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

14.. Установки для исследования решеток

Цели и задачи эксперимента определяют требования, предъ­ являемые к экспериментальным установкам. Размеры рабочего участка установки и скорость потока могут быть найдены из усло­ вий соблюдения геометрического подобия и равенства чисел Re и М (в натуре и на опыте).

Зная размеры рабочей части и скорость потока, легко опреде­ лить расход воздуха и напор, а следовательно, и мощность, не­ обходимую для установки.

Первая экспериментальная установка для исследования ре­ шеток профилей показана на рис. 3.2. Эта установка была по-

Рис. 3.2. Первая установка для изучения решеток профилей

строена в 1906 г. Н. Е. Жуковским. Решетка из четырех пластин, закрепленных под одинаковым углом в рамке, помещалась в трубу прямоугольного сечения. Поток воздуха отклонялся пластинами и «получающаяся при этом подъемная сила измерялась при помощи весов, к которым была подвешена рамочка».

Позже, в 1912 г., Н. Е. Жуковский во второй статье «Вихревая теория гребного винта» для исследования решеток профилей пред­ лагает создать круглую решетку следующего устройства: «В круг­ лую трубу — галерею А (рис. 3.3)'вставляется другая труба С с приделанным днищем, так что воздух, всасываемый вентиля­ тором, движется цилиндрическим слоем между трубами. К трубе прикреплены коротенькие лопатки В, В, . . . па значительном рас­ стоянии от них на левом конце трубы С имеются направляющие пластинки D, которые можно устанавливать под желаемым углом к образующим, а в правом конце трубы С поставлены флюгера Е, с помощью которых можно наблюдать угол отходящего потока с образующей».

Основным преимуществом такой установки является отсут­ ствие значительных трудностей по созданию условий, соответ­ ствующих бесконечности числа лопаток, имеющихся в плоских

'68

статических установках. Все современные установки по исследо­ ванию круговых решеток [40 ] в принципе не отличаются от схемы, предложенной Н. Е. Жуковским в 1912 г.

Наибольшие трудности возникают не при моделировании кру­ говых решеток, а при изучении плоских решеток профилей. Ос­ новными требованиями, определяющими конструкцию установок для статического испытания плоских решеток профилей, являются следующие:

1) поле скоростей и давлений в непосредственной близости перед решеткой должно быть или полностью однородным, или изменяться с периодом, равным шагу решетки;

Рис. 3.3. Схема установки для исследования круговых решеток

2)установка должна позволять легко менять параметры решетки: шаг, угол установки профиля в решетке и угол уста­ новки решетки, т. е. угол атаки;

3)измерительная аппаратура должна обеспечить измерение величины и направления скорости в каждой точке перед и за ре­ шеткой;

4)поток за решетками должен быть ограничен стенками сравни­ тельно небольшой длины и не иметь каких-либо препятствий, расположенных в непосредственной близости по направлению движения.

Выполнение указанных требований представляет значитель­ ные трудности. На рис. 3.4 показаны схемы трех типов установок для исследования плоских решеток.

На рис. 3.4, а приведена схема установки, которая имеет жест­ кие фиксированные боковые стенки. Между этими стенками уста­ навливается решетка, состоящая из 4—8 лопаток. На такой уста­ новке при небольшом количестве лопаток перед решеткой невоз­ можно получить периодический по шагу поток.

Опыт показал, что при внесении в поток небольшого числа лопаток под некоторым углом к потоку сам поток перед решеткой деформируется и направление скорости на входе сильно меняется вдоль оси решетки х. На рис. 3.5 штриховой линией показано такое изменение угла входа ßx вдоль оси решетки.

Выполнение первого требования наиболее удобно осуществить

69

Существенной особенностью установки является подвижность направляющих боковых стенок. Перемещением этих стенок соз­ дается перед решеткой поток, периодический по шагу. К конфузору аэродинамической трубы с открытой рабочей частью при­ мыкает переход от круглого сечения (диаметром 1400 мм)

на квадратное со стороной 900 мм. Для устранения влияния замкнутости потока в трубе за решеткой диффу­ зор трубы был снят. Таким образом, труба была факти­ чески разомкнута и работала, как вентилятор, на выхлоп.

Рис. 3.4. Схема статических установок для испытания решеток

Решетка монтировалась на двух металлических балках, опи­ рающихся на две опоры, расположенные по концам так, что ось решетки располагалась горизонтально. Для получения плоского потока решетка помещена между двумя горизонтальными круг-

А

45

Рис. 3.5. Угол входа ßx до и после устранения скоса

льіми шайбами диаметром 3,2 м. Таким образом, исключалось влия­ ние конечности размаха. Вся решетка легко поворачивается во­ круг вертикальной оси вместе с шайбами (жестко скрепленными с балками). На нижней и верхней балках размещены две металли­ ческие рейки, на которых крепились лопатки. Каждая рейка имела 80 отверстий на расстоянии 20 мм друг от друга. Наличие этих отверстий позволяло • получать различные шаги, кратные

70

20 мм. С помощью рычага р (рис. 3.4) можно было менять устано­ вочный угол профилей в решетке.

