Экспериментальное исследование радиальных турбин с частичным облопачиванием рабочего колеса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.541.181

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЛЬНЫХ ТУРБИН С ЧАСТИЧНЫМ ОБЛОПАЧИВАНИЕМ РАБОЧЕГО КОЛЕСА

Чехранов С. В., д.т.н., профессор ФГБОУВПО «Дальрыбвтуз», e-mail: turboroom@yandex.ru

Представлены результаты экспериментальных исследований центростремительных малорасходных турбин с частичным облопачи-ванием рабочего колеса. Определено влияние режимных и геометрических параметров на КПД турбины при различных величинах степени парциальности. Оценено влияние утечки на эффективность турбин такого типа.

Ключевые слова: малорасходные турбины, степень парциальности, центростремительная турбина

FIELD RESEARCH OF RADIAL FLOW TURBINES HAVING PARTIALLY BLADED

WHEEL ROTOR

Chekhranov S., Doctor of Techniques, professor, FSEIHPE «Dalrybvtuz», e-mail: turboroom@yandex.ru

The outcomes of the field research into radial inflow low consumption turbines having partially bladed wheel rotors are presented. Operating and geometrical parameters' impact upon the turbine efficiency with various degrees of admission has been determined. Leak impact upon the effective operation of this type of turbines has been assessed.

Keywords: low consumption turbines, degree of admission, inflow turbine.

Одним из современных направлений развития малорасходных турбин (МРТ) является создание МРТ нетрадиционных конструкций с малым уровнем внутренних потерь. Значительная часть таких турбин выполняется с парциальным впуском рабочего тела. Необходимость выполнения МРТ парциальными обусловлена стремлением увеличить высоту проточной части для снижения лопаточных потерь.

Результаты исследований турбин традиционных конструкций

[1] свидетельствуют о том, что парциальные МРТ невозможно выполнить реактивными из - за растекания потока в межвенцевом зазоре. Поэтому все парциальные МРТ строятся по схеме активных ступеней. В то же время, существуют конструкции МРТ, позволяющие решить проблему создания реактивных парциальных ступеней

[2]. Это турбины с частичным облопачиванием рабочего колеса. В литературе отсутствуют сведения о свойствах и характеристиках радиальных МРТ с частичным облопачиванием рабочего колеса, а также о влиянии степени парциальности на КПД ступени. Поэтому только экспериментальные исследования таких МРТ могут дать представление как о свойствах новых турбин, так и об области их возможного применения.

Схема проточной части такой центростремительной турбины показана на рис. 1.

Поскольку основной задачей исследования является определение влияния частичного облопачивания РК (эквивалентной степени парциальности) на характеристики ступени, то метод исследования принят аналогичным традиционным методам исследования парциальных ступеней. Как известно, в традиционных турбинах изменение степени парциальности осуществляется поочередным глушением сопел одной и той же исходной турбины. При этом, сохраняя неизменными начальные параметры рабочего тела, меняют расход и, соответственно, мощность ступени. Тот же принцип можно сохранить, если глушить не сопла, а межлопаточные каналы РК. В эксперименте каждому "заглушенному" каналу соответствовало свое РК. При этом эквивалентная степень парциальности менялась в широких пределах от 0,057 до 1.

Для оценки эффективности ступени по ее интегральным характеристикам требуются надежные методы оценки составляющих внутренних потерь. В частности, потери дискового трения и утечек измеряют отдельно при условиях, соответствующим реальным условиям эксперимента со ступенью. Диски РК выполнены упрощенными с широкой нерабочей частью обода и покрывным диском РК прямоугольной формы в меридиональном сечении. Теоретический расчет потерь трения для дисков простой формы практически совпадает с экспериментальными данными, что чрезвычайно важно при проверке адекватности математических моделей. То же можно сказать и об уплотнении диска РК. В эксперименте зазоры имели величину 0,25 мм с целью предотвращения даже возможности задевания гребней лабиринта и изменения его коэффициента раса д

хода. При этом наружный 1 и внутренний 2 диаметры РК выполнены неизменными 50 и 27,5 мм соответственно.

Известно, что потери дискового трения и утечек не могут быть оптимизированы для всех ступеней, т.к. конструкции дисков и уплотнений выбираются индивидуально для каждой конструкции турбины в зависимости от условий ее эксплуатации, технологии производства и т.д. Поэтому и требуется раздельная оценка всех потерь. В связи с тем, что в принципе проектирования МРТ с частичным облопачиванием РК заложено использование лопаточных профилей, наиболее оптимальных с точки зрения традиционных турбин, то геометрические параметры ступеней выбирались именно с этих позиций.

