫ™Ы I *

1. Метод, когда коэффициент трения определяется через характеристики пограничного слоя, а модель течения потока в расчитываемых каналах аналогична течению в начальном участке трубы.

2. Метод, когда коэффициент трения определяется по уравнению Яарси-Вейсбаха, а модель течения потока в канале соответствует

wOTTQUTftA UQ Г\ПиГ\Г,иГ\У11 UTTCtfT'VO rpTHrrtt-T

I'jlli.iJ ¿¿<-i UUuWiJilUill J lublll.>j A £JJ ■

в тгетьеп главе дан анализ интегрального и дифференцирован-нсго методов определения потерь энергии и расхода в сопловых каналах

Теоретическое обоснование интегрального метода расчета основывается на известном уравнении импульсов. Применительно к сопловым микроканалам оно тлеет вид

(1)

скорость элемента

: потока; М - число Маха; г - гидравлический радиус канала; т0 напряжение трения; ри - плотность элемента потока; х - координат вдоль обтекаемого тела; Н - характеристика отношения (толщины пс тери площади вытеснения к толщине потери площади импульса).

Суть метода заключается в определении характеристик погранич ного слоя микроканалов посредством задаваемых параметров потока а именно: скорости в сечениях, закона изменения напряжения трени на стенке, изменения давления вдоль стенки канала. Расчет Еедетс методом последовательных приближений в нескольких сечениях, и разработанному алгоритму для микросопел определенной формы. Рас | считав характеристики пограничного слоя, определяются потери им | пульса и вытеснения, через которые рассчитываются коэффициент | скорости и расхода.

! Низкие числа Рейнольдса потока в микросоплах увеличивай неравномерность распределения скоростей по сечению канала. Мала абсолютная—высота лопаток—сопловых—решеток—приводит - к~ смыкани пограничного слоя и взаимодействию вторичных течений. Кривизн каналов в меридиональной плоскости и сверхзвуковое течение порож дают условия для отрыва потока от стенок в области:косого среза Относительно толстые Еыходные кромки лопаток существенно влияк на течение в косом срезе и величину угла выхода потока из сопел Отсюда важно учитывать все особенности и потери!в микросопла с учетом режимных параметров работы. Наиболее целесообразно, ког да каждая составляющая потеря определяется отдельно,исходя из ус ловий режимных параметров.

~ Цр + ^кон + Скр + ^в + ^е.Ь. + Сзаз (2

где - суммарные потери е решетке; СТр - потери хрения; Скон концевые вторичные потери; СКр - кромочные потери; СЕ - еолноеы потери; Ср ь - потери связанные с малыми поперечными сечениям сопловых каналов; С_а„ _ потери на выравнивание потока в зазор за решеткой.

При дифференцированном методе расчетов по формуле (2), поте

слоя "или по^известной-фсгрмуле-Дарси-Вейсбзха".-

= (?.т/4) • (Ь/аэ)

где L - длина ссзплоеого канала; А,, гидравлического сопротивления; d3 диаметр сопла.

- безразмерный коэффициент эквивалентный гидравлический

Определение характеристик пограничного слоя методами, предложенными, к примеру, Л.Лойцянским, Л.Канихманом или Н.Марковым, в известной мере проблематично для расчетов микросопел, так как при этом необходимо тлеть достаточно достоверные ( а не задаваемые) данные параметров потока обтекающего лопатку. Для прямолинейных и слаооизогнутых микросопел характеристики пограничного слоя определяются по уравнению импульсов (1) в данном виде предложенном А.Наталевичем. Оно описывает частный случай установившегося деи-жэния" пограничного слоя и течеш!е 'патокз~Е1жпфОкэнзле~"знзлогич-~ кого течению на начальном участке трубы.

Формула (3) позволяет с достаточной для практики точностью :рассчитать потери на трение с учетом характера движения потока, :шероховатости лопаток и их геометрических параметров.

