автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование рабочего процесса радиальных центростремительных микротурбин при низких значениях степени понижения давления

РГ6 од

2 Ь НОЯ 199"

На правах рукописи

Радько Владислав Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА РАДИАЛЬНЫХ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНЫХ МИКРОТУРБИН ПРИ НИЗКИХ ЗНАЧЕНИЯХ СТЕПЕНИ ПОНИЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.07.05 "Тепловые двигатели летательных аппаратов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 1 997

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С. П. Королёва.

Научный руководитель - доктортехнических наук, профессор Тихонов II. Т.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Емин О. Н. кандидат технических наук Михеенков Е. Л.

Ведущее предприятие: ВКБ РКК '"Энергия", г. Самара.

Защита состоится_с&ео^С- 1997 года в 10 часов в аудитории

209 корпуса 3-а на заседании диссертационного совета Д 063.87.01 Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королёва.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан нои^л— 1997 года.

Учёный секретарь диссертационного совета,

д.т.а., профессор А. Н. Коптев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Для привода бис |ро.\одны\ ашономных шрсшюи нательных шша-раюи и ряде случаев используются микротурбины (М'Г). имеющие низкие (меньше двух) степени понижения давления (пт). Часто это МТ, работающие от набегающего потока, например, МТ привода гироскопов систем управления ракет земля-воздух, воздух-воздух, некоторых типов ракет визуального наведения.

Широкое применение нашли МТ с низким значением 71т в турбокомпрессорах систем наддува двигателей легковых автомобилей.

До настоящего времени МТ, работающие при лт < 2, проектировались с использованием рекомендаций, полученных в результате исследования МТ при лт = 2...6. Полагаем, что ряд геометрических параметров МТ. работающих при 7гт< 2. имеет другие оптимальные значения, и их установление позволит поднять кпд ступени, что уменьшит размеры воздухозаборника летательного аппарата или снизит расход рабочего тела при заданной мощности. Поэтому исследования рабочего процесса МТ при малых значениях лт, направленные на поиск путей повышения их экономичности, являются актуальной научной и практической задачей.

Радиальные центростремительные микротурбины (ЦСМТ) наиболее просты в изготовлении, кроме того, при отступлении от расчётных режимных параметров их кпд уменьшается существенно медленнее, чем у других типов МТ. Поэтому для исследования при низких щ автор и выбрал ЦСМТ.

Цель работы -

повышение энергетической эффективности ЦСМТ при лт<2 за счёт установления наивыгоднейших значений геометрических и режимных параметров ступени.

Научная новнзна работы

Впервые при 7^= 1.05...2.0 экспериментально исследовано влияние на кпд ступени:

О формы профилей сопловых и рабочих лопаток;

И эффективного угла а, э^;

■ выходного лопаточного угла рабочей решётки р2л;

■ угла атаки /';

■ соотношения высот лопаток на выходе и входе в рабочее колесо (РК) И;

■ величин верхней и нижней перекрыш А, и Дн;

■ соотношения диаметров на выходе и входе в РК:

■ меридионального профилирования проточной части соплового аппарата (СА).

Разработан графоаналитический метод расчёта ЦСМТ при ят = 1.05...2.0, основанный на использовании подобия проектируемой МТ эталонной.

Практическая значимость ,

Получены данные по выбору геометрических и режимных параметров проточной част, позволяющие без существенного изменения конструкции ЦСМ I унеличип. ее кпд на 15...21) % (от.). Разработана меюдика расчёт ЦСМТ, дающая возможность определения наивыгоднейших значений геометрических и режимных параметров проектируемой ступени на заданные условия ГЙботыл исключающая последующую доводку.

Достоверность данных диссертации

обеспечивается сходимостью результатов многочисленных экспериментов, выполненных при различных условиях, а также тщательной тарировкой моменто-меров и текущим контролем за чувствительностью их весов.

Внедрение

Заключён договор со Специальным конструкторским бюро турбонагнетателей (г. Пенза) на разработку и испытания центростремительных малоразмерных турбин. Испытания с целью снижения материальных и энергозатрат будут проводиться на модельных ЦСМТ, при создании которых используются результаты настоящей диссертационной работы.

Предложения по использованию ЦСМТ в турбокомпрессорах для наддува двигателей легковых автомобилей Самарским аэрокосмическим университетом направлены руководству фирмы "Фиат" и АО "АвтоВАЗ".