Как известно из результатов многочисленных исследований

а1о {

традиционных центростремительных турбин (ЦСТ), " лежит в пределах 12 - 20°. При этом ЦСТ, как правило, наиболее эффективны

п Т

при низких значениях Т . Согласно рекомендациям различных исследователей, для ЦСТ оптимальная степень расширения принята

Рис.1 Схема центростремительной турбины с частичным облопачиванием рабочего колеса

7Г = 2 5 . Меньшие значения , исследовались в других

Т'расч ' " 1

турбинах безвентиляционного типа - турбинах ЛПИ, занимающих свою иерархическую нишу.

Для получения более надежных выводов о влиянии эквивалентной степени парциальности на КПД, экспериментальные турбины

А й й

выполнялись с равными диаметрами и равной пропускной способностью СА при полном впуске. Профили СА и РК выбирались по рекомендациям ведущих научных организаций в области исследования турбин, с учетом влияния малоразмерности. Для исследования влияния перекрыши предусматривалось изменение высоты лопаток РК в 2 раза. Таким образом, в эксперименте должны быть учтены основные геометрические параметры проточной части, способные оказать влияние на эффективность ступени.

При обработке эксперимента результаты представлялись как с учетом, так и без учета потерь на утечки и дисковое трение. Такая форма представления характеристик позволяет объективно оценить как эффективность ступеней с конкретным конструктивным исполнением дисков и уплотнений, так и возможность достижения реальных значений к.п.д. при использовании более совершенных конструкций указанных элементов. Анализ зависимостей показывает, что при полном впуске наблюдается рост к. п. д. при увеличении

п т

1 от 1,5 до 2,5. Численные значения КПД п практически совпа-

Рг

дают с известными данными для реактивных ЦСТ при 1 = 0,5.

п т п т

Причем, при 1 = 2,5 и 1 = 2,0 значения к. п. д. одинаковы и

составляют 76% против 74% при

п

т =

1,5. В целом, полученные

результаты соответствуют выводам об оптимальных значениях пТ

приведенными в открытой печати. Однако, при снижении

8

наблюдается обратная тенденция. Так, при

8

п

П составляют 50% при

при расчетном значении

т

1,5 и

п

т

экв = 0,233 значения

п

2,0, а при

т

= 2,5, т.е.

л

8

1 = 0,49. При значении экв = 0,067

п т П,

т = 1,5 и

эта тенденция становится еще более заметной: при

п т Л

= 0,43; при т = 2,0 1

. п т п

1 = 0,42; при т = 2,5 1

1 = 0,38. 8

В этой связи заслуживает внимания анализ влияния

е а,

кпд. При минимальных для ступеней значениях экв влияние 1

п т е

сказывается по разному для различных т . Так, в области экв

0,057 ■ 0,067 наблюдается постоянный рост кпд при увеличении

а п

для

а

i = '

т = 1,5. Кпд растет от 43 % при

п

а

i =

12,46° до 45%

при 20,8°. В то же время для

п

'T =

2,0 минимальное значение

кпд, как и при

а

т

1,5 соответствует

а

п

а при

п

1 а. л,-

1 = 16,31° и 1 = 20,8° кпд одинаков ( и = 0,43). Для

T =

2,5 максимум кпд приходится на

1 = 12,46° С и = 0,42),

Л,-

ов ( U = 0,

а1 п i 1i

16,31° ( и = 0,39),

а1 а1 л,

а при 1 = 12,46° и 1 = 20,8° кпд ниже ( и = 0,38).

Таким образом, можно констатировать, что при минимальных

е

значениях экв абсолютный максимум кпд смещается в области

пт а1

минимальных т и максимальных 1. Это можно объяснить

тем, что при малых , а следовательно, малой облопаченной дуге РК в межвенцевой зазор попадает большое количество рабочего тела с начальными параметрами. Это можно объяснить тем, что

е

при малых экв , а следовательно, малой облопаченной дуге РК в межвенцевой зазор попадает большое количество рабочего тела с начальными параметрами. Это влечет за собой увеличение давления смеси в активной зоне и, как следствие, к значительному росту степени реактивности. Все это приводит не только к росту потерь от смешения потоков в зазоре, но и к росту потерь с выходной скоростью, увеличением потерь в СА в РК в связи со смещением их характеристик в зону неоптимальных чисел Маха. Очевидно, что преобладающими являются потери от смешения в зазоре и

пт

потери с выходной скоростью. Поэтому при 1 < 2,5 происходит снижение этих потерь, и соответственно, рост КПД. Косвенным подтверждением сказанному служит анализ оптимальных значе-

й Ui / С0

нии ' и для различных

п т е экв п т

т . При малых экв рост т

u. / c0 п т

приводит к смещению ( 1 0 ) вправо, а при 1 = const

U / Са

снижение

не приводит к заметному изменению (

8

) . Все это говорит о том, что РК при уменьшении больше подвергается влиянию степени реактивности и стремится к характеристике сегнерова колеса.