Остальные составляющие формулы (2) определяются по известным ;из теории технической газодинамики формул с их коррекцией приме-j нительно к соплам MPT. !

Коэффициент расхода сопоставляемых решеток определяется чет-jрез коэффициент скорости и коэффициент восстановления полного давления по известным из теории турбин соотношениям.

Р„ / Р

°са=

О

<4-

- (pi/P0)

к

jk-1

(4)

V—■I

л I

^са = ^са • °са , • (5)

где Р0 - давление перед соплоеой решеткой; Р1 -давление за срезом реже тки ^""коэффициент скорости соплоеой решетки гк """ = 1

Угол еыходэ потока а1Эф из сопел решетки определяется по формуле, учитывающей повышенное относительное значение выходных кромок лопаток соплоеого аппарата.

в четвертое главе описывается экспериментальная установка измерительный стенд, методика проведения экспериментальных работ Эксперименты проводились на установке, работа которой основана н взвешивании количества движения потока, выходящего из соплоео: решетки, при помощи измерения крутящего момента посредством коле са-ловушки с осевым выходом. Схема измерений и приборы обеспечи Еают замеры необходимых локальных и интегральных параметров с до статочной для экспериментов точностью. Оценка погрешностей измеряемых параметров проведена на основе анализа ошибок. Расчетна, обработка результатов выполнена на вычислительной машине типа Эр.

2 42 0.

в пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований. Дренирование торцевых поверхностей исследуемых канало: показывает, что принятые представления о течении гэзоеого поток;

3 соплах постоянного сечения¡не совпадают с экспериментально полученными. (Рис. 1). Движение потока в них имеет несколько участков, отличающихся друг от друга сеоим характером течения. Первш участок - когда отношение р|/Р^ изменяется от начального д< критического и ниже, в зависимости от рабочих чисел Маха. Здес: течение потока имеет конфузорную схему. На втором участке - те чение соответствует законам течения на осноеном участке труб. Б видимому, здесь поток не испытывает существенного влияния еязкос ти. На третьем участке сопла|происходит сброс давления в потою за счет расширения в косом срезе. Кривизна сопловых каналоЕ, об разованная тем, что верхняя торцевая стенка является вогнутой, нижняя выпуклой, приводит к возникновению разницы величины ста тического давления в одно1шенных точках одного и того же канала Это указывает на влияние поля центробежных сил на схему течения.

При околозвуковых режимах течения на Еыходе из сопел обра зуются "зоны с отрицательным отношением"" Р./Р^Г"что указывав1 на локальные участки обратных и отрывных течений в области косоп среза. 1

г I

Критическое сечение в соплах первого типа смещается навстреч движению потока тем больше, чем меньше угол установки каналоЕ : решетке, з для решеток с фиксируемым углом выхода смещение уменьшается с увеличением числа Маха. Смещение областей ' критически давлений на торцееых стенках одного и того же канала - различно.

Рис. I. Распределение ?\ / Pono длине . Рис. 2. Распределение P¡/ Р?по длине

сопловых каналов С:- 15. сопловых каналов С-9015Б.

1 - эксперимент

2 - расчёт

м1йа.

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

Рис. 3. Совместные характеристики о^(э<р.=</* (М,ад.) (расчётные-1 и опытные-2) для решёток составленных из плоских лопаток.

ы

28

24

20

16

12 0

1Эф.

1 - эксперимент

2 - расчёт

С-9012Б ■С-9015Б С-9018Б

м1аа.

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

Рис. 4.

Совместные характеристики = 1/ (М,аа.) (расчётные-1 и опытные-2) для решёток составленных из профильных лопаток.

Результаты дренирования торцевых стенок суживающихся сопел показаны нз рис. 2:

1. Поток имеет конфузорную схему течения, аналогичную той, которая имеет место в однотипных полноразмерных соплах паровых и газовых турбин.

