книги из ГПНТБ / Митрохин В.Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах

в колесе, а с образованием зоны затенения. По мере увеличения

такая же картина наблюдается и в турбине 2. При дальнейшем увеличении параметра Ы[/сад в турбине 1 развивается отрыв пото­ ка на нерасчетных значениях ——— = (0,25 -ч-0,55) в периферийном сечении. Это срывное течение достаточно мощное (при

——— = 0,477 зона отрыва простирается на 37% высоты сече-

с а д

ния). В зоне отрыва на рабочем колесе отчетливо наблюдались

190

межлопаточного канала. Подобной зоны отрыва не наблюдается на рабочем колесе турбины 1.

Распределение скоростей поперек межлопаточного канала оп­ ределяется, как известно, выражениями (2.75), (2.76).

Градиент скоростей поперек межлопаточного канала опреде­ ляется выражением в квадратных скобках (см. (2.75)). Первый член этого выражения связан с кривизной контура профиля и не зависит от угловой скорости, второй определяет проекцию кориолисовой силы и пропорционален угловой скорости. Направление проекции кориолисовой силы противоположно направлению си­ лы, обусловленной кривизной контура профиля. Следовательно»

градиент скоростей и связанная с этим возможность появлении зоны отрыва при большой кривизне профиля больше при малых окружных скоростях. Возникает вопрос: почему эта зона отрыва не проявляется при малых и\/сая (порядке 0—0,2)? Дело в том,, что зона отрыва появляется тогда, когда величина в квадратных скобках выражения (2.75) равна или больше средней скорости, определяемой степенью реактивности. Изменение степени реактив­ ности турбины 1 р от «i/Сад приведено на рис. 4.24. Как видно, сте­ пень реактивности и, следовательно, средняя скорость имеет ми­ нимум при —^— =0,25. Очевидно, отмеченными обстоятель-

сал

ствами и определяется возникновение зоны отрыва в периферий­ ном сечении при нерасчетных значениях ui/сад. При значениях

и уменьшение градиента скоростей приводит к ликвидации зоны отрыва.

ранственного потока было определено, что на внутренней поверх­ ности, ограничивающей меридианный профиль рабочего колеса, развивается отрывное течение, связанное с большим градиентом,

19!

обусловленным нерадиальностью образующих контура профиля лопатки. В теоретической схеме расчета (см. рис. 2.33) эта зона отрыва локализовалась в пределах рабочего колеса. Однако при этом не рассчитывался пограничный слой и не определялась его устойчивость. Очевидно, в реальном течении возникшая зона от­ рыва не локализуется. Действительно, при измерении полей рас­ пределения параметров при расчетных значениях «i/сад и в зоне

расчетных значений!—^— = 0,62-4-0,76) в выходном сечении

\ Сад ' /

обнаружена зона отрыва потока (см. рис. 4.23). В турбине 2 на

— расчет

расчетном режиме по всему сечению, где проводились измерения, полное давление превышало статическое, что свидетельствует о том, что на расчетном режиме в турбине 2 не возникало отрыва потока. Таким образом, измерения в турбине 1 подтвердили от­ рыв потока, определенный расчетным путем.

Сопоставление расчетных и экспериментально измеренных за­ висимостей относительных (отнесенных к давлению на наружном диаметре выхлопной трубы) давлений и углов выхода потока аг в турбине 1 показано на рис. 4.25. Из рис. 4.25 видно, что распре­ деления давлений по радиусу, определенные расчетным путем, удовлетворительно совпадают с экспериментально измеренными. Отметим попутно, что, несмотря на наличие зоны отрыва, гради­ ент статического давления по г очень мал. Расчетные и экспери­ ментально измеренные углы а2 совпадают между собой значи­ тельно хуже, чем статические давления.

192

Как уже отмечалось, наиболее надежной количественной

,оценкой снижения к. п. д. ступени, в рабочем колесе которой воз­ никает отрыв потока, по сравнению со значением к. п. д. при безотрывном течении является сравнение экспериментально изме­ ренных и расчетных значений к. п. д.

3 единицы. Сравнительно небольшое снижение к. п. д. вследствие отрыва потока можно объяснить тем, что отрывная зона не рас­ пространяется на все сечение потока и происходит лишь частич­ ная перестройка потока в выходном сечении. На одной из экспе­

высотой сопловой лопатки /ij = 7,4 мм. Результаты приведенного расчета и эксперимента показывают, что если при профилирова­ нии малоразмерной турбины сложной пространственной формы избегать больших отрицательных углов наклона образующих ло­ паток к радиусу, можно получить высокое значение к. п. д. сту­ пени т | т » 0,86-f-0,87.

