2. Опытные стенды, модели и приборы

Исследования аэродинамических характеристик элементов проточной части паровых и газовых турбин в лаборатории турбомашин БГТУ выполняются как на статических стендах, так и на экспериментальных турбинах (вращающихся стендах).

1. Статический стенд

На рис. 1 показана схема статического стенда для испытаний плоских (прямых) решеток профилей лопаток.

Рис. 1. Схема аэродинамического статического стенда для испытания решеток профилей лопаток:

1–электродвигатель; 2–вентилятор; 3–трубка; 4–конфузор;

5–прямоугольный патрубок; 6–координатник; 7–пакет лопаток;

8–обойма; 9–поворотный стол; 10–полудиски; 11–воздушная задвижка

Вентилятор 2 нагнетает воздух при давлении 300…400 мм вод. ст. в воздухоподводящую трубу 3, которая посредством конфузора 4 плавно соединяется с прямоугольным патрубком 5. В конце этого патрубка помещен пакет лопаток 7, собранный в обойме 8 и закрепленный посредством колодок на поворотном столе 9. При повороте стола полудиски 10 скользят в выточках горизонтальных стенок патрубка, а подвижные пластины перемещаются в боковых вырезах патрубка. Поворот стола позволяет устанавливать решетку профилей под различными углами атаки к потоку воздуха.

Приборы для измерений скоростей и углов потока за решеткой закрепляются в координатнике 6, с помощью которого измеряются координаты, определяющие положение в пространстве точки замеров, и угол установки прибора.

Для изучения принципиальных свойств проточной части той или иной турбомашины испытуемая модель лопаточного аппарата должна быть поставлена в условия, исключающие влияние различных второстепенных явлений, имеющих случайный характер. В предварительной стадии опытов следует также исключать такие явления, влияние которых может быть существенным, но которые могут быть в значительной мере смягчены или почти вовсе устранены при проектировании новых турбомашин. Явления такого рода следует изучать после того, как выяснены основные качества лопаточного аппарата.

В силу изложенного перед решеткой профилей необходимо достигнуть однородности потока, т. е. получить такой поток, в живом сечении которого очень мало меняются давление и скорость. Для того чтобы поток был одно­родным, иногда применяются специальные меры: в подводящей трубе устанавливаются выравнивающие сетки; перед входом в решетку предусматривается конфузор, выравнивающий поток и уменьшающий тол­щину пограничного слоя; у подводящего патрубка делаются передвижные боковые стенки или крайние лопатки ставятся поворотные с целью устранения скоса потока. Изменение профиля скоростей перед решеткой может существенным образом отразиться на характере обтекания профилей лопаток, влияние же неоднородности потока на потери энергии должно изучаться особо, чтобы не затемнять основных явлений, протекающих в решетках. Во время испытаний при наличии однородного поля перед решеткой достаточно измерять скорость и давление в одной точке. За решеткой профилей на небольшом расстоянии поле скоростей получается всегда неравномерным. Каждый профиль оставляет кромочный след, скорости в котором значительно меньше, чем в ядре потока. Поэтому на протяжении шага наблюдаются значительные изменения скорости потока как по величине, так и по направлению. При испытаниях важно, чтобы эти изменения происходили периодически по крайней мере на протяжении трех шагов. Для этого число лопаток в решетке должно быть не менее 6…7 шт. При этом можно считать, что особые условия обтекания крайних лопаток сказываются достаточно слабо на обтекании средних лопаток и что картина обтекания средних лопаток будет прибли­зительно такая же, как в бесконечном ряде лопаток.

Картина скоростей за решеткой меняется также по мере приближения к концам лопаток, так как на краях возникают концевые потери энергии, и структура потока сильно меняется. Вблизи концов лопаток поток нельзя считать плоским. Поэтому для исследования обтекания профиля плоским потоком надо выделить средний участок лопатки, достаточно удаленный от ее концов. С этой целью испытанию подвергаются достаточно длинные лопатки обычно с отношением длины к хорде l/b > 2. Явления на концах лопаток изучаются особо.

Важное значение имеет выбор плоскости, в которой производятся изме­рения. Сразу за кромками лопаток поток очень неравномерен, а затем он постепенно выравнивается. В большинстве случаев поток за решеткой хорошо выровнен уже на расстоянии около половины хорды лопатки от выходных кромок. Вместе с тем на этом расстоянии обычно в среднем сечении еще не сказывается размыв струи на ее границах.

Процесс выравнивания потока за решеткой, естественно, сопровож­дается потерями энергии. В ступени же, если осевой зазор между направляю­щими и рабочими лопатками мал, обтекание профилей лопаток неравномер­ным потоком сопряжено также с дополнительными потерями энергии. Поэтому для практического использования результатов опытов измерения следует производить на таком расстоянии от выходных кромок лопаток, где поток успел в достаточной мере выровняться.

Большой круг практических задач решается путем продувок при малых скоростях потока, результаты же таких опытов оказывается возможным распространить на достаточно широкую область автомодельности. Для таких аэродинамических исследований решеток профилей широко используются вентиляционные установки с напором 400…1000 мм вод. ст. В зависимости от размеров решеток производительность вентиляционной установки составляет обычно 5…20 тыс. м³/час. Скорости воздуха на выходе из решетки получаются 50…100 м/с. Размеры моделей выбираются таким образом, чтобы сохранялись условия автомодельности. Для турбинных и компрессорных решеток профилей лопаток обычно опыты проводятся при числах Re > 120 000 и М > 0,2. Хорда лопаток при этом выбирается порядка 60…80 мм. Резуль­таты выполненных таким образом опытов могут быть распространены на работу ступеней турбин и компрессоров, работающих при числах М менее 0,5…0,7.