автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Потери от парциальности и методы их снижения в малоразмерных турбоприводах

СШКТ-ШТКРБУРГСлЛЙ ГОСУДАРСПЗЕйЬгМ гшлщстй УШ1ИЁРСЛТйГ

)

На правах рукописи ЧУЬАшВ АЛККСАДАР БиРйСОБйЧ

УЛК бй1.1б5+бг1.43а

ИОГлРй ОТ МРдйАлЬНХТИ Л МЫад ИХ ОШЙШ ' а ;Ш0РАЗ;МШХ ЮФБОШБОДАХ

Специальность 05.04.1*2 - турбомяшины

диссертация нч соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург,

Работа выполнена в Нижегородском политехническом институте

чучный руководитель : доктор технических наук,

профессор H.B.KUTiiriP

унциальные оппоненты: доктор технических наук,

. ' профессор b.A.PACCüXiiH

кандидат технических наук, доцент A.C.IÍdTPüd

¿едуцая организация: Производственное объединение

"Невский машиностроительный завод им. Ь.п.Ленина"

Защита состоится " 2. Ш2 г. в часов

на заседании Специализированного совета К 063.3Ü.23 в Санкт-Петербургском техническом университете по адресу: 1Ээ2о1, Санкт-Петербург, Политехническая ул., учебный корпус, ауд. Z5"/

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института.

и 42,

Автореферат разослан ^ и&УиэриЯ шг г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук,

профессор _ //'/>с . А.С.Ласкин

■ ■ ,i ■ t.l < i ¿И&ЛИОТЕКА

СЕДАЯ XAPAKi'iP.'iCTiiKA РАБОТЫ

Актуальность работы, Малоразмерные турбины (ùiPT) мощностью от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт и диаметром до IOO км широко применяются s различных отраслях техники: в бортовых источниках питания космических и подводных аппаратов, з гелиевых и водородных турбодетендерах, в агрегатах наддува дЬС, з ручьом вкев-моинструменте, в высокооборотных шлифовальных и сверлильных головках, в микроэлектростанцидх lia автономных линиях связи, в турбогенераторах систем катодной защиты гязоеых и нефтяных магистральных трубопроводов и т.п. Большинство iViPT вьшолняется с подводом газа на части дуги окружности соплового аппарата (СА), при этом доля потерь энергии от парциального подводя мояет быть весьма значительной.

исследования парциальных :«РТ проводились в ведущих отечественных и зарубежных лабораториях, однако физические явления в них до сих пор недостаточно изучены, поэтому известные методики расчета " вентиляционных и краевых потерь дают результаты, сильно различающиеся неяду собой и приводящие к больжм (до ¿00...'¿00%) погрешностям при расчете турбин. Это особенно существенно для МРТ с малой парцкальностью, у которых в силу специфических конструктивных и режимных особенностей (болылих относительных зазоров и толщин кромок, повышенной неравномерности и нестационзрности потока ка входе в рабочее колесо (РК), относительно больших теплоперепядоэ на ступени и др.) энергетическая эффективность невысока, а потери от парциальности могут бить соизмеримы с их э$фектиачоЯ мощностью. Таким образом, исследование парциальных i.IPT с целью повышения их эффективности представляют собой актуальную научную задачу, имеющую важное практическое значение.

цельу) диссертационной работы является повышение энергетической эффективности парциальных шРТ на основа изучения физических явлений и газодинамических процессов течения газя на краях дуги подподм и б з'Ч-е неактивной дуги.

Определены следующие задачи исследования:

- разработать методы расчета вентиляционных и краевых

потерь в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров Pli; ■ •

- разработать и исследовать конструктивные методы совершен-'

методу исследования. Реление поставленных задач осуществлялось путем экспериментальных исследований ступеней осеЕых г*РТ со специально •слроекгировякгаА'и типоразмерньг/и рядами СА и РД; аналитического исследования полеченных математических моделей. Исследование течения в парцельной турбине осуществлялось путем визуализации течения г,о следам, оставляем:,::,! окрашенным потоком ка периферийной :;или:¡дрической образующей ступени. Шянирование и обработ-кя результатов исследований выполнены методами математической теории эксперимента. Расчеты производились с применением стандартных программ математического обеспечения ¿ЗиЛ типа JBN .

