Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Жуковский М.И. Расчет обтекания решеток профилей турбомашин

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
30.10.2023
Размер:
15.1 Mб
Скачать

Постоянные Сх изменяются от сс до 0. Постоянные С2 изменяются

от до тс для линий тока, находящихся вне круга R — т, и от ~

до 0 для линий тока — внутри этого круга. При переходе через точки

---т значение С2 для одной и той же линии изменяется на конеч­

ную величину.

Сумма абсолютных

значений величин С2, соответ­

 

 

 

 

 

ствующих двум частям линии ф,

 

 

 

 

 

из

которых

одна находится

 

 

 

 

 

в

верхней

полуплоскости,

 

 

 

 

 

а

другая

в

нижней,

равна г.

 

 

 

 

 

(фиг. 51).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Каналы, имеющие Ях > /?2,

 

 

 

 

 

могут

образоваться

линиями

 

 

 

 

 

тока,

находящимися

внутри

 

 

 

 

 

основного круга R — т. Это же

 

 

 

 

 

условие может быть выполнено,

 

 

 

 

 

когда одна линия

ф= const на­

 

 

 

 

 

ходится внутри круга, а дру­

 

 

 

 

 

гая линия ф2

— const — вне его.

 

 

 

 

 

Как уже отмечалось, функция ф

 

 

 

 

 

претерпевает

при прохождении

 

 

 

 

 

через особые точки ±т скачок,

 

 

 

 

 

так что внутри основного кру­

 

 

 

 

 

га

ф <

,

а

вне

его

ф >

 

 

 

 

 

(фиг. 51). Таким образом, в пер­

 

 

 

 

 

вом из

рассмотренных случаев

ф1<-^и ф2<-^-.

Следовательно,

 

эти

величины

могут

быть

найдены

из

равенства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

7

т

.

 

 

 

 

 

(59)

 

 

 

51Пф =

 

 

 

 

 

 

Во втором случае,

когда ф2 >

,

равенство

(59) не

может быть

непосредственно использовано. Вычисление величины ф2

в этом случае

выполняется по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ctg ф2 - ctg ф! — --.

 

 

 

 

 

(60)

Таким образом,

для каналов 7?! > Т?2 величины фх и ф2

находятся

соответственно из формул (59) и (60).

 

 

условию

7?х

< Т?2,

Точно

так

же

каналы, удовлетворяющие

могут быть получены, когда обе линии фх и ф2 находятся вне основ-

122

ного круга или если линия tpi находится внутри этого круга, а ф2 —

вне его. В обоих случаях

<j>i и

ф2

вычисляются

по формулам

.

=

 

HI

;

(61)

ф2

тс — arc sin

 

etg

 

= etg ф2

+ -£-

(62)

Сопряженная скорость в любой точке потока, образованного источником и стоком, может быть определена в результате диффе­

ренцирования функции

/ (г)

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

dz

2r.

 

 

 

 

откуда для

величины

скорости имеем

 

 

 

 

,

.

Q

 

2

 

(63)

 

W (X, у)

= тс— i--------- 5—j-----•

 

 

'

2тс

,

г2

т

 

 

 

 

 

 

I 1------- з-

 

Разрешая соотношение (47) относительно z/m,

найдем

 

 

 

г

_ е* — 1

 

 

 

 

 

<?■ + 1

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z = f 2тс.

 

 

Далее

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г2 _

4<4

 

_

2

(64)

 

 

 

 

(еХ + 1Р

chy+1

 

 

 

 

 

 

1

 

| 1

4- ch ф • cos ф -j- » sh <р • sin ф |

 

z2

I

= ———g

 

 

 

тг

j

 

 

 

 

 

 

V 1

ch2 <f ■ cos2 ф

2 ch у • cos ф -4- sh2 ? •

sin2 ф

ch <f 4- co" Ф

------- 2----- ;

j

Таким образом, для определения величины скорости (63) полу­

чаем выражение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IV —

ch

4- cos ф

 

(65)

 

 

 

 

 

г»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

123

При использовании формулы (65) расчет выполняется графи­

чески при

помощи

заранее построенной сетки линий ф = const

и <р = const

(фиг. 50,

б). При построении этой сетки удобно принять

масштаб таким, чтобы т равнялась 200 мм. На соответствующих

линиях <р и могут быть указаны также величины ch ф и cos ф, входящие в формулу (65) для расчета скоростей х.

