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

высокий к. п. д. по сравнению с другой, необходимо изучение распределения давлений по поверхности профиля. Очевидно и при разработке новых профилей надо исследовать распределение давления по поверхности их.

Р

Рис. 3.8. Кривые распределения давлений в турбинной решетке при различных углах входа

Изучение распределения давлений имеет исключительно боль­ шое значение также и потому, что оно определяет главную часть силового взаимодействия профиля со средой.

16« Экспериментальные машины

Изучение работы элементов турбомашин на статических уста­ новках не может дать полного представления о процессах, проис­ ходящих в машинах, поэтому ведущие конструкторские бюро и заводы уже давно начали вести исследования на эксперимен­ тальных машинах.

Наибольшее распространение получили одноступенчатые ма­ шины, но существует немало моделей многоступенчатых экспе­ риментальных турбин, компрессоров и насосов. Конструкция таких машин значительно сложнее выпускаемых заводами для эксплуатации, так как к ним предъявляется ряд дополнительных требований:

1) возможность работать на средах, отличных от рабочих сред; например, вместо пара — воздух, воды — воздух и вместо воздуха какой-либо другой газ;

2)точное измерение полезной и располагаемой мощности, а следовательно, перепада давлений, полного расхода;

3)измерение поля средних и мгновенных скоростей и давлений

взазорах между направляющим аппаратом и рабочим колесом, на входе и на выходе из ступени;

4)измерение средних и мгновенных давлений на лопатках направляющего аппарата и вращающихся рабочих колесах.

78

При исследовании работы многих машин возникает необхо­ димость изучения поля температур.

Для всех экспериментальных машин общим требованием яв­ ляется создание конструкции, позволяющей варьировать основные элементы ступени: направляющий аппарат и рабочее колесо с раз­ личным облопачиванием, с различными втулочными отношениями, радиальными и осевыми зазорами и т. д.

К числу задач, решение которых производится на эксперимен­ тальных машинах, можно отнести: а) окончательную отработку ступеней разрабатываемой конструкции; б) влияние осевого и радиального зазора, влияние перекрыш, высоты лопаток, шеро­ ховатости и других геометрических размеров ступени на к. п. д.; в) влияние критериев подобия на к. п. д.; г) влияние парциальности впуска и д) изучение нестационарных явлений (помпаж, флатер, бегущий вихрь и пр.).

Детали конструкций многих экспериментальных машин рас­ смотрены в некоторых статьях. Так, обзор экспериментальных турбин и компрессоров, широко используемых в одной из ведущих лабораторий страны — лаборатории паровых турбин Ленинград­ ского металлического завода им. XXII съезда КПСС, дан в ра­ боте [56]. Описание экспериментальной универсальной турбины Дрезденского высшего технического училища, работающей на паре и воздухе, опубликовано еще в 1936 г. [1981, а описание экспери­ ментальной машины фирмы «Эшер—Висс» — в 1939 г. [209]. Проект экспериментальной турбины, разработанной в ЦКТИ, описан в книге М. Е. Дейча [40].

В последнее время считают целесообразным вместо сложных универсальных машин создавать более простые с более ограничен­ ным назначением [9]. На таких особо простых машинах можно получить результаты скорее, точнее и дешевле, чем на сложных машинах.

По объему и методам исследования экспериментальные турбо­ машины могут быть следующих типов.

1. Машины, оборудование которых позволяет измерить к. п. д. лишь по располагаемой и полезной мощности для турбин и по затрачиваемой и полезной мощности для компрессоров и насосов. Они оборудованы установками, позволяющими измерять полезную мощность турбин и затрачиваемую мощность компрессоров (гид­ равлический или электрический тормоз и пр.). На таких машинах получают так называемые энергетические характеристики.

2. Машины, в которых изучаются поля скоростей и давлений и изменения энергии в проточной части, т. е. лишь гидродинами­ ческие характеристики.

3. Машины, позволяющие получить как энергетические, так и гидродинамические характеристики.

Рассмотрим одну из простейших конструкций эксперимен­ тальных турбин — турбину Брянского института транспортного машиностроения (БИТМ). На этой турбине было получено много

79

интересных результатов по формуле облопачивания проектируе­ мых турбин и некоторые общие закономерности [69].