Используемый при научном исследовании рабочего процесса ЦСМТ мощностью более 500 Вт турбино-воздушный тормоз внедрён в учебный процесс на кафедре теории двигателей летательных аппаратов СГАУ для проведения лабораторных работ по курсу "Теория и расчёт лопаточных машин".

Апробация работы

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Мусаткин Н.Ф. Радько В.М. Применение микротурбин в ручном пневмоин-струменте. // Материалы Всероссийской конференции "Гидропривод. Проблемы использования конверсионных разработок в машиностроении". Самара: ГПСО "Импульс". 1994. с. 45 - 46.

2. Радько В.М. Тихонов Н.Т. Обоснование целесообразности исследования радиальных микротурбин. // Тез. докладов Всероссийской конференции "XXI Гагаринские чтения". Москва, МГАТУ. ч. 2, 1995. с. 69 - 70.

3. Радько В.М. "Второе" дыхание. // В еженедельнике "Авто-М". Самара. Ди-марк-Самара. Ж> 17(53), 1996. с. 20.

4. Радько В.М. Тихонов Н.Т. Экспериментальное определение коэффициента скорости и угла выхода потока из радиальной сопловой решётки для турбо-

компрессора двигателя легкового автомобиля. // Тез. докладов VII Всероссийской научно-технической конфереции "Туполевские чтения" "Актуальные проблемы авиастроения". Казань. КГТУ. 1996.

5. 1'ад1>ко В.М. 1и\онои 11.1. Влияние эффективного ума на зкономичноиь центростремительной микротурбины. // Тез. докладов X Всероссийской

-конференции "Газйтурбинныс и комбинированные установки и'двигатели". Москва, МГТУ, 1996.

6. Радько В.М. Тихонов Н.Т. Особенности рабочего процесса в радиальных сопловых аппаратах малоразмерных газовых турбин при низких значениях степени понижения давления. // Материалы Международного симпозиума "Экология, авиация, техносфера - взгляд в третье тысячелетие". Рига, РАУ,

1996.

7. Радько В.М. Тихонов Н.Т. Влияние лопаточного угла на выходе потока из рабочего колеса на кпд центростремительной микротурбины при ят < 2. // Тез. докладов X Всероссийских Королёвских чтений. Самара, СТАУ,

1997.(находятся в печати)

Основные результаты экспериментальных исследований доложены на Всероссийской научно-технической конференции "XXI Гагаринские чтения" (Москва, МГАТУ, 1995).

Основные положения диссертационной работы "Исследование рабочего процесса радиальных центростремительных микротурбин при низких степенях понижения давления" по итогам 2-го Всероссийского конкурса грантов •молодых учёных России, организованном Воронежским отделением Российской академии естественных наук, удостоены поощрительной премии.

Личный вклад автора заключается в разработке программы и в проведении экспериментальных исследований. составляющих сущность данной диссертационной работы, а также в физическом объяснении явлений, обнаруженных в ходе исследований. Автором разработаны и созданы экспериментальные модели, усовершенствованы методики проведения эксперимента и обработки данных. На основании научного обобщения результатов исследования рекомендована методика расчёта ЦСМТ. работающих при низких степенях понижения давления в ступени.

Автор защищает

результаты экспериментальных исследований, гипотезы, объясняющие физические причины явлений, и рекомендации по использованию полученных данных при проектировании ЦСМТ на низкие тгт.

Объём работы

Диссертационная работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц, иллюстрируется 63 рисунками и состоит из содержания, введения, четырёх глав, выводов, приложения и списка использованной литературы (60 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

, Во исеОснич обосновываются актуальность темы диссертации и особенности рабочего процесса МТ, работающих при низких степенях понижения д(1вления. "

Глава первая

Приведены результаты анализа составляющих потерь энергии потока в ЦСМТ и намечены пути их возможного снижения, а, следовательно, повышения кпд. Даётся обзор публикаций, освещающих современное состояние исследуемого вопроса, поставлена цель и сформулированы задачи исследования.

В начале главы выявлены те виды потерь энергии рабочего тела при его движении по венцам ступени ЦСМТ, которые можно попытаться снизить.

Из группы профильных потерь - потери на отрыв потока.

Из группы концевых потерь - вторичные.

