книги из ГПНТБ / Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении

Такое поперечное перетекание жидкости обычно называется вторичными токами. Вторичные токи можно без особого труда наблюдать и даже можно измерять составляющие скоростей, об­ разующих парный вихрь. На рис. 5.9 показано поле тангенци­ альных скоростей в выходном сечении колена, полученное проф, М. А. Дементьевым в лаборатории ЛПИ им. Калинина.

Таким образом, структура потока в криволинейном канале определяется увеличением давлений и уменьшением скоростей

Внешняя стенка

в направлении от внешней к внутренней стенке колена, наличием

Указанные явления определяют природу потерь в колене и те качественные изменения однородности потока, которые проис­ ходят при наличии в трубопроводе колена.

Из приведенного анализа физической картины потока на пово­ роте следует, что потери в колене складываются из потерь: на трение, на образование парных вихрей и потерь из-за наличия местных отрывов потока. Последние имеют наибольшую относи­ тельную величину, а потери на трение составляют наименьшую долю общих потерь. Отсюда следует, что для уменьшения потерь в колене прежде всего нужно устранять местные аэродинамиче­ ские диффузоры, часто приводящие к местным отрывам потока. Затем следует уменьшать интенсивность вторичных токов, об­ разующих парные вихри, и только после этого добиваться сни­

148

жения сил трения. Этот анализ указывает пути для уменьшения потерь в коленах. Рассмотрим два способа уменьшения потерь, а именно: за счет увеличения относительного радиуса закругле­ ния и с помощью установки в коленах направляющих лопаток. Первый способ весьма прост, но его осуществление при скольконибудь значительном эффекте неизбежно ведет к большому уве­ личению радиуса закруглений, а следовательно, и общих габа­ ритов колен. Последнее по конструктивным соображениям и по соображениям стоимости изготовления весьма нежелательно. Вто­ рой способ получил широкое при­ менение в аэродинамических тру­ бах и все больше внедряется при проектировании промышленных установок и машин.

Кроме того, потери зависят и от других геометрических харак­ теристик колена: радиусов кри­ визны внешней и внутренней сте­ нок, формы поперечного сечения, соотношения площадей входного и выходного сечений и др. На рис. 5.10 изображена эксперимен­ тальная кривая зависимости коэф­ фициента потерь £ от радиуса кри­ визны г, отнесенного к высоте канала Ь.

Кривая 1 показывает измене­ ние коэффициента потерь £ в за­ висимости от величины относи­ тельного внутреннего радиуса за­

кругления нормального колена квадратного сечения при наличии выходного участка, равного десяти калибрам. Как и следовало ожидать, увеличение радиуса приводит к уменьшению потерь

внормальном колене. Причем нормальным коленом считают такое, у которого внутренняя и внешняя стенки очерчены ра­ диусами, проведенными из общего центра.

Следует заметить, что £ очень сильно падает при изменении rib

впределах от 0 до 1, в то время как при изменении rib от 1 до 2 величина £ изменяется слабо, а при rib > 2 £ принимает постоян­ ное значение. Отсюда можно сделать вывод, что увеличивать радиус кривизны нормальных колен имеет смысл только до опре­ деленного значения.

Кривая 3 показывает зависимость £ (rib) при наличии прямого внутреннего угла и закругленной внешней стенки.

Кривая 2 дает £ при повороте на прямой угол внешней стенки и закруглении внутренней.

Из анализа кривых видно, что скругление внешней стенки менее эффективно, чем скругление внутренней. И, более того,

149

увеличение радиуса кривизны внешней стенки (при г >• Ь) вызы­ вает даже некоторый рост коэффициента сопротивления.

Результаты большого количества экспериментов показаны на рис. 5.11, где для различных радиусов кривизны внешней стенки га приведены кривые изменения величины £ в зависимости от радиуса кривизны внутренней 5

мального мало, в большинстве практических случаев можно ре­ комендовать нормальные колена.

Влияние формы поперечного сечения колена на сопротивление можно видеть на рис. 5.12. На этом же рисунке даны для различ­ ных колен экспериментальные кривые изменения коэффициента потерь в зависимости от гср/Ь. Легко видеть, что колено круглого сечения 1 имеет наименьший коэффициент сопротивления.

Интересно отметить, что колено с квадратным поперечным се­ чением и закругленной внутренней стенкой 2 имеет сопротивление меньше, чем соответствующее колено с обеими закругленными стенками 3. Сравнение кривых 2 и 4, 3 и 5 показывает, что сопро­

150

тивление в коленах с отводящими трубами меньше, чем сопротив­ ление в коленах без отводов.

Для труб прямоугольного сечения на сопротивление в колене значительное влияние оказывает ширина канала Н. На рис. 5.13 изображены кривые изменения потерь в колене в зависимости от ширины трубы Н при различных значениях среднего радиуса закругления, отнесенного к высоте. Как легко видеть, с увеличением относительной ширины трубы коэффициент сопротивления падает.