Турбина БИТМ предназначена для изучения влияния на к. п. д. осевых зазоров и перекрыт, высоты лопаток, формы профилей и пр. Обеспечение модели воздухом производится с помощью вен­ тиляционной установки, создающей напор до 1000 мм вод. ст. (9806 Па) при расходе до 4 м3/с. Между экспериментальной тур­

биной и вентилятором имеется бак, в котором происходит успо­ коение и выравнивание потот.

К направляющему аппарату турбины воздух подводится через

Рис. 3.9. Схема экспериментальной турбины БИТМ

на входе в турбину имеется обтекатель 2, который создает значи­ тельную конфузорность канала и тем самым обеспечивает доста­ точную однородность потока при входе в направляющий аппарат 3. Рабочее колесо 4 расположено на консоли вала, установленного на двух подшипниках 5 и 6. Полезная мощность турбины опре­ деляется с помощью гидротормоза 7.

В процессе исследования могут производиться измерения рас­ хода воздуха, напора, частоты вращения, вращающего момента, а следовательно, и к. п. д. Кроме того, можно исследовать поля скоростей и давлений перед и за рабочим колесом.

В этой простой экспериментальной турбине, помимо сравни­ тельных испытаний различных лопаток рабочего колеса и направ­ ляющего аппарата, оказалось возможным с помощью установки промежуточных колец изучить влияние осевого зазора. Кроме того, заменяя бандаж, прикрепленный к лопаткам винтами, можно из­ менять его размеры или испытывать лопатки без бандажа. Без особого труда можно менять форму и размер пространства над

бандажом, осуществлять различные формы пространства за ра­ бочим колесом и пр.

80

Как указывалось ранее, при моделировании потоков в гидро­ турбинах основными критериями подобия являются приведенный расход и приведенная частота вращения п[.

Из условий подобия по Qi и по пі можно найти расход и ча­ стоту вращения для модели при испытании на воздухе. Они будут соответственно определяться по формулам:

Qm= Ql£>M

ям = п і- и и

где индекс м относится к модели.

Колеса моделей турбины на аэростенде ЛПИ и в лаборатории ЛМЗ имеют диаметр, равный 460 мм. Следовательно, расход и частота вращения на этих моделях будут равны:

некоторых радиально-осевых (РО) и поворотнолопастных (ПЛ) турбин, испытываемых на гидроиспытательной станции ЛМЗ.

Для самых быстроходных поворотнолопастных турбин зна­ чения Qi и п’\ на рабочих режимах не превышают 2,6 м3/с и 220 об/мин, а для тихоходных соответственно 1,0 м3/с и 100 об/мин. Приведенный расход и приведенная частота вращения радиально­ осевых турбин не превосходят указанного верхнего предела для

82

максимальный расход воздуха достигает 4,5 м3/с, а максимальные обороты колеса — 4340 об/мин.

Создание на аэростенде указанных расходов и частот вра­ щения не представляет особых затруднений. Следовательно, ос­ новные параметры моделирования потоков в турбинах при их исследовании на воздухе могут быть полностью выдержаны.

Установки для исследования потоков в моделях гидравличе­ ских турбин на воздухе по принципу действия могут быть разде­ лены на два класса: работающие на всасывание и работающие на нагнетание. Схематическое изображение этих типов установок

Количество воздуха определяется мерным соплом 6, помещенным между камерой 5 и компрессором. Заслонка 7 служит для измене­ ния расхода воздуха.

Приведенная на рис. 3.10 кривая изменения давления в про­ точной части показывает, что на всем протяжении от входа до компрессора давление внутри установки меньше, чем в помещении. Точка б на кривой давления показывает разность давлений в по­ мещении и в сечении за рабочим колесом. В отсасывающей трубе давление растет и в баке достигает величины, определяемой точ­ кой в. Дальше по пути от бака до сечения д давление падает за счет потерь в трубе, сетке и мерном сопле и перед компрессо­ ром вновь восстанавливается из-за наличия диффузора между

1 В частности, для выяснения влияния числа Re.

2 Установка, работающая на этом принципе, создана фирмой «Escher — Wiss Mitteilungen», 1937, № 4.

Рис. 3.10. Схема установки и кривая изменения давлений при работе на всасывание

Рис. 3.11. Схема установки и кривая давления при работе на нагнетание

84

сечениями д и е. Перепад, создаваемый компрессором, равен раз­ ности давлений в точках е й к. Полезный напор Я, по отношению к которому вычисляется к. п. д. модели турбины, находится по величине разности давлений в помещении и в камере 5, т. е. между точками а я в.