Из группы дополнительных - потери от нестационарного обтекания рабочих лопаток; от неполного захвата струи рабочими лопатками; от наличия осевой составляющей абсолютной скорости потока на выходе из СА; от "запирания" выходного устройства ступени.

При рассмотрении известных работ по МТ установлено, что исследования рабочего процесса при низких степенях понижения давления не отражены ни в одной публикации, существуют лишь исследования ЦСМТ, работающих в диапазоне щ от 2 до 6. Использование их результатов для низких лт может привести к проектированию ЦСМТ с заведомо меньшим значением кпд.

Вместе с тем, выполненный обзор работ, отражающих рекомендации для интервала я, > 2, позволил выявить геометрические и режимные параметры ступени ЦСМТ, которые оказывают наиболее сильное влияние на экономичность МТ.

Очевидно, что развитие и исследование МТ не могли идти изолированно от общего развития газовых турбин. По этой причине в необходимой степени уделено внимание некоторым исследованиям по авиационным маломощным турбинам для привода агрегатов. Эти работы подтвердили обоснованность определения "средневзвешенных" значений замеряемых параметров для малоразмерных турбин, а не измерения их локальных значений. Или, другими словами, наиболее точные и достоверные результаты в определении основных параметров и малоразмерных турбин получают измерением крутящего момента, расхода рабочего тела и частоты вращения.

Обзор публикаций по экспериментальному оборудованию для исследования МТ позволил установить достоинства и недостатки известных установок. определить диапазоны испытуемых мощностей и частот вращения. На основании этого выбрано экспериментальное оборудование, с помощью которого возможно проведение исследования рабочего процесса ЦСМТ при 71т < 2.

Краткий анализ публикаций по методикам расчета и проектирования МТ выявил, что расчёт последних в основном производится двумя методами: с номошью методики, основанной на струйной теории ")Плера и приспособленной для М1, и графоаналтическою метода. 6азир)ющС1 оси на теории подобия. 11с смотря на ограниченные диапазоны параметра нагруженности (Ут) и степени понижения давления, а таюке на необходимость корректировки при появлении новых данных, последняя методика является "более точной.

Из всего вышесказанного следует, что диапазон лт = 1.05...2.0 до сих пор оставался неисследованным. Однако применение ЦСМТ в агрегатах, работающих от набегающего потока или в качестве приводов с целью утилизации отработанных газов, настоятельно потребовало разработки этого вопроса. В связи с этим и были определены задачи настоящей работы, заключающиеся в определении наивыгоднейших значений геометрических параметров ступени ЦСМТ и в научном обобщении результатов исследования.

Решение поставленных задач, методы исследования, их результаты и обобщение полученных данных изложены в последующих главах.

Глава вторая

Рассматриваются особенности установок для экспериментального исследования рабочего процесса ЦСМТ, выбранные объекты исследования и режимные параметры, а также определяются погрешности измерения исследуемых параметров.

Отмечено, что высокая частота вращения исключает возможность использования гидравлического способа поглощения мощности, развиваемой испытуемой турбиной, что связано с возникновением кавитации.

Для исследования элементов МТ использовалась установка для статических продувок, гозволяющая определять коэффициенты скорости СЛ и РК (<р и ц/ соответственно), а также углы выхода потока из сопловой и рабочей решёток (а[ и р2)-

Экспериментальное исследование ступени в целом производилось с помощью магнито-воздушного тормоза или установки с тормозной турбиной. При малых значениях мощностей испытуемых ЦСМТ использовалась установка, тормозным элементом которой являлось взаимодействие электромагнитных полей магнитов и вращающегося диска. В ней ножи и призмы в качестве опор обуславливают высокую чувствительность весов. При мощностях более 500 Вт испытания проводились на установке с тормозной турбиной, высокая чувствительность которой достигнута за счёт использования балансирных опор.

Погрешности определения коэффициентов скорости, углов выхода потока из решёток, мощности СЫТ) и кпд определялись как погрешности косвенных измерений. Относительная погрешность определения Ыт или г|т менялась в зависимости от груза на весах установки и типа самой установки.

Статические продувки кольцевых решёток элементов МТ обеспечивали относительную погрешность измерения параметров при доверительной веро-

ятности 99% по расходу не более ± 2 %; по крутящему моменту - + 0.6 %; по углу (Х| (или р2) - ± 4 %: по коэффициентам скорости ср и ф - ± 3.5 %.