При экспериментальном исследовании турбины 2 было уста­ новлено, что основные измеренные газодинамические параметры ступени близки к расчетным и во всех элементах проточной части (спиральном подводе, сопловом аппарате и рабочем колесе) осу­ ществляется безотрывное течение. В связи с этим эксперимен­

существенно зависят от П т . Объясняется это тем, что мощность трения диска при проведении испытаний при заданной окружной скорости мало зависит от отношения давлений, срабатываемых в турбине. Но оценка мощности трения диска при расчетном зна­ чении параметра «i/сад составляет ~0,5 л. с. Суммарная мощ­ ность турбины, как мы видели ранее (см. рис. 4.18), изменяется при заданном значении «i/сад почти в 10 раз. При малых значе­ ниях П т доля мощности трения диска от общей мощности стано-

193

вится заметной, что и приводит к тому, что при больших значе­ ниях ui/сад значение к. п. д. г|т тем меньше, чем меньше П т .

При проведении испытаний по условиям прочности нельзя бы­ ло увеличивать число оборотов свыше «=.40 000 об/мин, поэтому

рабочего колеса является обоснованной и может быть рекомен­ дована для практического использования. Напомним, что испы­ туемое рабочее колесо было спрофилировано по методике, когда при профилировании не только не допускается отрицательных значений скорости на профиле и по меридианному обводу, но и уменьшения скорости ограничены значениями, при которых вели­ чина формпараметра / « 1 . Полученное экспериментально значе­ ние к. п. д., близкое к расчетному, свидетельствует о возможности допущения при профилировании колеса диффузорных участков, для которых значение / s=C 1.

Для ответа на вопрос о том, какое влияние на к. п. д. оказы­ вает профилирование, в котором по расчету пограничного слоя / > 1 , были проведены специальные испытания. В разд. 2.6 гл. I I были приведены примеры двух колес центростремительных тур­ бин, в одном из которых значение формпараметра достигало ве­ личины / = 1,148, а в исправленном варианте / = 0,717. Эти два рабочих колеса были подвергнуты сравнительному эксперимен­ тальному исследованию. Подробно профили рабочих колес при-

194

'. Зависимости полных и статических давлений от радиуса и « , / с а д в исправленном варианте

чей лопатки в периферийных сечениях и соответственного умень­ шения значения формпараметра с / = 1,148 до /='0,717 скорость потока существенно возросла.

В месте измерения скорость в исходном варианте не обра­ щается в ноль. Возможно, что возникающий в рабочем колесе отрыв потока, вследствие потери устойчивости течения в погранич­ ном слое, носит местный характер, и зона отрыва не распростра­ няется до места измерения полных и статических давлений. Од­

из рабочих лопаток не изменилась. Однако в новом варианте профилирования изменилось не только значение Хс пер» но и уве­ личилась средняя приведенная скорость течения. Это можно объ­ яснить тем, что при ликвидации отрывного течения в новом ва­ рианте профилирования изменилось фактическое проходное се* чение па выходе из рабочего колеса, так как эффективный угол выхода потока уменьшился и произошло пространственное пере­ строение потока.

Изменение соотношений между проходными сечениями на вы­ ходе из рабочего колеса и на выходе из соплового аппарата, ко­ торое не изменялось в обоих вариантах профилирования, приве­

следующим. В результате улучшения профилирования и вероят­ ной ликвидации отрыва потока уменьшились потери в рабочем колесе, что привело к увеличению к. п. д. ч т . Однако из-за увели­ чения потерь с выходной скоростью к. п. д. цт снизился. В резуль­

'^ад /

Очевидно, что, изменяя геометрический угол выхода потока в улучшенном варианте профилирования и сохраняя при этом безотрывность течения в рабочем колесе (значение формпараметра / < 1 ) , можно несколько увеличить выигрыш в к. п. д. V* и цт в

198

этом критерием качества может служить величина формпараметра /, вычисляемая по распределениям скоростей, рассчитан­ ных по методике, указанной в гл. I I . В этой главе были приведе­ ны некоторые основания, позволяющие считать, что критическое значение /, определенное при исследовании плоского турбулент­ ного пограничного слоя, можно использовать при оценке течения в рабочем колесе. Проведенный эксперимент подтверждает этот вывод.

199