Решение рассматриваемой задачи может быть представлено в ином виде, если исключить <р из выражения (65). Учитывая, что w = dqlds, где s — дуговая координата, отсчитываемая вдоль линии тока, запишем формулу (65) в виде

 

ds

 

— (ch ф + cos ф)

 

 

2ttm

'

1

г ■

 

ИЛИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ch ф + созф;

 

(66)

 

 

ds

 

 

 

 

 

 

здесь s = —.

 

 

 

 

 

 

 

 

т

интегрирование,

 

найдем

 

 

 

Выполнив

 

 

 

 

 

s=—Цг arctg(th-£--tg-|-) + C.

(67)

 

sin ф

 

z

 

z

 

Разрешая

последнее

уравнение

относительно

ср, будем иметь

 

 

 

 

s sin ф

 

 

 

 

 

 

tg—

 

 

(68)

 

ф = 2arc th---- =— .

 

 

 

 

 

tgA

 

 

 

 

 

 

к

2

 

 

 

Постоянная интегрирования в (67) определена из условия s — 0

при ср — 0, что соответствует

отсчету

s от

оси оу

против часовой

стрелки (фиг. 52).

Учитывая формулу (59), найдем дифференцированием (68) следую­

щее выражение для величины

скорости на окружностях ф = С2

w^ = ~2^---------------------------------------------------------

(69)

z’-'С

cos 0 — cos ф

где через 6 (б = ) обозначен центральный угол окружности ф=С2.

\А /

Обозначая через И расход между двумя линиями тока ф1 и ф2, получим

# = -^-(ф2-и.

1 А. С. Зильберманом предложена модификация сетки линий <? иф, заключаю­ щаяся в построении функцийg = ch ® -J- cosi в зависимости от центрального угла 0 окружностей ф = const.

124

Формулы (65) и (69) при этом будут иметь вид:

 

^/У сЬ? + со<ф

7

т

Фг-Ф1

 

//

sin <1»

(71)

w — —-=----=-^------------—— ,

R (ф2 — Ф1)

cos 6 — cos Ф

 

где через 6 обозначен Центральный угол окружностей ф = С2, отсчи­ тываемый от оси' оу в направлении течения (фиг. 52).

Пара вихрей. Если в точках

х = +т размещены

два вихря

одинаковой по величине интенсивности I, но имеющих противополож­

ные вращения, то характеристическая функция будет

отличаться

от (47) множителем i,

т. е.

 

 

 

 

• 1 1

 

т + z

(72)

 

f2)7,n

т — z'

 

 

 

 

Функции тока и

потенциала

 

скорости поменяются местами

с соответствующими функциями в случае источника и стока. Таким образом, получим

 

 

(73)

где

 

 

?о = 2^, Ъ = 2г^, ?/ = 2к^ И

ф/ = 2тс-у-.

Здесь индексы Q и I приписаны функциям

и ф течений, образован­

ных соответственно источником — стоком

или

двумя вихрями.

Линиями тока течения, создаваемого двумя вихрями, находя­ щимися в точках ±т на оси ох, являются окружности с возрастаю­ щими радиусами при удалении от начала координат (фиг. 50, б), причем одной из линий тока является ось оу.

Радиусы и положения центров окружностей определяются соот­ ветственно по формулам (52) и (53). Используя эти формулы, полу­ чаем выражение для определения эксцентриситета двух окружностей радиусов < 7?о, т. е.

е = Ут2 + Rl — Ут2 + R*,

(74)

откуда находим

(75)

Из последнего равенства получаем условие

^1<^2-е.(76)

125

Расчет скоростей на линиях тока выполняется по формуле

I ch ф + cos ср

(77)

т

Из последнего соотношения после интегрирования находим

(78)

Разрешая равенство (78) относительно <р и определяя постоянную

интегрирования из условия

 

= г. при s 0 (фиг. 52),

получаем

после дифференцирования

 

 

 

 

 

1

 

sh ф

(79)

 

2*Я

cos 6 4- chi

 

 

где отсчет 9 ведется от оси ох против часовой стрелки.

 

Из формулы (79) следует,

что если положить функцию

 

Л (в,

Ф)

-

sh ф

(80)

cos в + ch ф

равной единице, то получим течение, соответствующее одному вихрю

с гиперболическим законом

изменения

скоростей

г.