е

Однако, анализ влияния экв на кпд был бы некорректным

пт

Рис.2 Характеристики центростремительной турбины с различной степенью эквивалентной парциальности при т = 2 для угла

установки сопел 12,460

а) - экспериментальный внутренний КПД; б) - КПД без учета потерь энергии на утечки и дисковое трение

8

без анализа влияния экв на утечки. Выше уже отмечалось, что величина утечек во многом зависит от конструкции уплотнения, и

8

при проектировании ступени на конкретное значение экв величина утечки может так же быть заранее выделена для выбранного типа уплотнения. В то же время, для регулируемых турбин важно знать не только абсолютную величину, но и характер изменения утечек и их влияния на кпд. В качестве примера на рис.2 приведены характеристики турбины с учетом всех потерь и с вычетом потерь от утечек и дискового трения.

Турбины реактивного типа с частичным облопачиванием РК

меняют свою реактивность при изменении экв . А это значит, что меняется и перепад давлений на уплотнении. Следовательно,

8

при регулировании МРТ путем изменения экв величина утечки будет меняться. Здесь следует учитывать, что характер изменения утечек существенно отличается от аналогичных явлений в парциальных турбинах традиционного типа. Дело в том, что в активных ступенях традиционных парциальных МРТ величина утечки прак-

с

тически остается постоянной при любом . Меняется лишь ее

доля в общем расходе через ступень. В реактивных парциальных

р

МРТ традиционного типа уменьшение приводит к падению степени реактивности, а значит, к уменьшению абсолютной величины утечек. Для МРТ с частичным облопачиванием РК картина

8

прямо противоположная, поскольку с уменьшением экв степень реактивности, а следовательно, и величина утечки растет. В этих условиях важно знать, как утечка влияет на изменение оптимальных

и. / С0

0 . Строго говоря, влияние оказывает весь комплекс потерь, но анализ влияния оптимизируемых параметров ступени показан выше. Для неоптимизируемых параметров, таких как утечка и дисковое трение, важно определить качественный характер влияния. Поскольку параметры рабочего тела в зазоре определяют и величину потерь дискового трения, то рассматривать их целесообразно совместно с потерями утечек.

Наиболее наглядно такое влияние проявляется на обобщенных

П —П - /п

зависимостях относительно кпд 8 г'8 -1 г'8 (рис.3). Для исследованных ступеней абсолютная величина суммарных

значении ' и

8 К T

экв = 1 на всех 1

а

потерь утечек и дискового трения при = 1 на всех -'и *

составляет примерно одинаковое значение - 13 %. Для полного впуска это достаточно большая величина, но не следует упускать из виду, что, как уже отмечалось, это было сделано сознательно. При установке более рациональных конструкций РК и уплотнений эта величина при полном впуске не превышает 2 %. Анализ зависимости

п - / (8)

показывает, что утечки и дисковое трение делают ее почти линейной. Как уже отмечалось, это обусловлено тем, что

экв

при уменьшении экв степень реактивности увеличивается и растет не только относительная, но и абсолютная величина утечек и дискового трения. При этом абсолютный максимум кпд смещается

в область минимальных значении

а

и

Сравнивая анало-

гичные зависимости, где потери от утечек и дискового трения не

учитываются, можно заметить, что тенденция смещения

п т а,

по идентичны, а по углу 1 - противоположны, т.е. максимальные значения кпд достигаются при минимальных значениях

а

Однако, по абсолютной величине расхождение между ми-

а

нимальным значением кпд при

а

1 = 20,8° и максимальным при

а

1 = 12,46° незначительно (~ 1 %). С учетом того, что при 1 =

8 а.

12,46° минимальное значение экв составляло 0,067, а при 1

= 20,8°

8

- 0,057, можно достаточно уверенно предположить,

К

что равных

большую реактивность будет иметь ступень с

а

1

меньшей парциальностью, т.е. при 1 = 20,8°. В такой ступени утечка, естественно, будет больше, а кпд - меньше. Все это только подтверждает тезис о том, что оценивать влияние эквивалентной парциальности на кпд ступени следует без учета утечек и дискового трения, а их влияние оценивать отдельно по данным для конкретных конструкций диска РК и уплотнения, выбранных проектантом.