Вустановке, работающей по второму принципу, верхний бьеф имитируется нагнетательным трубопроводом, в который подается воздух под давлением, а нижний бьеф — помещением с воздухом при атмосферном давлении. Схема такой установки (рис. 3.11) конструктивно отличается от первой лишь тем, что компрессор 1 перенесен и поставлен перед подводящей камерой и направляющим аппаратом.

Всоответствии с изменением местоположения компрессора из­

менится и кривая давления; она примет вид, показанный на рис. 3.12. Рабочий напор в этом случае определится по разности полных энергий в точках б и г, т. е. в сечениях за компрессором и

вбаке. Давление внутри всей проточной части будет больше, чем

впомещении.

Установка первого типа отличается от натурной тем, что про­ точная часть модели турбины, а следовательно, колесо и отсасы­ вающая труба работают при отсасывании, а не под напором, как это имеет место в натуре. Кроме того, на модели поток из отсасы­ вающей трубы поступает в бак ограниченного объема, в то время как в натуре это пространство практически не ограничено.

Установки второго типа, работающие, как и натурная турбина, под напором, отличаются от последней тем, что в турбинную ка­ меру, а следовательно, и на рабочее колесо поток воздуха, посту­ пающий непосредственно после компрессора, сильно завихрен и турбулизирован. В натуре поток в турбину поступает из неогра­ ниченного объема, и поэтому он имеет минимальную завихренность.

Установка ЛПИ, называемая в дальнейшем аэростендом, как легко видеть на рис. 3.12, работает на нагнетание. Выбор этого принципа обусловлен желанием точнее моделировать поток на выходе из отсасывающей трубы, которая является наиболее чув­ ствительным элементом турбины.

Конструктивно установка отличается от схемы, показанной на рис. 3.11, тем, что между компрессором и подводящей камерой поставлен напорный бак. Необходимость в заслонке отпадает, так как регулирование расхода осуществляется изменением ча­ стоты вращения вентилятора.

На рис. 3.12 видно, что двухступенчатый осевой вентилятор через патрубок 1 засасывает воздух из помещения и через коль­ цевой диффузор 3 нагнетает его в напорный бак 4. Из напорного бака воздух поступает в модель гидравлической турбины. Здесь, пройдя через подводящий патрубок 8, спиральную камеру и на­ правляющий аппарат 5, воздух попадает на рабочее колесо 7. Отсюда воздух через отсасывающую трубу 6 возвращается в по­ мещение.

85

86

Рис. 3.12. Схема аэростенда ЛПИ и кривая изменения давления

При этом давление меняется так, как показано на рис. 3.12. Вначале происходит некоторое понижение давления (от а до б). Затем при прохождении воздуха через компрессор давление резко возрастает (от б до б) и продолжает увеличиваться в кольцевом диф­ фузоре. В напорном баке давление остается постоянным. При про­ хождении воздуха через подводящую камеру (б) и рабочее колесо давление падает и становится меньше атмосферного (е). Расчетный

напор определяется по разности давлений в баке 4 ив поме­ щении.

Расход определяется по показаниям микроманометра 2, при­ соединенного к специально протарированной скоростной трубке,

Рис. 3.13. Общий вид аэростенда ЛПИ

которая помещается во входном сечении патрубка 1. Как видно из рисунка, входное сечение патрубка меньше сечения цилиндри­ ческой части, в которой расположен вентилятор. Это сделано для того, чтобы увеличить скорость потока и, следовательно, повысить точность измерения расхода воздуха.

Для снижения потерь в баке воздух от вентилятора идет по кольцевому диффузору 3.

Кольцевой диффузор имеет круглое поперечное сечение с наи­ меньшим внешним диаметром, равным 1,0 м, и наибольшим диа­ метром, равным диаметру напорного бака 3,98 м. Длина диффу­ зора по оси от входного сечения до напорного бака равна 4 м.

Основные требования, предъявляемые к напорному баку, за­ ключаются в том, что он, имитируя собой верхний бьеф, должен иметь достаточно большой объем для того, чтобы давление в нем было постоянным, скорости воздуха имели небольшие значения, а поле скоростей на входе в модель турбины было по возможности однородным. Общий вид установки ЛПИ показан на рис. 3.13.

На установке ЛПИ можно изучить проточную часть любых типов гидротурбин. Здесь исследовались модели турбин с поворо­

87