Существенное увеличение потерь при уменьшении НІЬ объяс­ няется тем, что при повороте потока вокруг широкой стороны вторичные токи локализуются у боковых стенок колена и их роль в общих потерях мала. При повороте потока вокруг малой стороны вторичные токи занимают все поперечное сечение, и общие потери при этом сильно возрастают.

Влияние длины выходного участка трубы после поворота потока I на коэффициент потерь можно видеть на рис. 5.14. Нали­ чие отводящей трубы значительно снижает потери.

При увеличении длины отводящей трубы коэффициент потерь быстро убывает и стремится к некоторой постоянной величине. Длина отводящей трубы, при которой £ становится постоянным, зависит от относительного радиуса закругления. Если для колена при гср/Ь = 0 длина этого участка составляет 10— 12 калибров,

151

то при rcp/b = 0,5 она равна шести калибрам, при гср/Ь = 1 — двум калибрам.

Аналогичное влияние можно наблюдать и в поворотных коле­ нах, поперечные сечения которых отличаются от квадрата. Для колена с круглым поперечным сечением это можно было видеть на рис. 5.12.

Обратное влияние оказывает наличие трубопровода перед коленом. На рис. 5.14 пунктиром нанесена кривая изменения коэффициента сопротивления колена в зависимости от дли­ ны трубопровода, помещен­ ного перед коленом. Как лег­ ко видеть, с увеличением длины £ растет и при неко­ торой длине, порядка 15 ка­ либров, становится постоян­ ным. Сопротивление колена растет до тех пор, пока дли­ на трубопровода не дости­ гает значения, равного дли­

не начального участка. Дальнейшее увеличение

длины трубопровода не при­ водит к росту сопротивления, так как в поворотное колено входит поток с уже устано­ вившимся турбулентным про­ филем скоростей.

Уменьшение угла поворо­ та потока ведет к уменьше­ нию потерь. На рис. 5.15

показаны экспериментальные кривые изменения потерь в зави­ симости от угла поворота Ѳ для трех поворотных колен. Для колена круглого сечения [61] даны кривые изменения £ в зави­ симости от угла поворота Ѳ при двух значениях отношения сред­ него радиуса поворота к диаметру трубы.

Ввиду того что потери в колене определяются прежде всего наличием местных отрывов потока, а начало и длина области отрыва зависят от структуры пограничного слоя, то, следова­ тельно, величина потерь в колене должна зависеть от значения числа Re.

На рис. 5.16 показаны кривые изменения коэффициента по­ терь £ в зависимости от числа Re для колена квадратного сечения с гладкими и шероховатыми стенками [60]. Для практически гладких стенок при числе Re = ІО5 (Re = ѴЫѵ) начинается силь­ ное падение коэффициента потерь, которое продолжается до Re = = 2 - ІО5, после чего коэффициент потерь практически перестает зависеть от числа Re, т. е. наступает автомодельная область.

152

Шероховатость поверхности стенок колена оказывает суще­ ственное влияние на потери. При этом определяющее влияние имеет шероховатость внутренней стенки колена. На рис. 5.16 видно, что кривая £ (Re) для колена с гладкой внутренней стен­ кой и остальными тремя шероховатыми мало отличается от кри­ вой для колена с гладкими стенками. В то же время кривая для колена с шероховатой внутренней стенкой близко расположена от кривой для колена со всеми шероховатыми стенками. Из этих же

Рис. 5.16. Влияние числа Re на потери в колене с гладкими и шероховатыми стенками:

кривых видно, что при больших шероховатостях (е =Ч),25%) явление кризиса потерь не наблюдается.

Явление кризиса потерь в колене связано с явлением отрыва пограничного слоя на внутренней стенке колена, а именно: до кризиса отрывается ламинарный пограничный слой, а после кри­ зиса — турбулентный. Во втором случае отрыв наступает позже и сама область отрыва меньше, чем в первом.

Как и во внешней задаче, можно искусственно ускорить на­ ступление кризиса потерь. Так, если на внутренней стенке перед коленом установить проволочку или наклеить шероховатый эле­ мент, то можно искусственно турбулизировать пограничный слой, и кризис сопротивления произойдет при меньших значениях чисел Re.

Приведенные данные относятся к коленам с короткими участ­ ками трубы на выходе из колена. При наличии длинной трубы на выходе, в конце которой устанавливается одинаковое поле для всех режимов, различие в коэффициенте потерь для разных режи­ мов становится меньше, т. е. коэффициент потерь слабо зависит от числа Re.

153

Влияние числа Мх на входе на коэффициент потерь колен с различными радиусами закругления показано на рис. 5.17. Здесь приведены результаты опытов с кг ленами прямоугольного поперечного сечения (16x16 мм) с различными отношениями ве­ личины внутреннего радиуса колена г,- к высоте канала Ь. Внеш­ няя стенка описывалась дугой из того же центра, что и внутрен­ няя, т. е. радиус внешней стенки всегда был больше внутреннего на 16 мм. Кривая 1 характеризует потери в колене, в котором внутренний угол прямой, а внэшней стенкой являлась дуга с ра-

Рис. 5.17. Влияние числа Мх на коэффициент потерь в колене

диусом 16 мм, а кривая 2 относится к колену, у которого оба угла прямые.