/

1

wR —

= const.

В случае двух вихрей произведение wR уже не является вели­ чиной постоянной.

126

Для вычисления скоростей на линии тока, совпадающей с осью оу

воспользуемся формулой (77), в которой полагаем ф — 0. Получим

w

dv

1

1 -р cos ф

dy

= -S----------------

т

 

2г.

 

Аналогично предыдущему найдем

Обозначая через Н расход между двумя линиями тока фх и ф2> можно написать

Н - 4.

(82)

Следовательно, формулы (77), (79) и (81) могут быть записаны в виде

И

ch v -|- cos ш

(83)

W — ----------

=------=—L

тф2 — Ф1

Н__________ sh ф

.

(84)

(ф2 — ф,) К cos 0 j-ch ф

(85)

Применение теории расчета каналов для определения потока в густой решетке профилей. В расчетной практике турбостроитель­ ных заводов все большее применение находят расчеты обтекания густых турбинных решеток профилей, основанные на определении потока в каналах. Существенное значение для широкого внедрения таких методов имели работы, проведенные на ЛМЗ А. С. Зильбер­ маном и В. Б. Оборенко по созданию практических способов опре­ деления потока вне межпрофильного канала.

Приведенные выше соотношения позволяют рассчитать в приб­ лиженной постановке обтекание густой решетки профилей, описан­

ных дугами

окружностей как

при

< Т?2, так и при

> /?2.

Для густых

решеток можно

с принятым приближением

считать,

что линии тока и эквипотенциальные линии в канале являются также дугами окружностей. Кроме того, будем считать, что обтекание канала может быть рассчитано последовательно по отдельным участкам

(фиг. 53). Последнее допущение оправдывается тем, что в густых решетках, как уже отмечалось, поток на выходе из решетки практи­

чески не зависит от потока во входной части канала.

127

Течение в решетке рассматривается как течение в канале,

образованном линиями AiBiCiDi и ABCD (фиг. 53). Контур ABCD

выпуклой стороны

профиля составляется

обычно из трех дужек.

 

 

 

 

 

 

Весь канал разбивается

 

 

 

 

 

 

при этом на три участка

 

 

 

 

 

 

(/, II и III).

 

 

 

 

 

 

ков

При расчете участ­

 

 

 

 

 

 

I

и III

линии тока

 

 

 

 

 

 

1—1 и 2—2 обычно вы­

 

 

 

 

 

 

бираются в виде пря­

 

 

 

 

 

 

мых.

При

этом линия

 

 

 

 

 

 

1—1 проводится под

 

 

 

 

 

 

углом pi и

сопрягается

 

 

 

 

 

 

со средней линией про­

 

 

 

 

 

 

филя,

а прямая 2—2

 

 

 

 

 

 

проводится

под углом

 

 

 

 

 

 

2ЭфИтакже сопрягает­

 

 

 

 

 

 

ся

со средней линией

 

 

 

 

 

 

профиля 1 (фиг. 54).

провести,

как это

принято

в методике

 

Прямую 2—2 можно

ЛМЗ,

как

продолжение

выходной

кромки

второго

или

третьего профиля (см. фиг. 55),

чтобы полученное сечение струи равнялось

 

,

»

примерно шагу.

 

 

 

 

 

 

х.

\

Прямыелинии, продолжающие канал, можно

 

\\

проводить

через

точки

сь,

bi,

являющиеся

 

“j

\

центрами

окружностей

выходной

и входной

 

;

Фиг. 54.

Схема продолжения канала

Фиг. 55. Схема продолжения

канала

(расстояние между кромками равно t).

(расстояние между кромками равно 2t).

кромок

профиля (фиг. 54). Расстояние d между прямой,

являю­

щейся

продолжением центральной части канала, и центром

а2, Ь2

1 Указанные способы продолжения канала являются весьма приближенными. Практика расчетов течения в канале показала все же, что при выполнении прибли­ женных расчетов этими приемами можно пользоваться.

128

дуги,

описывающей входную или выходную части спинки профиля,

определяется по формуле

 

 

 

j _ ctg?f (а2 —aj —(62 —6Q

 

 

V1 + ctg2

 

 

где i

= 1 для входного участка канала и i

----- 2 эф — для выходного.