2. Критическое сечение не совпадает с горловым, а области критических давлений на корнееой и периферийной стенках: единичного сопла смещаются в различной степени, зависящей от угла выхода реыетки и рабочих чисел Маха.

3. Кривизна сопловых каналов в вертикальной плоскости влияет нз распределение величины статического давления на торцевых стенках в одноименных точках.

Сравнение результатов дренирования показывает, что при равных режимных параметрах форма соплоеого канэла определяет схему течения потока в нем. Смещение критических сечений у сопел постоянного сечения большее1, чем у суживающихся сопел.

Криволинейность мйкросопел в продольной вертикальной плоскости приводит к диффузорным участкам течения (при М1ад =1,1) в выходной области канзлр, в районе косого среза. При сверхзвуковых режимах течения потокз| на участке косого среза диффузорное течение вероятно приводит)к образованию отрывных зон от корневой цит линдрической поверхности соплового канала.

Результаты опытных данных показывают, что при одних и тех же режимных параметрах и углах выхода из решетки, значение величин зон отрыва у суживающихся сопел примерно в два раза Еыше, чем у сопел постоянного сечения.

Как показывают эксперименты, угол дополнительного отклонения потока е косом срезе решетки у сопел постоянного сечения "меньше, чем у сопел суживающегося типа примерно в 1,2 - 1,5 раза при значениях чисел Маха равном 1,6-1,7-(Рис.з и 4). Для решеток,составленных из плоских лопаток, при околозвуковых числах Маха действительный угол меньше, по сравнению с заданным, примерно до 2°. Объясняется это тем, что у плоских лопаток относительно толстые выходные кромки.В диапазоне чисел Маха 1,48 - 1,68 действительный угол выхода потока хорошо совпадает с расчетными значениями. При '"1ад ~ величина перерасширения на участке от горла до

среза решетки изменяется, давление за кромками меняется, появляются отрывные течения. Поток дополнительно непрерывно отклонятся в косом срезе.

При М1ад * 1,1 у решеток, составленных из аэродинамических профилей, действительный угол, наоборот, превышает геометрически заданный-примэрно-до 2°.—(-Рис-.-+Ь—По-мере-возрастания -числа -Маха дополнительное отклонение потока в косом срезе монотонно возрас-тз^ т \

Экспериментально полученные результаты характера изменения суммарных потерь энергии для решеток первого и второго типое с однозначными углами выхода сопел и при сопоставимых режимных параметрах показывают, что их характеристики не однотипны. (Рис.5 и 6). Оки тлеют неодинаковый закон изменения, а количественное значение их несопоставимо. Это об"ясняется различной схемой течения е рассматриваемых каналах и, в зависимости от режимных параметров, неравнозначной интенсивностью влияния каждой составляющей потери.

Полученные данные показывают, что суммарные потери зависят от геометрической формы межлопаточных каналоЕ, угла Еыхода сопел из решетки, рабочих чисел Маха.

Значение опытного коэффициента расхода для Есех сопел постоянного сечения с -увеличением числа Маха от 1,0 до 1,7 увеличивается до 2%, а у сопел суживающегося типа возрастает до 5%. (Рис.7 и 8). Объясняется( это законом пропорционального изменения расхода с увеличением начального давления перед решеткой при сверхкритических перепадах.1 Экспериментальные расходные характеристики для сопоставляешх-СА^-в-вблас-ти-заданных-режимны-х—параметров, - -количественно почти соответствуют друг другу в области заданных режимных параметров.

Для оценки качества исследуемых типов сопел принята комплексная величина, характеризующаяся приведенным моментом решетки

йпр = ^1,а1эф . 16 >

где ф - опытный коэффициент скорости соплоеого аппарата; ц -опытный' коэффициент расхода соплового аппарата; а1Эф - действительный угол выхода потока из сопел решетки.