Научая у.овкзн°. I. Разработана физическая модель течения газа в парциальной турбиье ня основе визуализации потока в проточной части ступени, ксследовяния позволили уточнить представления о механизме краевых потерь, которые, в частности, определяются:

- значительна.) (в 2...3 раза) увеличением среднеинтегрально-го угла потока при введении парцияльности § по сравнению с лолноподводныда ступенями;

- существенным (б I.b,,,2 раза) изменением локальных значений сС j¡у по фронту дуги подвода по сравнению со среднеинтег-ряльным углом потока;

- при малых U/трением закрученного навстречу движению РК активного потока на выходе из ступени о рабочие лопятки.

'¿. шлучены зависимости для вентиляционных и краевых потерь, дающие хорошую сходимость для турбинных ступеней в широком диапазоне конструктивных и режимных параметров.

Степень достоверности результатов. Достоверность научных результатов обоснована: проведением серий экспериментальных исследований с трехкратным повторением опытов; статистической обработкой экспериментальных данных с оценкой погрешности измерений, однородности дисперсий, адекватности результатов; сравнением полученных результатов с экспериментальными данными других авторов.

¿тактическое значение ряботы. I. Разработаны методы совершенствования парциальных турбин, в частности специальное профилирование СА:

- в iVIPT с единичным соплом предлагается применение СА с сопло вами каналами, имеющими удлиненную выходную часть;

- в ступени с группой сопел предлагается изменение углов крайних сопловых каналов относительно базового геометрического 2

угла СА оС 1Г

¿. Разработаны и испитяны различные конструкции газодинамических ограничителей частоты вращения холостого ходя пг х , основанные на использовании явления вентиляции неактивного газа.

личный вклад автор.?. Все материалы были полуиски либо я втором, либо при его непосредственном участии.

Автор зя'дицает: физическую модель течения газа в парциальных турбинах; конструктивные способы повышения их энергетической эффективности; методики расчета вентиляционных и краевых потерь; газодинамические методы снижения частоты врадения холостого хода турбоприводов.

Реализация з про1.йгаленносту. Лри непосредственном участии автора созданы четыре типоразмера плеЕмома^ин с турбопрнводом, внедренных в ¿¿«нем ¡¡овгсроде на Машиностроительном к Телевизионном заводах, в лиевэ в Институте сверхтвердых материалов Академии наук Украины с годовым, экономическим эффектом 1Ь7 тысяч рублей (в дореформенных ценях). :

Апробация р-'ъоты. Основные положения работы докладывались кя научно-технических конференциях: нлучнкх конференциях молодых ученых Горьк.овской области (Горький, ИЫ); отраслевой научно-технической конференции "опросы повышения надежности и эффективности судовых энергетических установок" (Владивосток, 19о5); секции научного совета Г»и:Т "Разработка методов и средств активной диагностики топочного процесса, снижения вредно выбросов в Атмосферу и повышения надежности работы энергетических агрегатов'ЧГорь-кип, 19а3); ¿всесоюзной межвузовской конференции по газотурбинным и КОМбИНИрОВЯННЫМ уСТЯНОБКЯМ (Л., 1>.ПУ, 1991).

Публикации. ¿о мптерж»лг>к диссертации опубликовано II работ, в том числе Ь положительных рвений на изобретения.

Структура ;* обч.ем рчюти. диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

ОбциЯ обьем работы составляет ¿00 страниц машинописного текста, в 1 ом числе рисунков, 1о таблиц. Список использованных источ!:иков вклпчает ХЮ наименований.

Оцщ-РиДЫй РА1КДЫ :>■■) чг^дгчти обоснована актуальность исследования, изложены их Нуль и задачи.

и п-;рпт1 глине приведены результаты аналитического обзора ра-

бот пэ ксследов.акию ппрциальных турбин, проанализированы физические представления о природе возникновения потерь от пэрциальности, зависимости разных авторов для вентиляционных и краевых потерь, доказано, что расчеты по известном методикам даст результаты, значительно (а несколько раз) различающиеся между собой и с экспериментальными данными. Наилучшую сходимость в определении мощности вентиляции дает метод Л.В.Котляра и Е.П.Кончакова, который основан на описании движения газа вследствие его захвата кромками лопаток, а такг.е под действием центробежных и кориолисовых сил.

Зависимости разных авторов для краевых потерь существенно отличаются по структуре, что объясняется различной интерпретацией явлений на краях активной дуги, а таюхе отличиями в методах их экспериментального определения.

