CC BY
35
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
УДК 621.438
Ю.Я. Фершалов, Т.В. Сазонов
ФЕРШАЛОВ ЮРИЙ ЯКОВЛЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: FershalovJuriy@mail.ru
САЗОНОВ ТИМОФЕЙ ВИКТОРОВИЧ - аспирант кафедры судовой энергетики и автоматики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: sazonov-tv@list.ru
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПЕЛ
Приводится обзор методов иследования сопел. Описывается экспериментальная установка для исследования сопел. Представлена методика проведения эксперимента и методика обработки его результатов.
Ключевые слова: турбина, сопловой аппарат, эффективность, сопло, малоразмерные турбомашины, коэффициент скорости.
Experimental researches on nozzles. Juriy Ya. Fershalov, Timofei V. Sazonov, School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
The article presents a review of the methods to research nozzles. It contains a description of an experimental setup to study nozzles and presents procedures of performing experiments and processing their results.
Key words: turbine, efficiency, nozzle; small-size turbo machines, speed ratio.
В последнее время на фоне широкого развития численных методов исследования отмечается тенденция увеличения экспериментальных исследований. Если на 4-й Европейской конференции по турбомашинам свыше 80% докладов было посвящено исключительно расчетным исследованиям, то на 8-й конференции (2009 г.) экспериментальным исследованиям было посвящено подавляющее большинство представленных работ [4].
Это можно объяснить следующим.
© Фершалов Ю.Я., Сазонов Т.В., 2013
Теоретический метод основан на решении аналитическими методами уравнений сохранения энергии, движения рабочего тела и состояния, но в настоящее время аналитическими методами произвести расчет движения газа в каналах турбины невозможно [12, 16].
Численный метод основан на решении численными и аналитическими методами уравнений сохранения, состояния и движения [3, 5, 10, 11, 15], на практике же возможности применения современных численных методов анализа на базе уравнений Навье-Стокса являются ограниченными.
Для численных исследований соплового аппарата (СА) используются коммерческие программы FLUENT, NUMECA FINE, STAR-CD, TASCflow, CFX и др., с помощью которых оценивается эффективность сопловых аппаратов. На получаемые с их помощью результаты оказывают влияние следующие факторы: выбор исследователем числа ячеек, порядок точности дискретизации, тип расчетной сетки, степень турбулентности, модели турбулентности и т.п. [14].
Для численного моделирования потоков газа характерны следующие недостатки: неполная адекватность реального и численного эксперимента, т.е. методы численного моделирования дают некоторую количественную ошибку по сравнению с результатами эксперимента; необходимость наличия мощных вычислительных средств.
Экспериментально-теоретический метод основан на систематизации и обобщении полученных на моделях экспериментальных характеристик проточной части, а также на получении математических зависимостей экспериментальных параметров с последующим их анализом [1, 6- 8, 13].
Этот метод обеспечивает наиболее достоверные результаты для проектирования малоразмерных турбомашин (МРТ) и позволяет получать интегральные характеристики СА. Он предусматривает либо обработку уже имеющихся экспериментальных результатов, либо выполнение эксперимента с последующим анализом его результатов.
Экспериментальных результатов исследований сопел с углом выхода менее 9° крайне мало, они разрозненны, получены при разных условиях, имеют различную погрешность, в силу чего использовать их не представляется возможным.
Из вышесказанного следует, что для получения зависимостей интегральных характеристик от режимных и геометрических параметров необходимо проведение экспериментальных исследований сопел малоразмерных турбин с малыми углами выхода потока.
Целью статьи является разработка экспериментального стенда для исследования сопел, методики проведения эксперимента и методики обработки его результатов.
Экспериментальные исследования сопел
Для исследования малоразмерных сопел неприменимы методы, используемые при изучении сопел полноразмерных турбин. Так, вследствие малых размеров сопла в нем нельзя определить значения точечного статического давления, также затруднительно определение местной температуры торможения и полного давления [9].
Более точному измерению поддаются среднеинтегральные величины, такие как расход газа, крутящий момент и т.д.
С учетом этих особенностей был разработан экспериментальный стенд (рис. 1).
Рис. 1. Схема экспериментального стенда
Конструкция стенда включает ресивер, к которому крепится модельное сопло. Рабочим телом является воздух. Подача сжатого воздуха обеспечивается компрессором. Измерение расхода рабочего тела производится с помощью расходомерного участка. Через сильфон обеспечивается подвод рабочего тела и подвижность ресивера по трем осям.
При истечении из модельного сопла поток рабочего тела создает реактивную силу, которая пытается сместить ресивер в сторону, противоположную направлению истечения потока. Датчики силы ограничивают смещение ресивера, позволяя совершать лишь незначительные перемещения, необходимые для работы датчиков силы. Измерение реактивной силы производится датчиками силы по трем осям.