Здесь исключено влияние на принятую характеристику площади сечений СА параметров Р* , Т* и г, следовательно он действительно характеризует качество (потери, пропускную способность,отклонение в косом срезе) сопловой решетки.

Сравнение сопел по приведенному моменту в сопоставимых услб-

Рис. 5. Совместные характеристики 2г = У (М)0д.) для решёток, составленных из плоских лопаток.

51 0,28

0,26 0,24 0,22 0,20

0,18 0,16

0,14

0,12 0,10 0,08 0,06

0,04 -0,02.

0 '

.а) расчётные характеристики

I

б) экспериментальные

А

2 /

У

--:— С-9012Б

---- С-9015Б

----- С-9018Б

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

Рис. 6. Совместные характеристики 32 = Уш<аэ) для решёток составленных из профильных лопаток.

а) расчётные характеристики

б) экспериментальные характеристики

С-12

----С-15

-----С-18

а) расчётные характеристики

-0,85.

0,83

0,81 0,79

МюЗ

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

Рис. 7. Совместные характеристики |1 для решёток составленных мз плоских лопаток.

0,77 -0,75 -■ О

б)"экспериментальные характеристики

>

--- С-9012Б

---- С-9015Б

----- С-9018Б

М10з.

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 : 1,7 Рис. 8. Совместные характеристики |Л|=^(М,0а) для решёток составленных из профильных лопаток.

виях показывает, что каналы, составленные из плоских лопаток,имеют более низкое качество (в среднем на 2Ъ%) по сравнению с каналами, составленными из аэродинамических профилей. (Рис.9 и Ю).

° iL'ecToi'; главе произведено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Описываются некоторые пути совершенствования соп-лоеых каналов малоразмерных ' решеток осевых турбин. Сравнение изменений дополнительного отклонения потока в косом срезе, определенных экспериментальным и расчетным путями, показывают,что количественное несовпадение сравниваемых значений для каждой исследуемой группы сопловых аппаратов различно.

Для решеток с плоскими лопатками наблюдается наибольшее несовпадение при звуковых числах Маха. Оно достигает г". (Рис.3). Причем, по сравнению с геометрически заданными, опытные значения ■ тлеют меньшие величины углов. При М1ад = 1,52 - 1,68 экспериментальные и расчетные криЕые сходятся,после чего приращение опытных данных более интенсивное,•чем расчетных, - оно достигает 1° при М1ад = 1'7-

Для решеток с аэродинамическим профилированием лопаток количественное несовпадение наблюдается уже при зеукоеых течениях.

(Рис:41""Пр1г-этом-опытные-знз,-1ения-раеполагаютея-Еыше--теоритичес-----

ких до 2°, а при М1ад = 1,7 - до 7°.

Сопоставление полученных опытных и расчетных зависимостей изменения суммарных потерь энергии в функции числа Маха для решеток, составленных.из плоских лопаток, показывает их несовпадение как по качественным, так и по количественным признакам.(Рис. 5). Теоретические значения коэффициента потерь энергии расположены в области более высоких значений на 9..-18%, чем опытные при тех же режимных парэметрах. Разница между результатам! расчетов суммарного коэффициента потерь, проведенных первым и вторым способами, составляет от 1,5% (при околозвуковых) до 4,0% (при числе Маха равном 1,7).Анализ сопоставления зависимостей изменения величины суммарной потери энергии в функции числа Маха для CA, составленных из аэродинамических профилей, показывает, что качественно экспериментальные и расчетные кривые также не совпадают. (Рис.6). Теоретические значения коэффициентов суммарных потерь не совпадают с опытными до 17%, а разница между результатами расчетов по первому и Еторому методами для этого типа CA составляет менее 1.5 -3 во всем диапазоне принятых режимных параметров.

Мса

- 20

Экспериментальные данные.

1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

Рис. 9.

Изменение Мса =f{U.^аЗ.) для решёток составленных из плоских лопаток.