[Ч случае динамических пролупок относительная погрешность измерения нарами рои ири донериюлыюи керомшоои 99 % не превышала но мощности - 8МТ = ± 2.5 %; по мощностному кпд - ± 3.5 %.

Исследовались ступени с наружным диаметром РК О, = 50 мм; высотой лопаток СА от 0.5 до 3.0 мм. В ряде экспериментов 1)| изменялся от 22 до 83 мм. Исследования проводились при степени понижения давления л.г = 1.05...2.0 и частоте вращения (15...60)-103 мин"1, что соответствовало М,5 = 0.27... 1.05, Яеь= (0.44...1.0)-105 и параметру нагруженности Ут = и/С,5 = 0.1...0.4. Эксперименты проводились с полуоткрытыми РК.

Глава третья

посвящена экспериментальному исследованию влияния геометрических и режимных параметров на потери в сопловой и рабочей решётках, а также на кпд ступени в целом.

В начале главы приведены результаты исследования влияния форм профилей лопаток СА и РК на экономичность ЦСМТ. Профили для исследования были выбраны по рекомендациям предыдущих работ по ЦСМТ.

Эксперименты показали, что при низких лт для ЦСМТ форма профиля лопаток СА оказывает заметное влияние на г|т ступени, наибольшее значение кпд обеспечивает С А, спинка и корыто которого очерчены прямыми линиями.

Форма профиля же лопаток РК заметного влияния на г)т практически не оказывает, однако руководствуясь соображениями технологичности, принято для дальнейших исследований использовать РК, спинка которого образована сопряжением двух окружностей.

Для исследования влияния эффективного угла сопловой решётки на коэффициент скорости СА. угол выхода потока и кпд были изготовлены СА с сх|,ф от 8 до 30°, причём изменение эффективного угла обеспечивалось двумя конструктивными способами.

При первом способе изменение а^ осуществлялось с сохранением постоянного значения горла межлопаточных каналов аг = 2.10 мм, уменьшение «Ьф сопровождалось уменьшением числа лопаток СА и увеличением шага. Густота решётки при этом сохранялась неизменной за счёт изменения хорды профиля.

Второй способ характерен тем, что различные значения а^ф были получены изменением горла от 1.02 до 3.30 мм. В этом случае менялась хорда профиля, а густота решётки, относительные толщины входных и выходных кромок, высоты СА ЬС1и РК выдерживались постоянными.

В результате статических продувок определены зависимости ф = Да^) и а| = 1"(а|Эф). Приведены анализ и физическое объяснение их характера.

Зависимости г)т = 1\а1эф), представленные на рис. 1 для я, = 1.05, показывают наличие оптимума у ступеней с СА, выполненными при условии аг = \;аг

в диапазоне а)Эф = 14...17°; г)г ступеней с СА. имеющими а, = const, с уменьшением п, + непрерывно увеличивайся. Причиной повышения уровня мош-носгного кпд служит снижение кромочных потерь вследствие уменьшения числа лопаток и потерь от нестационарного обтекания рабочих лопаток за сч£г уменьшения количества за-кромочных следов, пересекаемых лопатками РК за один оборот.

Наличие максимума мощностного кпд ЦСМТ, СА которой выполнен при условии ar = var, вызвано различным соотношением окружной работы на венце и потерь, возникающих из-за увеличения угла поворота потока в рабочей решётке. Последние при отступлении от оптимальной величины с*|3ф не компенсируются, как это было у ступеней, изготовленных при ar = const, ни снижением кромочных потерь, пи уменьшением числа закромочных вихрей (число лопаток, выполненных при условии ar = const, постоянно).

Крутизна зависимостей увеличивается с повышением параметра нагруженное™. Последнее вызвано интенсивным снижением доли выходных потерь в общем балансе потерь при увеличении YT.

Другие из рассматриваемых значений ят не изменяют характер кривых Лт= 1"(а,эф).

На основании изложенного рекомендуется при проектировании ЦСМТ, рассчитанной на малые лт. угол аИф принимать равным 15°. Меньшие его значения обуславливают существенное уменьшение толщины выходных кромок СА, приводящее к снижению эксплуатационной надёжности вследствие легкости повреждения лопаток. Величины а|Эф < 8° конструктивно недостижимы по причине "подрезания" лопаток при изготовлении.