Если разности а2 — съ и Ь2 — by. взять по абсолютной величине,

то последнюю формулу можно записать в

виде

 

 

d = | а2 — а, | cos ,• + | Ьг —

| sin р,..

(86)

- Ra

Фиг. 56. Зависимость m/R2 от е и п— .

К2

Для определения величины фх из (52) и

(53) имеем

, 1

d

(87)

ch

 

 

 

Расчет скоростей на дугах АВ и CD выполняется при помощи

формул (83) или (84), соответствующих

течению, создаваемому

двумя вихрями. Линия тока этого течения, проходящая через начало координат, является прямой. Таким образом, течение между этой прямой и одной из дуг окружностей схематизирует течение на уча­ стках I и III.

При вычислении скоростей на дугах

участков I и III

канала

в формулах (83) и (84) полагаем фх = 0,

что соответствует

случаю

прямых линий токов 1 / и 2—2.

 

 

Вычисление величины т может быть выполнено при помощи гра­ фиков, приведенных на фиг. 56, вычисленных по формуле (75), преоб­ разований к следующему виду:

т = Д-/|(1-^?-?')-4^|,

(88)

- М. И. Жукоиский 700

129

где

т

III .

-____ е

. n~

Ri

R2

8 - R2

Rs •

 

Подкоренное выражение в этой формуле взято по абсолютной величине; при этом, как это видно из равенства (57), формулы (57) и (75) совпадают. Формула (55) приводится также к формуле, имею­ щей тот же вид, что и формула (88), если заменить в последней индекс I

Значения величин т

 

 

 

 

 

 

 

 

е = 0,17

е = 0,18 |

R

г = 0,1

е = 0,11

е = 0,12

ё = 0,13

е — 0,14

г = 0,15

е = 0,16

 

0.30

4,4900

4,0700

3,7196

3,4219

3,1657

2,9430

2,7475

2,5741

2,4192

0.35

4,3235

3,9182

3,5792

3,2912

3,0439

2,8283

2,6391

2,4712

2,3211

0.4

4,1305

3,7418

3,4167

3,1404

2,9028

2,6953

2,5131

2,3518

2,2075

0.45

3,9120

3,5418

3,2317

2,9685

2,7414

2,5440

2,3700

2,2153

2,0772

0.5

3,6660

3,3168

3,0238

2,7746

2,5604

2,3730

2,2078

2,0612

1,9294

0.55

3,3935

3,0668

2,7926

2,5592

2,3578

2,1817

2,0262'

1,8879

1,7639

0,6

3,0925

2,7904

2,5367

2,3200

2,1328

1,9690

1,8238

1,6941

1,5778

0,65

2,7620

2,4868

2,2546

2,0558

1,8836

1,7320

1,5975

1,4770

1,3672

0.7

2,4000

2,1523

1,9429

1,7623

1,6057

1,4667

1,3419

1,2297

1,1269

0,75

2,0020

1,7827

1,5954

1,4335

1,2900

1,1623

1,0462

0,9394

0,8389

0,8

1.5565

1,3636

1,1967

1,0492

0,9154

0,7910

0,6725

0,5550

0,4339

0.85

1,0330

0,8550

0,6921

0,5315

0,3554

0

0.9

0

0.95

1.0— — — — —

индексом 2. Таким образом, используя графики фиг. 56, можно определить число т во всех трех рассмотренных случаях, соответ­ ствующих формулам (55), (57) и (75). Соответствующие величины, необходимые для построения этих кривых, приведены в табл. 12.

Расчет канала, стенки которого описаны дугами окружностей радиусов и Т?2, выполняется при этом следующим образом.

По заданным величинам 7?i, и е находится из формулы (88) или

из графиков фиг. 56 значение т. После этого канал вычерчивается на кальке в масштабе т = 200 мм в зависимости от отношения R/m.

Значения ф1 и ф2 вычисляются по

формуле (53). Вычерченный на

на кальке канал накладывается на номограмму (фиг. 50, б) так, чтобы

центры окружностей радиусов Ri и

R2 находились на вещественной

оси на расстояниях

от начала координат, соответственно

равных

= т ct h фГ и d2

т cth ф~2. Скорости на дугах радиусов

R, и R2

вычисляются по формуле (83) по определенным из номограммы вели­ чинам cos <р. Скорости на дугах фт и ф2 получим, полагая соответ­ ственно в равенстве (83) ch ф -= ch фх и с11~ф - ch фъ

Формула (84) используется для непосредственного вычисления скоростей на стенках канала; при этом при вычислении скоростей на выпуклой и вогнутой сторонах профиля в формуле (84) полагаем

 

соответственно ф

фь R = Ri и

ф -

ф2, R

R„.