Мса

! Экспериментальные данные

__.1,0__1,1 1,2 1.3 1.4 1,5__Х*6__1,1.8

Рис. 10. Изменение Мса =У(М<ад.) для решёток составленных из аэродинамических лопаток.

Несовпадение расчетных и экспериментальных данных обгоняется тем, что: 1. В расчетной схеме не учтены особенности течения в сопловых каналах прямоугольного постоянного сечения и неполностью учтены особенности течения в изогнутых микросоплах суживающегося типа,- 2. Использованием формул, применяемых при расчетах полноразмерных СА и отражающих относительно безотрывное (оптимальное) обтекание лопаток решетки. •

Качественное изменение опытных и расчетных характеристик зависимости ц = (М1ЭД) примерно совпадает для сопоставляемых решеток. (Рис.7 и 8). Теоретические значения коэффициента расхода в области заданных режимных параметров имеют более высокие численные значения, чем экспериментально полученные. В среднем для группы решеток с плоскими лопатками разница составляет от 1% до 16%, а для группы решеток с профилями - от 105 до 19%.

Численное несовпадение расчетных и опытных данных, вероятно, является результатом того, что в расчетных методах определения коэффициента;расхода не в полной мере учитываются низкие рабочие числа" РёйнольдсаТ неравномерность потока, влияние вторичных "течений на толщину вытеснения и законы образования толщины пограничного слоя в микросоплах с разной формой каналов.

Данные полученные в работе, позволяют произвести анализ, и на его основе наметить пути совершенствования соплоеых каналов кольцевых решеток для осевых малоразмерных турбин, что дает возможность повысить эффективность их работы.

Для решеток, составленных из плоских лопаток, можно предложить следующие конструктивные приемы выполнения сопл:

1. Выполнять скругленные под соответствующим радиусом входные кромки лопаток.

2. Осуществлять меридиональное профилирование канала по Есей длине за счет торцевой корневой стенки (или торцевых стенок).

3. Производить отсос пограничного слоя за счет эжекции потока из области участка смещения критического сечения.

Для решеток, составленных из аэродинамических профилей -следующие конструктивные приемы:

.Выполнение на боковых стенках аэродинамических профилей продольных микрозубчиков.

2.Выполнение на Еыпуклой стороне поверхности профиля лопатки, в области начала косого среза, ступенчатого уменьшения толщины профиля.

в седьмом главе приводятся основше технико-эксплуатационные данные созданных механизмов и устройств, где е качестве приЕодг применяются осеЕые малоразмерные турбины, у которых сопловые решетки выполнены с учетом .еыводов, полученных в данной работе, г также технические устройства, где применяются малоразмерные реактивные осеЕые решетки.

К наиболее перспективным механизмам из числа разработанные можно отнести:

- Турбодиспергатор для топливных смесей, у которого приводом является двухступенчатая осевая турбина с количественной регулировкой мощности.

- Турбошпиндельные (сверлильные и фрезерные) агрегатные головки, предназначенные для финишных технологических операций I металлообработке и е технологиях производства печатных плат ради-оэлектрШ1Ш~промыш1днност1г: длятатасг'толовок сконструировав одно- и двухступенчатая осеЕые малоразмерные, турбины с регулировкой мощности, производимой за счет специальной соплоеой диафрагмы.

Статические пнеЕмотурбосмесители, предназначенные для технологий сухой активации и гомогенизации цементно-золышх смесей, применяемых в производстве строительных материалов. В таких устройствах основным элементом является осевая реактивная решетка, выполняющая функцию преобразователя энергии сжатого Еоздуха е высокоскоростной закрученный поток (потоки).

Результаты исследований позволили создать ноЕое техническое решение: диффузорно-конфузорную решетку для реверсивной осеЕо! газовой турбины, что дает возможность глубокого регулирования режимов работы осевой ступени на прямом и обратном ходах транспортного средства, напри?,1ер, морских и речных судоЕ.