Го результатам обзора сформулированы »цель и задачи исследования, определены пути их реализации.

Во зторой глпрз приведено описание разработанных в Kill при непосредственном участии автора экспериментальных установок и технологического оборудования для изготовления мРТ. Экспериментальный стенд позволяет определить: внутренние момент A/j , мощность А/^ и к.п.д. , эф{>ективные момент Me , мощность Ng и к.п.д. т[е, уощность вентиляции Ng при & = О, среднеинтегралььые хярякте-- ристики СА JU q , (f ,cCfjqj.

исновной отличительной особенностью стенда является применение гязостатических подвесов измерительных узлов, полностью исключающих трение покоя и обусловливающих высокую чувствительность установки. Относительная систематическая ошибка измерений в большинстве опытов не превышает 1%.

Установка для визуализации газового потока позволяет изучать физические явления и механизм течения в проточной части ступени.

Технологическое оборудование, включающее в себя копировалыю-фрсзерные устройства, позволяет изготовить плоские и кольцевые ре-иетки СА и РК с цилиндрическими и объемно-веерными лопатками.

Третья глава .посвящена исследованию течения активного потока в парциальных МРТ методами визуализации и разработке конструктивных методов повышения их эффективности. Объектами исследонания являлись осевые ступени ЫРТ, параметры которых варьировались в диапазоне: cC1r a U...I60; /52г= 16...<6°; Of/Bp = 0,1...0,4;

Ро/^2ст~ ^ = 0,0ь,..1, где Ri/dp - относительный осе-

вой зазор. 4

Анализ результатов визуализации позволил выявить ряд ва'лккх физических особенностей течения в проточкой части социальной ступени, а именно:

- границы потока на ььходе из РА образуют конус со значительны:.) - до 00° - углом раскрытия; при малых и/си; часть потока, закрученного против направления вращения Рл, движется вдоль фронта его лопаток, препятствуя вращении;

- длина дуги активного потока в рабочей решетке больше геометрической степени парциальности СА приблизительно на ХС;5 дуги окружности, что несколько выше значения, предсказанного эмпирической формулой М.й.дейчя; приращение дуги происходит на участке, примыкающем к крайнему" соплу со стороны выходя лопаток Р»{ из активной зоны, это обусловлено уменьшенном величины локального угла потока на выходе из крайнего сопл,а; на указанном отрезке дуги происходит взаимодействие вентилируемого газа с активным потоком;

- при сверхзвуковых теплоперэпадах'в осевой зазор на неактивной дуге распространяются скачки уплотнения, постепенно затухающие на участке, равном приблизительно трети длины дуги окружности;

- на части дуги окружности, примыкающей к крайнему сопловому каналу со стороны входа лопаток Рл в активную зону, взаимодействия активного потока и вентилируемого газа не отмечено.

Визуализация газа на выходе из изолированных СА позволила определить следующие особенности течения з осевом зазоре:

- значительное (в 2...3 раза) увеличение среднеинтегрялького угла потока с^щр «Р" введении парциальпости г.о сравнению с полно-подводн-ы:.:;; СА, в результате чего увеличиваются потерн в лопатках Р;< и и с выходной скоростью;

- п парциальн:я СЛ границы потока образуют конус с углом раскрытия 'Ю...ЬО°, причем со стороны выхода лопаток Рл из активной зоны локальный угол стремится к нулю, т.е. поток прилегает

к фронтальной поверхности СА; перестройка потока вдоль фртнта СА приводит к возникновению мощных эжекционных течений в осевом зазоре;

- такое течение обусловливает возникновение больших углов атаки ¡¡л краях дуги поднода: положительных со стороны выхода лопаток РК из активной зоны Чмемолаточные каналы Рл работают как диффузор) и отрицательных со стороны входа лопаток РЛ в активную зону (мечелопаточнне каналы работают как сопла); это вызывает значительное сшпюше коэффициента (р рабочих лопаток.