Проведенный анализ экспериментальных данных показывает и пути совершенствования ступеней с частичным облопачиванием РК. В самом деле, обращает на себя внимание очевидный факт - традиционный метод проектирования парциальных турбин, основанный на простом уменьшении дуги впуска базовой ступени с полным подводом приводит к увеличению степени реактивности и всех связанных с ней потерь. Следовательно, необходимы мероприятия по снижению давления в межвенцевом зазоре активной дуги. Это можно сделать изменением отношения проходной площади РК и проходной площади сопел активной дуги в сторону увеличения. Существует немало способов такого увеличения, и один из наиболее очевидных - увеличение перекрыши. Как уже отмечалось, в традиционных МРТ увеличение перекрыши приводит к потерям от резкого расширения потока. Но в МРТ с частичным облопачиванием

Рис.3 Влияние эквивалентной степени парциальности на относительный КПД радиальных турбин с частичным облопачиванием РК а - с учетом всех потерь энергии; б - без учета потерь на утечки и трение диска

РК параметры потока, находящегося вне зоны подвода, выше параметров потока, вытекающего из активных сопел. Поэтому говорить о резком расширении потока здесь невозможно. В то же время, увеличение перекрыши должно сопровождаться двумя явлениями: 1) увеличение потерь от смешения потоков; 2) снижение давления смеси за счет увеличения проходной площади каналов РК. Первое из отмеченных движений снижает кпд за счет увеличения потерь в зазоре, в второе - увеличивает кпд за счет снижения потерь с выходной скоростью и от утечек. Для определения того, будет ли такой баланс положительным, были проведены специальные экспериментальные

а, I

исследования. В турбину с СА, имеющим 1 = 20,8° и c = 2,01

l, l

мм устанавливались различные РК с 1 = 4,3 мм и 1 = 4,7 мм. Т.е. максимальная перекрыша составляла более 130 %.

При полном подводе кпд практически не изменился во всех

l

диапазонах л . Возможно, что потери от перерасширения потока в зазоре компенсировались снижением потерь с выходной скоростью

Рт

и от утечек в связи со снижением , а так же, перераспределением потерь в зазоре. Кроме того, величина изменения кпд могла не превышать погрешности эксперимента. Для более точного ответа необходимо детальное исследование структуры потока в ступени.

Зато при наличии парциальности влияние л прослеживается достаточно отчетливо. Причем, тенденции по смещению оптимальных

8 П T

значений кпд в зависимости от экв и T сохраняются такими же, как и для ступеней с оптимальной перекрышей. В то же время, термин "оптимальная перекрыша" для МРТ с частичным облопа-чиванием РК несколько меняет свой смысл, поскольку наблюдается

явный рост кпд с увеличением перекрыши при снижении экв .

£т1п п т

Особенно заметно это влияние при 111111 = 0,057. При т = 1,5

пт

кпд повысился от 45 % до 49 %, а при т = 2,5 к.п.д повысился на 6 % (от 38 % до 44 %). Таким образом, можно считать обоснованной гипотезу о том, что при частичном облопачивании РК положительный баланс в перераспределении потерь может быть достигнут увеличением перекрыши.

Из всего вышеописанного следует, что при проектировании МРТ с частичным облопачиванием РК проходные сечения межлопаточных каналов необходимо рассчитывать с учетом расхода рабочего тела не только через сопла активной дуги, но и с учетом подсоса из неактивной зоны. В этом случае можно обеспечить расчетную ступень реактивности и минимум потерь на утечку.

Литература:

1. Наталевич А.С.Воздушные микротурбины. М.: Машиностроение, 1979. 192 с.

2. Давыдов А.Б. и др. Расчет и конструирование турбодетанде-ров - М.: Машиностроение, 1987. - 232 с.

3. Емин О.Н., Зарицкий С.П. Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами. - М.: Машиностроение, 1975. - 216 с.

4. Епифанова В.И. Компрессорные и расширительные машины. - М.: Машиностроение, 1984. - 376 с

5. Котляр И.В., Кончаков Е.И., Гусаров С.А. Метод расчета потерь на вентиляцию парциальной ступени турбины //Совершенствование газодинамических элементов судовых агрегатов и устройств: Межвузовский сборник. - Горький, 1986. - С. 57-58.

6. АС 1257243 СССР. Центростремительная турбина /Дальрыб-втуз; Авт. изобрет. С.В. Чехранов. - Опубл. в Б.И., 1986, №34.