9 Критерии подобия турбомашин

Геометрическое подобие – главное требование к модели. Однако в ряде случаев возникают непреодолимые препятствия для соблюдения полного геометрического подобия, Например, при сильном уменьшении выходные кромки лопаток могут оказаться чрезмерно тонкими и технологически невыполнимыми. Слишком малые зазоры между статором и ротором – также могут быть практически недопустимыми. Всегда в некоторой мере получается различная шероховатость обтекаемых поверхностей в натуре и модели. Нарушения геометрического подобия допустимы только в тех случаях, когда есть уверенность, что то или иное отклонение от натуры не отражается существенно на исследуемых характеристиках турбомашин и физических явлениях или когда возможно внесение надежных поправок. Так решаются вопросы о зазорах между статором и ротором, о шероховатости поверхностей, о ширине лопаток и др. Но в ряде случаев несоблюдение геометрического подобия может повлечь коренное нарушение общей картины течения, напри- мер при замене плоских торцовых стенок у внешних границ направляющих каналов на цилиндрические, при сильном нарушении геометрического подобия входных и выходных патрубков, при изменении формы меридионального сечения проточной части и т. п.. Кинематическое подобие – второе важное условие моделирования. Это условие также редко полностью выдерживается. При построении моделей турбомашин обычно главное внимание направлено на подобие треугольников осредненных скоростей, что связано с соблюдением важнейших характеристических коэффициентов, но часто нет возможности выдержать кинематическое подобие потоков при входе в ступень и выходе из нее с учетом вторичных течений. Нарушение кинематического подобия чаще всего связано с отклонениями от геометрического моделирования и от критериев динамического подобия. Критерии динамического подобия при построении модели, как правило, приходится существенно нарушать. Важнейшая задача теории турбомашин – оценка влияния неточностей моделирования на характеристики исследуемых элементов проточной части. Область, в которой влияние того или иного критерия пренебрежимо мало – область приближенной автомодельности по этому критерию. Выполнение модели и условий эксперимента таким образом, чтобы опыты протекали в области автомодельности, приводит к наиболее надежным результатам. Рассмотрим влияние отклонений основных критериев динамического подобия на рабочий процесс в турбомашинах. Число ^ М должно рассматриваться совместно с отношением теплоемкостей k. Но если рабочее тело имеет одинаковые физические свойства как в натуре, так и в модели, то вопрос стоит о моделировании только по числу М. Когда речь идет о потоках при числах М = 0,2…0,3, то погрешности при отступлении от натурного числа ^ М не играют роли. При больших же числах М даже малое его изменение по сравнению с натурным может привести к существенным изменениям кинематики потока. Число Струхаля играет важную роль в нестационарных процессах. Явления нестационарности наблюдаются в любой ступени турбомашины, работающей в условиях обтекания профилей лопаток неравномерным потоком. С этой точки зрения неправомерно распространение результатов испытаний неподвижных решеток на ступени турбомашины. В турбостроении долгое время принималось за истину, что решетки профилей, показавшие хороший результат при стационарных испытаниях, должны быть оптимальными и в условиях действующей ступени. Не отрицая, разумеется, всю важность отработки решеток профилей в стационарных условиях, все же следует заметить, что при вращении решеток протекающий в них процесс существенно меняется. Поэтому несоблюдение критерия Струхаля нередко приводило к достаточно сильным эффектам, вносившим корректировку в статические испытания.

Число Рейнольдса существенно меняется вместе с изменением размера модели. Например, модели колес крупных гидротурбин имеют диаметр в 20…30 раз меньше натурного, и число Re_м может быть в десятки раз меньше Re_н. Большие отступления от критерия Рейнольдса приходится допускать также при моделировании процессов в паровых и газовых турбинах, особенно при резко отличающейся плотности рабочего тела в модели и в натуре.