ßo.s fio.s

?/.?.. I ; Сопло с /,vík»íhsioíí гихоцко!; чг-стьа

?'ác.'¿ . Gy/сннэ - расаиряю.цоося сопло

Ру.з.З . Онт/.^ельнчй сопловой аппарат (£ = 0,Üjl)

И-п

0.0s

0,06

0,04

о, о г

но. , 4 . car>;sr..vacîи одчр>;шюго к.г..д. кзследоггас пард/ллышх cï/neiiei: с единичны?.:.-; coa-iavn от Ц/Си$ ' = -!6

:м ео:.лой;.',; а.п.прйточ ( Рс/%сг = Ь,и ); innaoîTov. с удл-.'.'iLiiiio;1. п._\од:юп

1д- CIJV.ùHb с Сс-.чоа ûv/:;'.;:ib с с?,до:

-в

ч.

3,0);

3 ; Ч ; 5#-rvy;:,-iib с гу^г.п - рав.дафг.м.клмя

D о

сомов.'?: .Tii.npaTDM :

ü -яУксгг 1 -%У%стГ "î'Cî 5,С;

ЗагкопгоС; ь hpy. H-K'i'o м : м. : 11 i il ;ч:ел. cv-ч с

су "очно - », ;.. tw.oM (f; /ßcr - !j.v

С учетом результатов визуализации активного потока проведена серия экспериментов по совершенствованию парциальных ..iPT.

Объектами, исследования были ступени с единичным соплом и ступени с группой сопел.

сфроктивность ступени с единичны.! соплом повышена за счст применения сужпяцзгося сопля с удлиненной выходной- частью (рис. I). Относительно СА, выполненного на базе обычного ггрофиял с JC- 16°, угол раскрытия потока J оказался примерно в 1,0 раза меньше (при Ро/Р2ш" Ьр- паракетр-х: & = 0,077; (с = 3 мл; Всрр . 32 км; fa*: 21°; Ер = 4 мм; Всрр = 32 6 мм; 6р = 6 ш; af/6p = 0,03; arjDp = 0,1; Р0/Р2Ш- U/СцЗ = такое сопло повышает к.п.д. ступени на 11% (относительных). Исполнение выходной части в варианте расширяющегося сопла (рис. 2) позволяет дополнительно снизить волновые потери, ликвидировать отклонение потока в косом срезе и повысить к.п.д. относительно ступени с базовым СА на IcE? f рис.4).

¡¡овыдение эффективности Ь"РТ с группой сопел ( <§ > 0,2) осуществлялось за счет специального профилирования стенок крайних сопловых каналов. Эксперимент проводился на базе решетки СА с углом 12° при ê = 0,¿31 -,и/Сиз = 0,3; Ро/Ргст= 3 (другие параметры эксперимента те же). Со стороны входа лопаток Pu в активную зону геометрический угол стенки варьировался: 12, d, 4°, Со

стороны выхода лопаток Ph из активной зоны угол стенки cl'/ варьировался: 12, 16, 20°. Испытания ступеней позволили выбрать оптимальную решетку СА (рис. 3). Результаты эксперимента представлены на рис. S. Относительно базовой ступени к.п.д. повышен на 4,5$.

: h -Т-—"Г-

О, 26

: qZ5 -,---------------

i Л, - /2° ,<S -- о.2И ^ - 03 Т(Хс)--о,ЪЪ „

; O0i, —1:---L------ ^ <

iz° /g" '¿0°

Рис. 5. Полный факторный эксперимент по выявлению оптимального сочетания углов крайних сопловых каналов.

—.л N.

T~r ш Т(\уо,ЪЪ

U, = /2° .5 -- 0.23! и к,= Й3

Четвертая глаза г.освячена исследованте вентиляционных и краевых потерь, с основе определения вентиляционных потерь лежит метод И.В.Нотляря, в который в результате эксперимента внесены коррективы. ¡¿етод выражается зависимостью:

кВт, • ^

где Kg - комплекс коэффициентов, учитывающих влияние режимных и геометрических факторов, не воыедеих в модель (I); С - постоянный множитель.

Коэффициенты В и D определялись при £р /^ср = »

5p/Dcp = idem • Коэффициент п определялся при Qp/Dcp~ = j/о г; ipjdcp^idem. Определены коэффициенты зависимости (I): В = 5,2; d = I; П =-- 0,35; С = 42.

Предварительные эксперименты позволили представить выражение для /<2 в виде: =KpeK£pKt КцрК^ Kar(Kai +Ка2).