Измерения температуры и полного давления потока перед соплом производится с помощью термопары и трубки Пито.
Рис. 2. Стенд для определения характеристик сопла
Наличие фланца в конструкции стенда позволяет осуществлять закрепление сопла как в горизонтальном, так и в вертикальном положении.
Проведение эксперимента
1. Тарировка измерительной системы стенда при заглушенном сопле.
2. Снимается заглушка с сопла.
3. Согласно плану эксперимента, выставляются параметры воздуха (давление, температура), при которых будут проводиться замеры.
4. Замеряется расход рабочего тела.
5. Для получения приемлемого значения погрешности проводятся параллельные опыты -столько раз, сколько это необходимо. Для исключения систематической погрешности положение сопла будет изменяться как поворотом вокруг оси, так и перестановкой из горизонтального положения в вертикальное.
6. После завершения эксперимента будут получены следующие экспериментальные результаты замеров: полное давление потока перед соплом, температура торможения потока перед соплом, усилия, создаваемые реактивной силой по трем осям, расход рабочего тела.
Обработка данных эксперимента
1. Реактивная сила определяется через векторное сложение по формуле (1).
Р = % + % + £ ,
(1)
где Р - реактивная сила, Рх, - проекции реактивной силы соответственно на оси X, У, Ъ (рис. 3).
2. Выходная скорость потока определяется через расход газа и реактивную силу [2] по формуле (2):
1 С '
(2)
где О - расход газа.
3. Определение теоретической выходной скорости (С1теор) происходит по формуле (3) [2]:
^1теор = ¡^
©
к-1-, к
(3)
Рис. 3. Разложение реактивной силы
где к - коэффициент адиабаты газа, Я -газовая постоянная, Т - температура торможения, Р1 - полное давление за соплом, Р2 - полное давление перед соплом.
4. Определение коэффициента скорости сопла (ф) происходит по формуле (4) [2]:
5. Угол выхода потока (а) определяется по формуле(5):
а = 9 0° — аг с с os (.i ) .
(5)
6. Построение математической модели зависимости интегральных характеристик сопла от степени расширения, числа Маха, углов раскрытия сверхзвуковой части, ширины и высоты критического сечения, конструктивного угла выхода.
Итак, спроектированный экспериментальный стенд позволит получить значения коэффициента скорости сопла и угла выхода потока. Благодаря полученным результатам появится возможность профилировать сопла с минимальными потерями энергии на основе оптимизационных вычислений.
Работа выполнена при поддержке Программы «Научный фонд ДВФУ», проект № 12-0813011-14 «Оптимизация энергетической эффективности сопловых аппаратов малорасходных турбин».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1986. 281 с.
2. Виноградов Л.В. Исследование сверхзвуковых осесимметричных сопел и аппаратов турбин: дис. ... канд. техн. наук. М., 1975. 154 с.
3. Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я., Крайко А.Н., Прокопов Г.П. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976. 400 с.
4. Зарянкин А.Е., Рогалев А.Н. Некоторые итоги 8-й европейской конференции по турбомашинам // Теплоэнергетика. 2009. № 9. С. 78-78.
5. Колльман В. Методы расчета турбулентных течений. М.: Мир, 1984. 464 с.
6. Кончаков Е.И. Совершенствование судовых парциальных турбомашин на малых моделях: дис. ... д-ра техн. наук. Владивосток, 2001. 267 с.
7. Кузнецов Ю.П. Сопловые аппараты осевых микротурбин, их совершенствование с целью повышения эффективности высокооборотных турбоприводов: дис. ... канд. техн. наук. Горький, 1989. 165 с.
8. Куприянов О.Е. Разработка и исследование рабочих решеток профилей конструкций ЛПИ с большим относительным шагом: дис. ... канд. техн. наук. Л., 1988. 152 с.
9. Наталевич А. Воздушные микротурбины. М.: Машиностроение, 1979. 191 с.
10.Самарский А.А., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. Изд. 2-е, перераб. М.: Наука, 1980. 352 с.
11. Седов Л.И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. 2-е изд. М.: Наука, 1966. 448 с.
12.Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. М.: Машиностроение, 1962. 570 с.
13.Фершалов Ю.Я. Совершенствование сверхзвуковых осевых малорасходных турбин: дис. ... канд. техн. наук. Владивосток, 2000. 153 с.
14. Чжэн Гуанхуа. Расчетно-экспериментальное исследование газодинамической и тепловой эффективности решеток высокоперепадных турбин: дис. ... канд. техн. наук. М., 2008. 185 с.
15.Чушкин П.И. Метод характеристик для пространственных сверхзвуковых течений. М.:
Вычисл. центр АН СССР, 1968. 122 с. 16.Шевелев Ю.Д. Пространственные задачи вычислительной аэро-гидродинамики. М.: Наука,
1986. 365 с.