Влияние выходного лопаточного угла РК на кпд исследовалось путём динамических продувок ступеней. Для этой цели изготавливались рабочие решётки, отличающиеся только величиной угла (он изменялся от 15 до 80°). и каждое РК продувалось с одним и тем же СА. имеющим оптимальный эффективный угол.

В результате эксперимента были получены зависимости г)т = ДРзл)- Для лт = 1.05 показанные на рис. 2. При других значениях лт характер кривых не изменяется.

Рис.1. Влияние а|3фна кпд. • —• - аг= const О—О - ar =var

значениях этого угла незначительное повышение кпд сопровождается ростом сложности изготовления и лёгкостью повреждения выходных кромок лопаток рабочего колеса.

Угол атаки < при исследовании его влияния на экономичность ЦСМТ (см. рис. 3) изменялся от минус двадцати пяти до тридцати пяти градусов за счёт частоты вращения (прямая задача) и лопаточного угла входа потока в РК Р|Л от 11 до 55° (обратная задача).

Зависимости т|т= Г(() показывают, что максимальный мощностной кпд достигается при нулевом угле атаки (рис. 3) независимо от параметра нагружен-ности и степени понижения давления. Пунктирные линии соответствуют изменению кпд ступеней с различными р1л в зависимости от ( за счёт частоты вращения.

Исследования по влиянию перекрыши на экономичность ЦСМТ проводились вначале на установке для статических продувок, где определялась граница сопловой струи в меридиональном сечении на входе в РК.

Полный захват струи обеспечивается наличием оптимальных верхней и нижней перекрыш, схема расположения которых приведена на рис. 4.

Установление границ сопловой струи осуществлялось изменением момента, возникающего на колесе-ловушке по мере ступенчатого перемещения последнего в осевом направлении относительно СА. Каждый раз замерялась величина крутящего момента.

За границу сопловой струи принималось минимально допустимая перекрыша Дт1П = Дт1п/11са, уменьшение которую приводило бы к снижению момента от наибольшего его значения более чем на 3 %.

Экспериментально установлено, что д„,„;„= Д„ ,„;„ = 0.3, т.е. высота лопаток на входе в РК минимум и 1.6 рази должна превышать высоту лопаток СЛ.

Найденные статическими продувками минимальные значения перекрыш Д, т|„ и Д„ тш не могут являться оптимальными. Поэтому на тормозной установке было проведено исследование влияния величин перекрыш на кпд. Эксперимент выполнялся в два этапа: вначале определялось _влияние верхней перекрыши ( Д„ ) при фиксированном значении нижней ( Д„ = 0.3) и нижней - при фиксированном Д, = 0.3; затем эксперимент повторялся с той лишь разницей, что фиксируемые перекрыши принимались оптимальными (полученными при динамических продувках).

При исследовании верхней перекрыши величина Д, изменялась от -0.2 до 2.0. Результаты эксперимента приводились к виду Пт= 1 •Л»); т этих зависимостей следует, что наивыгоднейшей является величина Д, = 0.5, независящая от параметра нагруженяости (см. рис. 5). Её выбор обусловлен тем, что в диапазоне Д„ = 0.5...2.0 мошностной кпд практически постоянен, а нижняя граница интервала обеспечивает меньшие осевые размеры ступени.

При исследовании влияния нижней перекрыши на кпд диапазон её изменения составлял от -0.33 до 1.5. Результаты эксперимента представлены на рис. 6. Наивыгоднейшей величиной нижней перекрыши является Дм= 1.0.

А,

Рис. 4. Схема расположения верхней и нижней перекрыш в меридиональной плоскости ЦСМТ

Отличие в наивыгоднейших значениях верхней и нижней перекрыш практически в два раза связано с тем, что в зоне верхней перекрыши поток, даже не попав на рабочую решётку по входному фрон ту, неё же поступает и чежлопа-чочные каналы |'К за ечст конусности нерлисю обвода рабочих .юишик. В ю же время наличие диска РК в зоне нижней перекрыши обуславливает большие значения перекрыши для полного захвата струи без удара о диск.

Исследование влияния h^/h, на п: проводилось на пяти РК, ,у которых варьировалась величина h2 от 2.11 до 10.56 мм, а высота h| сохранялась постоянной и равной h, = ( Д„ m¡„ + Дн m¡„)-hc, =1.92 мм. Высота СА в этом выражении принята равной 1.2 мм.