Зависимости для коэффициентов влияния определяющих режимных и конструктивных факторов: числа Re С ), перепада давлений на РК АР/Р (.Кдр) относительного шага tp/bp (/<£); углов лопаток /3/ и fa ( ЛуЗ и ^а/З )» углов кромок напраачящего аппарата (если он имеется па неактивной дуге dj ( Kj ); радиального Ог (Яд/-) и осевых зазоров перед и за РК Of и ^й 1 11 ^02 ) получены в результате однофакторных экспериментов:

К (2.б-Юв\М 3-105

Ре } , где 11 J ¡оRe '

= ^ J Kip-U7,5&pfp-,

Kt = U 0,12 (0,7) ; Kfi = 0,55+0,016 p°cp ■

( OJ \f За* \ cC°( 180-JC°\&2S Кл-1+\иО,2а")\ U 20«) SO { 180 ) '

О £ s. •< о ►з Ol ti ъ яг О •8 ш ta Ja

N CD с\ о э О ф о » Е о CD

О о Sí 43 -1 о Я íi ш о

>J s о» re tn зз о о С5 гг. ч: о « s: H X

S II CD и W CD H о У. ►3 'S a g О

Cl) ^ S t) ^ о о s со о •-3 X

гч • -с*. Si о s ■ч Si л- в ta сз я о <ХЗ

> о N сз » •■3 H СГ re о •а о о я I '33

и fi и о 9 u <—1 >ö я СЛ зс л! 23 ш

N .э о (ч о t? Si a о ге о о

S 1 X X я Ol . Л> •Ö Я ^ » Я CD

s (0 о ш •о о tj fi rs s 1С

о А H » s О Cr о Í» ta s

»-î с hi О •а 3 X is tí ti CD

о с ' и о t=3 çr о S3 ST О

>J ге Л ■ NO s э j. ' 3 о fs': ь CJ 03

¿3 23 Í3 о S сз в м CD » а ■ ►3 s il X Е о Ï4 Si о ГС •3 s re •ö

г: tr ТЭ о X с П о я CD J •■3 re

23 о i ^ о Tri О 0J о гч 'S о

43 о Í1

о ' "S К Ь 23 ь о X ¿3 X со It ti

■г о о о •а a о ► J •-3 CJ о ÍÍ £ tr

с s ►3 о * ' о а TS ш re о в

< s о re J» •в tr 'S ^ • -i Я О »a S ^ CJ о о КЗ лз ►3

п; to о £ £ о» ■ » - к 5 о л

i? -;>< s ю CL' 23 CD X 3á

о а h » о Л Ni CD Г д о к

И CJ v---- о !-. Ч fj H X •rt о о

J о Xi » H-t о о о s 43 л

-з ti J tü et сз t3

•-i 0' ^ я о у к X о О CJ о £ о о

О ^ о\ £ О Vö •t О я

СО G? и M а я J с Kl я •g. 'cl J а ■А № ч; 'S. л о CD •cl

ó 5 ó о та »n ; i a сг а Ó fÜ U1

£ О u *-ч М л с* . ü к о •С с S о н •-3 tr> •и ь о ö § CJ >3 о я ci

в и * i о и ^ ; Ï3 сз Ci й о ^3

о 'S о О о о CD ►3 CT CJ о

vT г. о о тэ S1 сз с ц N1 N о сз ш

4? га 11? а R т H •а Уз в о о •Ö

Э О ч о к о о ю Í—■

о s ta X H ге a J3

э ю •Ь о н о о CJ

Ч гё о о X •g о 1. 43 ►3

Р* я kO о t^ 'S о V CD гё tr «

О о 1 в >1 о а s: ' СИ « H с

О К С* S з: ш »3 о ti

Ä и о Ctl la CD '¿3

s 5 CJ ti Е ■X ti и а о о ti 03

X fî S s: а с о tu S сз a ►3

■ё t •я о п: ► 3 о

43 а Я •i о • о л* а о -—' er "8 ш

о о "Ö CJ э о в << а Î3 о я о, m

X J о о с ir Е >— О H •a S- Е

О о CJ ГС ff •а а> о Е О fcl 33 о» Ч я

-3 *s re н ♦-3 сз M ►3 s ^ о

о ь о о о о S д о ta 'Й

с •л i—- "Z ге V и ч и 23 в ¡V о

(S SI i Gl и 1 го •о со i Ч; о s I 0 £ 1 re 1 1 .ш О о: п> 1

Закрытая Kflisepa Открытая камера.