Решетка состояла из десяти лопаток с внешней хордой профиля, равной 200 мм, и высотой лопатки 900 мм. Лопатки изготовлены из дерева или металла. На середине одной из лопаток имелся дренаж, при помощи которого производилось измерение распределения давлений. Количество лопаток в решетке определялось величиной

относительного шага і и углом установки ßB.

Интересно отметить, что в статье Шлихтинга [69] дается опи­ сание аналогичной установки, созданной в США в 1951 г. Диаметр

Рис. 3.6. Схема установки для исследования решеток при сверхзвуковом потоке на входе

аэродинамической трубы был 1300 мм, хорда профиля 200 мм и высота 600 мм. Для получения плоского потока с боковых стенок производился отсос пограничного слоя.

Поля скоростей и давлений перед и за решеткой измерялись насадками, которые перемещались вдоль оси решетки с помощью каретки, скользящей по верхней балке установки.

На рис. 3.4, в показана схема установки ЦКТИ [131 ], в которой формирование потока на входе производится с помощью переме­ щающихся стенок 1, Г 2 и 2', а организация потока на выходе — стенкой 3.

Поток, набегающий на решетку, формируется камерой, обра­ зованной стенками 2—2', 4—4' и 5—5'.

Во всех рассмотренных схемах установок обычно можно легко изменять угол установки, шаг и высоту лопатки.

Помимо указанных способов, организацию потока на входе в решетку можно производить путем отсоса пограничного слоя и поворотом крайних лопаток в решетке [131].

Схема установки для исследования решеток в сверхзвуковом потоке на входе показана на рис. 3.6. Как обычно, решетка 1

71

смонтирована между двумя поворотными дисками 2. Несимметрич­ ное сопло Лаваля, состоящее из двух вставок 3 и 4, обеспечивает подвод потока со сверхзвуковой скоростью. Одна из них — 3 —• профилирована и закреплена неподвижно. Другая ■— 4 — может пе­ ремещаться и, оставляя неизменными размеры выходного и крити­ ческого сечений сопла, изменять угол входа потока на решетку.

Величину скорости меняют, изменяя сечение сопла с помощью вставок 5. Иногда так же, как это делают в аэродинамических тру­ бах, применяют сопла с гибкими стенками и расходные сопла. Для организации потока за решеткой служат подвижные стенки 6, а перевод потока в дозвуковой осуществляется диффузором 7. Окна в области изучаемого канала решетки позволяют произво­ дить снимки с помощью метода полос или интерферометра.

15* Методика эксперимента с решетками

При исследовании решеток обычно измеряют следующие ве­ личины: а) скорости и давления перед и за решеткой; б) давления на поверхности лопаток; в) силы, действующие на лопатку; г) по­ тери и к. п. д. решетки. Иногда, кроме того, исследуются погра­ ничный слой и поля скоростей и давлений в каналах решетки и в следе.

Как уже было указано выше, для создания нормального входа боковые вертикальные стенки канала перемещались до тех пор, пока углы ßj на расстоянии около полухорды перед решеткой не становились постоянными (или с небольшими периодическими по шагу изменениями). Такое корректирование углов входа необ­ ходимо производить перед каждым опытом.

Измерение скоростей и давлений перед и за решеткой произво­ дится цилиндрическими или шаровыми зондами. При больших числах М применяются оптические методы исследования.

Обычно вводятся средние по шагу величины скоростей.

За средние скорости входа (условная скорость на бесконечности перед решеткой) и выхода (условная скорость на бесконечности за решеткой) принимают

X X

X X

X X

72

Скорость на бесконечности Ѵт определяется, как среднее век­ торное между скоростями перед и за решеткой, т. е.

Ѵт - 4 - V{Vl x ^ V 2xf + (Vly + V2yf .

Угол между скоростью на бесконечности и осью решетки будет равен

Pm = arctg Vi у + ѴчУ

Ѵ и + Ѵ „ •

Точность определения скорости за решеткой значительно сни­ жается при наличии отрыва пограничного слоя с поверхности

X

Рис. 3.7. Основные обозначения

лопаток. В этом случае величину скорости за решеткой на беско­ нечности можно определить косвенно из следующих соображений. Коэффициент подъемной силы профиля, как будет показано ниже, можно определить по формуле

Эту же величину Су1 довольно точно можно получить по рас­ пределению давлений, а Ѵ1и £ с достаточной точностью могут быть измерены. Тогда, зная V, £ и Су1, можно легко получить величину скорости за решеткой.

В табл. 3.1 приведены значения величины Ѵ2, полученные в результате измерений и расчетов для компрессорных решеток.

73

Из таблицы видно, что величины расчетных скоростей всегда меньше измеренных.