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально получен ряд основных сравнительных данных Т^характёризующих энергет1г^ские^Т^СХ0^^еТ~кинематическ11е I эксплуатационные качества сопловых аппаратов с каналами, составленными из плоских лопаток и аэродинамических профилей в сопоставимых геометрических и режимных параметрах.

2. Показано, что у соплоеых каналов постоянного прямоугольного сечения и сузкивавдихся прямоугольного сечения сопел разная 'физическая модель течения потока. При этом наблюдается смещение критического сечения ЕглуОь сопел в большей степени в каналах постоянного сечения, чем у каналов, составленных из профилей. Величина участка смещения критического сечения зависит от рабочих режимных параметров и угла выхода сопел из решетки.

3- Существующие методы расчетов потерь энергии и расхода рабочего тела показали ориентировочность полученных результатов в сравнении с опытными данными, которые яеляются наиболее достоверным!.

сттгспафпо

отклонению

4. Экспериментально подтверждено, что потери энергии, расхо-угол выхода потока из решетки и приведенный момент сопловых существенно зависят от формы соплоеых каналов, геометрического угла выхода каналов и рабочих чисел Маха. Дополнительное отклонение потока в косом срезе при одинаковых ¡числах Маха брльше у решеток, составленных из профилей, чем у реЬеток, составленных из плоских лопаток.

| 5. Экспериментальные данные по дополнительному потока в косом срезе исследуемых решеток первого типа практически срвпадзют с результатами расчетов. 1

6. Экспериментально получены необходимые графические зависимости для их практического применения при Еыборе и расчете сопл малоразмерных осевых решеток в области принятых геометрических и режимных параметров. I

7. По результатам проведенных исследований созданы и используются решетки соплоеых аппаратов для осеЕых малоразмерных турбин с повышенной эффективностью работы и создана конфузорно-диффузор-ная решетка для судовой (корабельной) осевой реверсивной газовой

j - 24 -

i . •!

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

i

1. Букус А.И., Шишкин И.Л., Погорелов .М.В., Богачев А.Н., Эм С.М., Борисевич В.В. Анализ основных конструктивных и технологических схем ручного пневмоинструмента и агрегатных малогабаритных пнеЕмотурбинных головок на газостатических подшипниках. / Тезисы докладов на Всесоюзном координационном совещании" Исследование и применение опор скольжения с газовой смазкой". -.Винница, 1983.- С. 81-82. i

| 2. Погорелов М.В., Фролов Э.Е., МатЕейчук А.Н. Некоторые пути роЕЫшения эффективности турбин. / " Вопросы повышения надежности и эффективности судовых энергетических установок1;: Тезисы докладов отраслевой научно-технической конференции. Владивосток: Изд. Дальрыбвтуза, 1985. j

3. Погорелов М.В., Матвейчук А.Н., Суворов Е.В. К вопросу ос определении основных энергетических характеристик сопловых круговых решеток малоразмерных турбомашин. / Труды XXX Юбилейной науч-но-т

зхнической конференции ДВПИ. Владивосток: ДВПИ, 1988J С. 136. 4. ПогорелоЕ М.В., Подсушный А.М.Некоторые сравнительные ха-зристики реактивных решеток малоразмерных турбин с различ-формами сопел. / Труды Юбилейной научно-технический конфе-

ракт ными

ренции ДВГТУ. Владивосток: ДВГТУ, 1993. С. 114-115.

j 5. A.C. 1192455 СССР, МКИ F 01 D 1/30. Реверсивная газовая турбина. /ФролоЕЭ.Е., Погорелов М.В., Другое В.Ф., | Коеков А.И.|// БИ N15, 1991- |

Подписано к печати 10.01.95. Усл.печ. 1,0. Заказ N555- Бесплатно.

Отпечатано в офсетной лаборатории ДВГМА. 690059, г.Владивосток, ул.Верхнепортовая, 50-А.