OD

M о О о о с: С ' а-

.сэ чэ -f —л. ^—ч Ol .Сз 1J4 + Л 1зч о, VM О

«3 + —^ Ä> чэ Ä ex Л + Чэ |хэ U й

с> Ъ' NJ^ .eá Sü о о: •5" 1-е* Ä & Л Ы сл со ■•—'CJ

о ьч о

о СжЗ О СО ä о s о

03

ÇJ

о

¡t

Ö о

О t*i

и

s '3

re

ti ta

s

►t*

о

u

H я

r. ^

CD

• X я

H •а

о

0) S

CD

ifc» ta re

È

CP a

cd и

tr 33

« Ос

t3 ti

CD

Я (—1

S .

»

b!

X

О

t)

Й 1-3

S 33

t:

ifc-

Коэффициент вентиляционных потерь определяется по формуле:

. А'в(ы) (ер,0,2Вр) (и ¿6 ----—

/V; 51ЛсС, \сиз/

7-6 \ > 2У?А0-/р-3 -

~г)'гле к~ знругт -0А-0А5. (4)

для мРТ, в которых Мв мржет Сыть соизмерима с внутренней мощностью ступени из-за малых £ ' , больших относительных радиального и осевых зазоров, других факторов, сходимость полученной зависимости ( < 26%) оказывается недостаточной. Поэтому было решено доработать зависимость ['¿) с учетом взаимного влияния радиального ( Ог ) и осевых зазоров перед и за РК ( ^ и ^ ), я также высоты лопаток, которое для .'.¡РТ оказалось существенным. Дня этого комплекс К£ представлен в виде:

КВ*К*еКЛЛК'г.»е (5)

Исследование влияния Н^ на А^ проведено на базе математической теории эксперимента по полному факторному плану при и = 150 м/с. Другие параметры эксперимента: § = I,?. кг/и3; ^нарр = 36мм; &р = 6 мм; А? = (р = 1,52; 3; 4,40 мм. Для удобства операций факторы представлены в кодированных значениях. Кодировэчные зависимости:

у~ (аг/6р)-о,2 „ (Ср/ 6р)-о,5

Л 1 — —~-» * Хл гг-— *

' 0,1 2 0,246

у (0у/Вр)-0,53 (а2/5р)-0,53

3~ 05 ; 4= 05- '

' (6)

Пяраметры варьировались ня трех уровнях: -I; 0; +1. Результат представлен в виде регрессионной зависимости ¡¿-го порядка ввдя:

К'е-Ъ0 к Ь к 1-Ьц XI,

Я VI I,]-) в «

- число определяющих факторов.

После отсева незначащих коэффициентов (по критерию Стьюдента) выряжение для приняло вид:

К'ъ* 4,Ш + 0,6^ - О.йХ, + 0,61Х3 + 0,42Х4 - 0,09Х|£, 4- О.О'^Хз*

+ 0,04Х.Д4 - 0,0?Х3Х4 + О.ОбХ^ - 0,06Х| - 0,09Х§ - о.сьх^ . (7)

Коэффициент Ир определялся в отдельном эксперименте:

• Кр=(Р/1В) . (О)

Окончательное выражение для мощности вентиляции ¿¡?Т:

где А'^ - комплекс, определяемый по (6), (7).

гфаевые потери экспериментально определялись как разность:

1кр-Ча&чгЧкб)-^, , (10)

что для шРТ представляется наиболее обоснованна.

Исследовалось влияние четырех основных параметров: <§ , еС1Г , Ра / ^2СГП > У / Сцз , которые варьировались в пределах: £ = 0,231... 0,й4о; = о.. ЛЬ0; Р^/Р^л, = Й.-.о; "Д^ = 0,1...0,3. Другие параметры эксперимента: ¿с = 3 мм; с = 32 мм; /3_,г = 16, 21, 26°; мм; = о мм; В,/Вр = 0,03; г?г/^> = 0,1.

Зависимость для аппроксимирована выражением:

кР Нп ¿,(0.5+2.176) (И)-

Таким образом, в результате проведенных исследований получены зависимости для краевых и вентиляционных потерь, которые могут применяться в инженерных и оптимизационных ррсчетах трубопроводов.'