Результаты эксперимента показали, что мощностной кпд сохраняется неизменным в области h = h2/h, = 2.7...5.5. При проектировании рабочих венцов целесообразно выбирать меньшее значение указанного диапазона, т.е. h = 2.7. В противном случае увеличение h при фиксированном h, приводит к увеличению h2, что усложняет изготовление РК.

Определение влияния густоты сопловой решётки на кпд проводилось вначале на установке для статических, затем - на установке для динамических продувок.

Экспериментально установлено, что ни коэффициент скорости СА, ни мощностной кпд не зависят от густоты решётки в довольно широком диапазоне: (b/t)ca= 1.08...2.4. Меньшее значение этого интервала практически совпадает с густотой "геометрического прострела", что соответствует такому расположению лопаток, при котором луч, проведённый из центра колеса, касается входной и выходной кромок двух соседних лопаток.

Рекомендуется густоту сопловой решётки принимать на 1...2 % превышающей густоту "геометрического прострела". Это вызвано стремлением исключить влияние возможных погрешностей изготовления СА.

Исследования по влиянию высоты лопаток СА проводились следующим образом. Вначале выполнялись статические, а затем динамические продувки при одной и той же высоте лопаток. После изменения последней (с шагом 0.5 мм) от 3.0 до 0.5 мм эксперимент повторялся. На рис. 7 представлены результаты динамических продувок^ в виде зависимостей rjT = f( h„), где hca = hca/D| = 0.06... 0.01. Из них следует, что с

увеличением относительной иысоты лопаток СЛ кил интенсивно возраст асi для всех рассмшрнвае-мых значений лт.

При выявлении влияния соотношения диаметров выхода и входа в FK D - Р->/Р|_на кпд ЦСМТ величина D изменялась в диапазоне 0.404...0.909. При этом диаметр на входе в PFC оставался постоянным.

Динамические продувки позволили получить зависимости Т)т = Я D). некоторые из них при фиксированных значениях л,, Y, и hcs представлены на оис. 8: кривые rjT = Г( D) имеют наибольшее значение г)т, расположение которого зависит от л,. YT и h„. П работе исследуется влияние каждого из параметров на Пор, и излагаются причини этого влияния.

Для исследования влияния фактора масштабности на кпд ступени была изготовлена серия геометрически подобных ступеней (за исключением подобия по шероховатостям, перекрышам и относительным зазорам) в диапазоне D, от 22 до 83 мм. Установлено, что с увеличением D, кпд практически линейно возрастает, причём крутизна характеристик г], = Г( D) растёт с увеличением YT. Причиной этого, полагаем, является уменьшение потерь на дисковое трение и вторичных потерь, кроме того, уменьшается частота прохождения рабочими лопатками закромочных следов лопаток С А.

Исследована возможность увеличения кпд 11СМТ за счет меридионального профилирования проточной части СА. Для исследо-

0.6 o.f 0.4 О.з

f

т

0.7

O.S 0.5 0.4 ЛЗ

iI? 0.6 0.7 0.4

■Tr^/.OS- Аса'0.035

-0.4

К J* 1 -UU л п

л— 0J

OS о.б 0.7 0.6 OST

V- т'й 4

Z1 \

/ 7— 0.3 X

- ь э,

Л >- ш

О

OS O.S 0.7 0.6 0.9

Рис 8. Влияние D на кпд

2)1

ваиия были изготовлены сопловые решйтки с различными способами меридионального профилирования и с относительным поджатием (Ьо-ЬО/Ь! от 0 до 0.11 (см. рис.9), где Н, и Ь. - высоты лопаток СА на входе и выходе. Каждый СА иены швален с одним и 1С.м же 1'К.

а) б) в)

Рис. 9. Схемы различных способов меридионального профилирования проточной части

СА.

а) периферийное; б) корневое; в) симметричное профилирования.

Согласно статическим и динамическим продувкам (см. рис. 10), под-жатие в меридиональной плоскости при любом способе профилирования увеличивает в диапазоне (К0-11,)Я11 = 0.01...0.06 и (р. и г)т на 5...10 % (отн.) по сравнению со ступенями без меридионального профилирования. Наблюдаемое увеличение экономичности ЦСМГ, по-видимому, вызвано снижением меридиональной деформации потока на выходе из сопловых решеток. В ходе экспериментов установлены оптимальные значения относительного поджатая: -при периферийном профилировании - 0.025; -при корневом - 0.05; -при симметричном - 0.04.