Из кривых видно, что при больших радиусах поворота (г/Ь > > 0,5) влияние числа Мх на коэффициент потерь мало. При малых радиусах поворота и в прямоугольных коленах влияние чисел Мх на потери велико. Измерение давлений на стенки колена показало, что причиной сильного роста потерь при малых радиусах пово­ рота является наличие на внутренней стенке местных сверхзвуко­ вых областей.

Эти же кривые хорошо иллюстрируют влияние радиуса пово­ рота на потери и при малых числах М ѵ При увеличении радиуса поворота до rib = 1 потери падают, а при дальнейшем увеличе­ нии rib они вновь растут. Это еще раз указывает на то, что при больших радиусах поворота сильно увеличиваются потери на тре­ ние, хотя местные потери и убывают.

Многочисленные опыты говорят о том, что соотношение площа­ дей поперечных сечений перед и за коленом существенно влияет на его сопротивление. Фотографии спектров обтекания в сужа­ ющихся и расширяющихся коленах показывают, что по сравнению с коленом постоянного сечения отрыв потока у внешней стенки

154

в сужающемся колене меньше или вовсе отсутствует, а в расши­ ряющемся колене он значительно больше. Естественно, что в су­ жающихся коленах потери меньше, чем в коленах постоянного сечения, и что с увеличением расширения растут и потери.

Изменение потерь в зависимости от соотношения площадей за So и перед Sj коленом при повороте потока под прямым углом приведено ниже:

Приведенные выше данные получены для колен с прямоуголь­ ным поперечным сечением (НІЬ = 4).

Видно, что влияние степени расширения канала на потери в колене очень велико. При изменении п от 0,5 до 1,5 коэффициент потерь увеличивается более чем в три раза. Наиболее интенсивный рост потерь происходит в диффузорных коленах.

Отметим, что потери энергии в колене с расширением больше, чем суммарное сопротивление в последовательно расположенных обычного поворота и внезапного расширения потока.

29. Колена со вставками

При необходимости умень­ шения габаритов, а следователь­ но, радиусов кривизны поворот­ ных колен, часто прибегают к сильно изогнутым или даже прямоугольным и остроуголь­ ным каналам. Для уменьшения значительно возрастающих при этом потерь и улучшения одно­ родности поля скоростей за ко­ леном в последние годы широко используются различные профи­ лированные и непрофилиро­ ванные направляющие лопатки,

/ устанавливаемые на повороте. Опыты В. И. Ханжонкова и В. И. Талиева [153] показы­

вают, что при правильном размещении тонкие непрофилироваш ные лопатки в криволинейных и прямоугольных коленах дают весьма значительное снижение сопротивления.

На рис. 5,18 показано изменение £ квадратного колена при rib = 0 в зависимости от положения одной лопатки.

На рис. 5.19 приведены кривые изменения коэффициента со­ противления в зависимости от rib для квадратного трубопровода

155

при различных числах оптимально расположенных лопаток.

гДе £б. л — соответствующий коэффициент потерь без лопаток. Для того чтобы оценить роль направляющих лопаток в сни­ жении потерь, приведем две сводные таблицы результатов опытов

161], произведенных с самыми разнообразными поворотными коленами.

В табл. 5.4 приведены результаты опытов с поворотом потоков на 90 и 180° при сохранении входных и выходных площадей попе­ речных сечений, при отсутствии и при наличии лопаток на пово­ роте. Расположение лопаток показано в конце таблицы. В послед­ ней графе таблицы дано понижение коэффициента сопротивления колена после установки лопаток. Число Ре при опытах, вычислен­ ій0,?,. п°ф5величине расходной скорости и стороне Ьа, было равно

156

Та б л и ц а 5.3. Значение коэффициента потерь при различном числе направляющих лопаток

Установка лопаток на повороте сильно снижает потери в ко­ лене. В приведенных в табл. 5.4 случаях коэффициент потерь после установки лопаток уменьшался в 4—5 раз.

Не менее поразительное влияние оказывают лопатки при по­ воротах потоков с расширением. Этот случай имеет весьма важное практическое значение, так как несмотря на то, что диффузор на повороте приводит, как было прежде отмечено, к значительному повышению потерь, во многих практических случаях конструк­ торы вынуждены строить колена с расширением. Такими являются все патрубки газовых и паровых турбин, отсасывающие трубы гидравлических турбин и много других элементов различных машин и сооружений.

В табл. 5.4 приведены результаты опытов с поворотом потоков при наличии диффузоров. Снижение потерь при установке лопа­ ток и в этом случае весьма велико и составляет 60—80%.

Обращает на себя внимание случай поворота потока с помощью одной непрофилированной лопатки по схеме д (табл. 5.4).

157