11ятпя гл"в° посвящена разработке и соворсекствовпнип малоразмерного пкеваэикструиоьг» с парциальным т,у обопри водом. С целью повышения ресурсп турбомг>.л'н разработаны и испытаны конструкции газодинамических ограничителей предельной частоты вращения холостого хода, основанные на использовании явления вентиляции газа на неактивной дуге, волокит ел ььый э'/узт- достигается благодаря кубическому характеру зависимости = {(и/Си}).

мзя специального уволичония вентиляционных потерь до требуемой величины в корпусе СЛ нп неактивной дуге напротив лопаток РЛ размещена проточка, разделенная порогородкпми. дроио того, в корпусе Рл вмполночг.| специальное радиальные вентиляционный г»н>>ды.. йри небольшом падении к.п.д. па рабочих режима/. '¿'/о при и/Си, - 0,«;) чистота врчпанил на холостом ходу сни.кеьа на 1а... к0% (рис. б), ЧТО СущООТ|>«4И:> .7ГОЛИ'« 1<"<1'Г реелк подлинников и

и

уменьшает напряжение во вря^ящихся деталях. Конструктивная схема испытанной ступени изображена на рис. Т.

й-

о,г

0,/5

о,<

0,0$

0 С/ 0,2 0,ъ ОА О,-Г и/Са

Рис. 6. Зависимсти внутреннего к.п.д. и вентиляционных потерь парциальных турбин от U/CUj : I - базовая ступень; Z - ступень с ограничителем частоты вращения.

Описянные в работе методы расчета и совершенствования МРТ реализованы в серии пневматических шифровальных малин. Разработанная физическая модель течения газа в парциальной турбине позволила сконструировать турбину повышенной эффективности для привода прецизионной шпиндельной головки. Ступень включает в себя вспомогательные сопла на неактивной дуге (рис.<£) с углом cCf $спом > близким к нулю, через которые проходит 10...It$ газа. Конструкция, являющаяся развитием разработки кафедры "1Урбинострсение" Санкт-Петербургского технического университета, позволяет ликвидировать неактивную дугу, а вместе с ней краевые и вентиляционные потери. Испытания в рабочих условиях показали, что для достижения заданной мощности ступень требует на V.'.. 10% меньше "воздуха, чем традиционная центростремительная турбина.

па основные узлы турбомалин получено Ь положительных релений ]-:а изобретения, в стадии рассмотрения находятся еле 4 заявки.

Б , А

6-6

Рис.7.

Д-/\ (розбсртко)

Степень с ограничителем Рис. % чонтросгремительная частоты вращения: I - ОА; ступень: I - 0А;2 -

И - проточка; 3 - венти- основные сопла; о -

ляциэнные каналы; 4 -изо лиро ванные се ад".к.

вспомогательные сопла; <* - Р1'С.

л л а V

I.

Разработан метод исследования течений в проточной части турбины, который представляет собой визуализацию по следам, оставляемым окрыленным потоком на наружной цилиндрической образующей ступени. >(отод позволил разработать физическую модель течения в парциальной турбинной ступени, уточнить причины возникновения потерь от неполноты впуска. Они, в частности, определяются:

- структурой потока на к.гходе из Рп, Гранины которого образуют конус со значительным углом раскрытия; при малых и/Сщ отработанный газ препятствует вращению Рл;

- увеличением сроднеиеинтегрального угла потока при введении пярциальности по сравнению с полноподводной рт::;еткой;

- изменением углов атаки лопаток РК на краях активной дуги.

На базе исследования течений в проточной части парциальной

МР'Г опг/1Долени основные фагторч, плияпчио на краепыо потери. Разработана зависимость для ^^ . [4

2. На основании аналитического изучения движения газа в меж-лопяточном канале на неактивной дуге МР'Г определена базовая модель процесса - зависимость мощности вентиляции от геометрических параметров, отражающая движение газа как вследствие его "захвата" кромками рабочих лопаток, тяк и под действием центробежных и ко-риолисовых сил. Влияние геометрических и режимных факторов, не вошедших в базовую модель (углов лопаток, относительных радиального и осевого зазоров, числа Ре и др.), определено из отдельных экспериментов и выряжено однопараметрическими формулами. Полученная зависимость для вентиляционных потерь дает хорошую сходимость: расхождение с большинством известных экспериментов разных авторов, проведенных с РК диаметром 0,03...I м, не превышает 20Й. ото позволяет рекомендовать метод для практических расчетов.