Глава четвёртая

Даётся обобщение результатов проведённых исследований в виде методики расчёта ступени ЦСИТ. работающей при низких степенях понижения давления. Рассматривается использование результатов диссертации и намечаются возможные пути дальнейшего исследования рабочего процесса ЦСМТ.

Выполненные исследования позволили составить графоаналитический метол расчета, и котором все экеиеримснia.ii.-ные данные, полученные в ходе-работы, обобщены в виде номограмм для различных значений Ят-

Идея методики заимствована из работы1. Методика основана на проектировании МТ, подобной эталонной; последняя включает в себя рекомендации по достижению максимально возможного кпд на сегодняшний день наших знаний о рабочем процессе ЦСМТ.

Рассмотрим, как с помощью полученных экспериментальных данных можно рассчитать ЦСМТ.

В зависимости от того, задан расход рабочего тела или мощность ЦСМТ. методика расчета несколько изменяется.

Расчёт при заданном расходе рабочего тела

Кроме расхода должны быть заданы или выбраны Dt и частота вращения п. Размеры вновь проектируемой ЦСМТ за исключением высоты лопаток, зазоров и перекрыш берутся на основании геометрического подобия эталонной МТ (см. рис. 11). Основная задача расчёта - определение высоты лопаток СА (о выборе величин зазоров и перекрыш будет сказано ниже). Величина hca/Dt при экспериментах изменялась от 0.01 до 0.06, следовательно, для соблюдения геометрического подобия величину hca/Dt рассчитываемой ЦСМТ можно принимать в этих пределах.

Для определения hca в координатах г|т и hc,/D| построены линии постоянных значений параметра нагруженное™ u/Cts. Графики выполнены для лт = 1.05: 1.25: 1.5: 1.75: 2.0. На рис. 12 представлен график r)T = fl;hca/D,) для ят= 1.5.

Величина hca/D, пропорциональна расходу рабочего тела поэтому согласно рекомендации работы1 будем называть её комплексом расхода.

Величину расхода можно записать в таком виде:

1 Тихонов Н.Т. Экспериментальное исследование влияния парциальности и высоты лопаток на работу воздушной центростремительной мнкротурбины. - Изв. вузов, "Авиационная техника", 1963, №4, с. 139-149.

Л,

•-- — • - корневое,

....."" - симметричное,

О-------О - периферийное поджатие

Рис.10. Влияние (ho-hi)/hi на кпд.

Рис. 11. Основные геометрические параметры эталонной ЦСМТ.

?г

О Я

0.6 O.S 0.4 0.3 0.2

О.О/ 0.02 0.03 0.04 O.OS

Рис. 12. Номограммы расчёта ЦСМТ.

J.S/ö" 3.6-/Ö ■5.5-Ю' 3.0-/0

-1

-г

¿.7-Ю

г.4/0

,-г

г//о

J.S- и"

А.

G=A-(hca/D|), (1)

гле

I О •//V <2)

( кг-К ч

Величина m для воздуха раина 0.0404 ( —— ) ; связь между действительным

Дж

ai и эффективным аЬф углами на выходе из сопловой решётки даётся в диссертации.

Приведенный расход

>., = С|/а,р, где по известным соотношениям определяются абсолютная скорость на выходе из СА

С, « <р Сь = ф ■ RT0'(1 -l/Ttr,k"1)A)

и критическая скорость акр= w2-k-R-Tn"/(k+l).

Величина ф определяется по полученным в ходе экспериментального исследования графикам зависимости ф = f («Ьф). Принимая коэффициент расхода сопла цса равным 0.96. по заданным G. Р0\ Т0* и заданным или выбранным D, и п подсчитывается величина А. а потом и комплекс расхода hca/D,. На графике зависимости r|T = f(hc,/D|) с заданным значением х, находится точка, соответствующая полученным значениям hca/D,, а затем по кривой YT= const - значение кпд рассчитываемой ЦСМТ.

Далее в диссертации рассматривается методика выбора величин зазоров и перекрыш, а также методика внесения поправок на отличие размера диаметра D, и угла а,эф от соответствующих параметров эталонной МТ.

Если используется меридиональное профилирование СА, то необходимо внести поправки и на него.