При наличии отрыва или весьма малых углов выхода следует рекомендовать величину V 2 определять расчетным путем.

Зная углы входа и выхода ßx и ß2, легко определить весьма важ­

ную при проектировании турбомашин величину угла поворота потока Ѳ = ßx — ß2.

Рассмотрим методы определения сил, действующих на профиль в решетке. При исследовании обтекания решетки профилей пред­ ставляют интерес составляющие сил по направлению скорости на

довании плоских потоков. Рассмотрим второй способ. Применим теорему количества дви­

жения к некоторому объему, ограниченному сверху и снизу (рис. 3.7) линиями тока ас и bd, отстоящими друг от друга на рас­ стоянии, равном шагу решетки t, а слева и справа —- двумя от­ резками прямых ab и cd, параллельными оси решетки.

Тогда получим:

Если ^отрезки ab и cd удалить на бесконечность, то величины скоростей и давлений перестанут зависеть от х, и тогда выражения для сил Rx и Ry примут вид:

Rx — pVly(Vlx — V2x)t; Ry = (рг — р2) t.

При выводе этих формул использован закон сохранения рас­ хода для несжимаемой жидкости через отрезки ab и cd, из кото­ рого следует, что Ѵ1у = Ѵ2у.

74

Выражение для силы Ry можно переписать так:

Соответствующие величины коэффициентов сил будут иметь вид

—— 6

известно распределение давления на нем. Однако в этом случае можно определить только часть коэффициента профильного со­ противления — коэффициент сопротивления давления.

Величину коэффициента профильного сопротивления Cw можно определить с помощью методов теории пограничного слоя. Один из наиболее известных методов [104] дает следующую формулу для расчета коэффициента профильного сопротивления:

75

где Ѵк — величина скорости на задней кромке профиля; б” — толщина потери импульса на задней кромке.

Значения Ѵк, Ѵт и Ѵ2 можно определить экспериментально, а

величину бк* экспериментально, или с помощью расчета одним из существующих в теории пограничного слоя методов.

Для турбинных решеток расчет коэффициента профильного сопротивления по формуле (3.1) дает хорошее совпадение с экс­ периментальными данными.

Некоторое ухудшение в совпадении экспериментальных и рас­ четных данных наблюдается для компрессорных решеток [68, 109]. Это объясняется отсутствием достаточно точного метода расчета пограничного слоя при наличии сильных диффузорных областей.

Потери энергии при экспериментальном исследовании обте­ кания плоской решетки обычно определяются как разность полных энергий в некоторых произвольных точках до и после решетки

Такой способ определения потерь допустим, так как перед решеткой величина энергии практически не изменяется вдоль оси решетки.

Для характеристики работы решетки вводится средняя по шагу величина потерь

Полученные значения потерь энергии выражают в долях или в процентах от полной энергии на входе

Часто потери относят не к энергии на входе, а к располагаемой энергии. В турбинных решетках эта энергия равна разности давлений на входе и выходе из решетки р 2—р г. Следовательно, безразмерная величина потерь для турбинной решетки будет

В компрессорных решетках располагаемая энергия равна раз­ ности кинетических энергий до и после решетки. Поэтому для компрессорной решетки имеем

76

Зная безразмерные величины потерь, можно определить к. п. д. по следующей формуле ц = 1 — f.

Используя предыдущие формулы для определения потерь в тур­ бинной и компрессорной решетках, получим следующие выраже­ ния для расчета к. п. д.:

для турбинных решеток

для компрессорных решеток

Чк = '

^ Р ( У 1 - У 2)

Проф. Л. Г. Лойцянский предложил следующую формулу для расчета потерь полного напора [83]:

5-pvs(mХіЛ t

Ѵт ) COS ß

которая, как и аналогичная формула для профильного сопротив­ ления, получает все большее применение.

Для измерения давлений на поверхности профиля центральная лопатка должна быть дренирована. Число дренажных отверстий на профиле обычно колеблется от 30 до 40 шт. Причем, на носике и хвостике рекомендуется отверстия располагать чаще, чем в ос­ тальных частях профиля.

Измерения давлений производятся дифференциальным микро­ манометром, второе отверстие которого воспринимает атмосферное давление. Таким образом, в результате измерений получают раз­ ность давлений.

Обычно окончательный результат представляют в виде зави­ симости безразмерного коэффициента давления от координат

точек обвода. Можно безразмерный коэффициент давления (р) ввести как отношение давления в точке к скоростному напору на входе

2

На рис. 3.8 показано распределение давлений на поверхности профиля в турбиной решетке при различных углах входа ßx. Видно, что при некоторых углах ßx имеются местные диффузоры, которые приводят к увеличению потерь и, следовательно, к сни­ жению к. п. д.

Во многих случаях исследования обтекания решеток в завод­ ских лабораториях распределение давлений можно не измерять. Но в тех случаях, когда надо знать не только величины потерь и к. п. д., но и причину того, почему одна решетка имеет более

77