Дня мРР, величина вентиляционных потерь которых соизмерима с их внутренней мощность», метод расчета мощности вентиляции доработан с учетом взаимного влияния радиального и осевых зазоров, а также высоты лопаток. Шлучеьная зависимость является совокупностью 5язовой модели вентиляционных потерь и регрессионной зависимости; ее адекватность подтверждена с помощью критерия ¿ишеря; расхождение с экспериментами не превышает 4>.

3. Разработаны методы совершенствования парциальных ;«1РТ. Эффективность ступени с единичным соплом повышена за счет применения сопловых каналов с удлиненной выходной частью 1£$).

Эффективность ступеней с группой сопел повышена зя счет специального профилирования крайних сопловых каналов = 4,0%).

4. Разработаны и испытаны конструкции газодинамических огря-чичителей предельной частоты вращения холостого ходя МР'Г, основание на использовании явления вентиляции газа на неактивной дуге. 1езначительное снижение к.п.д. на рабочем режиме (до 2$) ведет к уменьшению предельной частоты вращения на 15...20%, что существенно увеличивает ресурс подшипников ротора турбомящин, уменьша-гт напряжения во вращающихся деталях.

Ь. Разработан типоразмерный ряд .шевматических машин с пар-бальными турбоприводами и газостатическими подшипниками, при фоектироиянии которых применялись новые технические решения, на гаторые получено Ь положительных решений на изобретения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих рантах:

1. Кстляр И.В., Кузнецов ¡D.U., Чувяков A.B. Расчет потерь ня вентиляцию в парциальной ступени турбины // Новые технические средства освоения океана.- Нижний Новгород, I99I.-C. üü-3a.

2. Котляр 11.В., Кузнецов ¡D.U., Чуваков A.B. Метод расчета вентиляционных потерь в турбоприводе // Тезисы докл. Всесоюзной межвузовской конференции по газотурбинным и комбинированным установкам.- к., 1991.- С. 64.

3. КЬтляр 14.В., Кузнецов Ю.Л., Чуваков А.Б. Метод детального расчета потерь ня вентиляцию в парциальной ступени турбины // Изв. вузов Энергетика.- В печати.- 10 с.

4. Кузнецов Ю.й., Чуваков А.Б., Воеводин А.1'. Некоторые особенности расчета и выбора параметров турбопривода судовых вспомогательных механизмов // Проблемы повышения надежности и эффективности систем и устройств судовой энергетики. Межвузовский сб.-Горький, 19Ь4.- С. 122-127.

5. Кузнецов D.U., Гусаров С.А., Семашко 11.11., Чуваков А.Б. Стенд для исследования микротурбин с газостатическим подвесом ротора и измерительного узла // Информационный листок 1<° tio-70 Горько вского цпТЛ, Х9оЬ.~ 4с.

Ь. Кузнецов В.П., Чуваков A.b., Бердников л.А. Установка для визуализации потока в элементах проточной части турбинной ступени // Проблемы автоматизации исследований и проектных решений в судовой энергетике. Межвузовский сб.- Нижний Новгород, 1990.-С. 90100.

7. Заявка на изобретение № 4о413и9/06, Г01Д 1/06. Положительное ревение от 27.03.91, Регулируемая парциальная турбина /'И.В. Котляр, Ю.П.Кузнецов, А,Б.Чуваков, П.В.Семаико.

6. Заявка ня'изобретение ,'i» 4o3cü29/06, Ги1Д 21/02. Положительное решение от 07.0o.Ji. Хурбинный пневмодвигатель / /иВ.Котляр, ¡О.П.КузнеЦов', А.В.Чуваков, 11. В.Семалко. .

9. Заявка на изобретение > 4c//i7üo/Gö, Г01Д 9/02. Положительное решение от <ао.06.91, Малорасходная турбина / И.В.Котляр, ¡О.И.Кузнецов, A.b.Чувяков.

10. Заявка на изобретение Iе 4000974/06, Ги1Д Ib/Oö. Пэложитоль-ное решение от. 30.03.Парциальная микротурбина / и. В.Котляр,

¡0. П. Кузнецов, 11. в. Секта ко, A.B.Чувяков.

11. Заявка на изобретение л' 4910071, Ги1Д 1/00. Положительное роиекио от 00.92. Радиальная турбина / В.Котляр, Ю. 1UКузнецов, -.¡..Чуваков и др. у