 

 

 

т \

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 12

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~r)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ё = 0,19

а = 0.20

ё = 0.25

а = 0,3

а = 0.35

г =0,4

г =0,45

е = 0,5

г = 0.55

е = 0,6

2,2800

2,1542

1,6682

1,3333

1,0843

0,8882

0,7267

0,5879

0,4637

0.3465

2,1863

2,0642

1,5920

1,2650

1,0201

0,8258

0,6633

0,5209

0,3883

0,2519

2,0774

1.9595

1,5026

1,1843

0,9437

0,7500

0,5846

0,4337

0.2806

0

1,9526

1,8395

1,3994

1,0900

0,8529

0,6576

0,4843

0,3119

0

1,8108

1,7030

1,2810

0,9798

0,7441

0,5421

0,3466

0

1,6510

1,5490

1,1448

0,8502

0,6101

0,3859

0

1,4716

1,3748

0.9870

0,6930

0,4319

0

<

1,2679

1,1760

0.7990

0,4877

0

1,0321

0,9438

0,5578

0

‘ —

0,7439

0,6518

»

 

0,2942

0

_ .

_

_

_

_

_

_

Обе формулы (83) и (84) относятся к случаю каналов, удовлетво­ ряющих условию (76). Для двух других типов каналов, удовлетворяю­

щих условиям (56) и (58), расчет обтекания ведется по формулам (70)

и (71).

Первая из этих формул позволяет определить скорости при исполь­

зовании сетки линий <р и ф, а вторая применяется для непосредствен­

ного вычисления скоростей. Сводка формул для рассмотренных слу­ чаев расчета каналов приведена в табл. 13, где в формулах для скоростей обозначено Н -■ wzt.

Изложенный способ расчета позволяет легко находить распре­ деление скорости в любом сечении канала, в частности, в минималь­ ном „выходном сечении. При этом может быть несколько уточнена

и действительная ширина выходного сечения, равная отрезку дуги на линии <р = const. Расчет скоростей в поперечных сечениях канала

130

9*

131

 

 

 

Таблица 13

co

Расчетные формулы для определения потока в криволинейных каналах

to

 

 

 

Тип канала

Определение т

Определение <р! и ф2

Формула для скоростей

, т* т sh

т =

*1

4е2

04

Of

V

о?

 

|/

ф2 = к — arcsin —

 

/\ 2

Rt > ^2 — 6

„2

4е2

 

'Л-

 

 

ctg (р! = ctg ф2 4- -L-

04

 

-

■ т

=

т

QJ

т= |Х

sin Ф1

 

 

 

 

 

Л/?1<Я2

*2 4е2

ctg ф2 = ctgtp! —

wz =

(84')

t

.

#= RlS-Й ’

f,=------

cos 6 4- ch ф

=kFi (71 z)

ГХ

,t

R (ф2 — tbj)

\ V 9 f2 = sin^ % £ A

cost)—созф Yq

Расчетные формулы для определения потока в каналах, образованных прямой линией и дугой окружности

Расчетные формулы для определения скоростей

Расчетные формулы для определения скоростей

на поверхности дуги АВ

на поверхности дуги CD

Входной участок

Выходной участок

d = | ак — а21

cos Pj-i-

d = | Oj — a21 cos р^ф +

+ I

— b2

|

sin pi (86')

1 &1 — b21 sin р2эф

(86")

Ф1 = arch

(87')

tpi = arch ~

(87')

 

 

 

<84")

— = 1:^

(84")

 

 

 

 

Wz

 

ь, = —U;

 

Л =

 

 

1

Л1Ф1 _

 

 

 

_

sh <pi

 

sh Ф!

 

 

cos 0 4- ch cpi

cos 9 4- ch Ф,

 

I

i

Примечания:

1. При вычислении скоростей на дугах, имеющих радиусы Rt или R2 в формулах (84') и (71'), полагается соответственно R = Rt

п4 = 41 ИЛИ R = R? и ф = ф2

2.Отсчет значений 0 ведется по направлению потока от линии, соединяющей центры.