Расчёт при заданной мощности

Мощность турбины определяется выражением

NT = GLs-nT. (3) Путём преобразований оно приводится к виду

NT = B(hJD,)-ri,-№ (4)

B = !,s-m-nca-zca-ar-D,-q<?4HPo'//iV). (5)

По заданным значениям мощности, частоте вращения и 01 находится величина (11са/0|)-г|г- которую согласно работе' будем называть комплексом мощности.

' Тихонов Н.Т. Экспериментальное исследование влияния ларциальности и высоты лопаток на работу воздушной центростремительной микротурбины. - Изв. вузов. "Авиационная техника". 1963. №4. с. 139-149.

На номограммах, кроме зависимостей r|T = f (hca/D| )-г|т, пунктирными линиями обозначены постоянные значения комплекса мощности.

Ордината точки пересечения пунктирной линии ((h-.-TM-tv = const) и линии заданною параметра шпружсннос! и омредедяс) кпд ступени, а абцисса -оптимальное значение 1WD,, т.е. оптимальную высоту лопаток СЛ. При отличии иЬф и D) проектируемой ЦСМТ от их эталонных значении вносятся поправки в величину Г)т аналогично случаю заданного расхода.

Если заданная величина YT находится между двух показанных на графиках кривых YT = const или подсчитанное значение комплекса мощности располагается между пунктирными линиями, искомые зависимости получают линейным интерполированием близлежащих кривых.

Серия ЦСМТ, рассчитанная по предлагаемой методике, была изготовлена и подвергнута динамическим продувкам, по результатам которых определены мощность и кпд ЦСМТ. Разница расчётных и экспериментальных значений не превышает по кпд +3.5 %, по мощности ± 2.5 %. что в три раза точнее, чем по классической методике, приспособленной для расчёта МТ.

Однако предлагаемая методика не лишена и недостатков. Во-первых, границы её применения по высоте лопаток, диаметрам, параметрам нагружен-ноеги ограничены диапазонами исследованных значений этих параметров. Во-вторых, вновь полученные экспериментальные данные требуют внесения поправок, а в ряде случаев и проведения дополнительных продувок эталонных ступеней.

В конце главы рассматриваются, вопросы внедрения исследований в производство и пути датьнейшего исследования рабочего процесса ЦСМТ а области низких значений степени понижения давления.

Выводы

Поставленные задачи по исследованию влияния геометрических и режимных параметров при низких степенях понижения давления с целью повышения экономичности радиальных ЦСМТ выполнены: определены диапазоны наивыгоднейших значении основных соотношений конструктивных размеров проточной части и режимных параметров, при этом рассмотрены физические причины, влияющие на экономичность. В результате впервые:

1. Получены данные, позволяющие при проектировании ЦСМТ на низкие пц. устанавливать оптимальные значения эффективного угла сопловой решётки, угла атаки, лопаточного угла на выходе из рабочей решётки.

2. Найдены оптимальные значения верхней и нижней перекрыш.

3. Определено оптимальное соотношение высот лопаток рабочего колеса на выходе и входе и величина снижения экономичности при отступлении от этого значения.

4. Установлено влияние высоты лопаток СА на экономичность ступени при различных значениях к, и параметра нагруженности.

5. Найдены оптимальные соотношения диаметров рабочего колеса на выходе и входе, зависящие от я,, параметра нагруженности и отношения Ьса/Т)|.

6. Получены 'экспериментальные 'зависимости, позволяющие оценить влияние фактора масштабности на кпд. 11оказано. что с уменьшением 0| кпд списки линейно снижается.

7. Установлено, что наиболее выгодная с точки зрения экономичности форма лопаток СА - прямолинейная, форма же лопаток РК практически не влияет на кпд ступени.

8. Получены данные по выбору оптимальной густоты решётки ЦСМТ. Оптимальной (ЬЛ 1)и является густота решётки, на 1...2 % превышающая густоту "прострела".

9. Экспериментально установлено, что меридиональное профилирование проточной части соплового аппарата увеличивает мощностной кпд на 5... 10 % (отн.)

10. Разработана методика расчёта ЦСМТ на основе подобия с эталонной ступенью для ит= 1.05...2.0.

11. В обшей совокупности представленные в настоящей работе исследования позволили повысить кпд ЦСМТ на 15...20 % (отн.) по сравнению с г|т, полученным у ступени, выполненной по рекомендациям для диапазона 2...6.