Канальные подводящие устройства микротурбин Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Решетневскуе чтения. 2018

УДК 629.78

КАНАЛЬНЫЕ ПОДВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА МИКРОТУРБИН

Ю. Н. Шевченко, Е. В. Кузнецов, Д. Ю. Чайкин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассматривается вопрос моделирования канальных подводящих устройств микротурбин. Исследование подводящих устройств на сегодняшний день является единственным источником информации по полям скоростей, давлений и температур на входе в рабочее колесо микротурбины.

Ключевые слова: энергетическая установка, микротурбина, подводящее устройство, рабочее колесо, поле скоростей, вход в рабочее колесо.

MICROTURBINES CHANNEL FEEDING DEVICES

Yu. N. Shevchenko, E. V. Kuznetsov, D. Yu. Chaikin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

This article covered the question of simulation for microturbines channel feeders. Investigation offeeders is the only one source of information on the velocity fields, pressure and temperature at the entrance to the impeller of a microturbine.

Keywords: power unit; microturbine, channel feeder, impeller, field of speed, entrance to the impeller.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование канальных подводящих устройств микротурбин. Микротурбина представляет собой энергетическую установки для преобразования энергии потока рабочего тела в работу на валу ротора. Энергетическая эффективность микротурбины во многом определяется параметрами потока рабочего тела в различных ее частях [1]. Подводящее устройство микротурбины используется для формирования потока рабочего тела, направленного на лопатки рабочего колеса. Исследование подводящих устройств на сегодняшний день является единственным источником информации по полям скоростей, давлений и температур на входе в рабочее колесо микротурбины [2; 3].

Экспериментальная продувка канальных подводящих устройств производилась в специальном приспособлении, имитирующем энергетическую установку, и позволяющем производить измерения по шести измерительным постам, согласно схеме на рисунке.

Обозначения постов (вх, 0, 1, 2, 3, 4) соответствуют следующей схеме: измерение параметров на входе в турбинный узел (Рвх Твх); измерение параметров в канале подводящего устройства (P0 Т0); измерение параметров в четырех точках на радиусе рабочего колеса (Pi Ть P2 Т2, P3 Т3, P4 Т4). На каждом посту измерялось полное давление (P ) приемником полного давления, статическое давление (PCT) приемником статического давления, равновесная измеренная температура (t) - термопарой.

С использованием результатов обработки данных эксперимента в термодинамических и механических параметрах в соответствии с алгоритмом обработки результатов были определены коэффициенты потерь в канальных кольцевых и спиральных подводящих устройствах различного конструктивного исполнения. Коэффициент потерь в подводящем устройстве ^п [4; 5] рассчитывается по выражению:

=

k

C (k-1)

f

P* Pn

л

■ (1)

ч Рвх Рвх У

где С0 - абсолютная скорость; к - показатель адиабаты; Р* - полное давление; р - плотность рабочего тела.

Выражение (1) можно преобразовать для удобства компенсации погрешности измерений, в аналогичное выражение для адиабатического течения:

=

1

С2

2k

M

ЯТп

1 -

k-1 P* ^ k 11

P

VJ 0 y

(2)

где Я - газовая постоянная; Т - абсолютная температура потока рабочего тела.

По результатам обработки экспериментальных данных был сделан вывод: коэффициенты потерь слабо зависят от расходной составляющей и для каждого данного канального подводящего устройства обусловлены в большей степени геометрическими параметрами.

Полученные экспериментальные данные по коэффициентам потерь в канальных подводящих устройствах позволят скорректировать алгоритм расчета микротурбинного узла, значительно повысив его точность.

Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения

Схема расположения датчиков в испытательной системе канального подводящего устройства

Коэффициенты потерь для спиральной образующей канального подводящего устройства в среднем ниже на 10 по отношению к кольцевой образующей. Коэффициенты потерь ^(С^) и £(С0) отличаются значительно, что однако не отражают физику процесса, поскольку одни и те же величины потерь отнесены лишь к разным скоростям, что в свою очередь определяется лишь удобством использования данных при расчете, доверительность при определении скорости С0 значительно выше, чем в случае скорости С1.

Анализируя экспериментальные данные, можно сделать вывод, что основными факторами, определяющим величину потерь, являются степень парциаль-ности е и профиль канала подводящего устройства, по следующим причинам:

- значение парциальности е (относительная величина области реального подвода расхода рабочего тела к круговому периметру рабочего колеса) в сери проведенных экспериментальных исследований достигает величины всего 0,06... 0,1, что соответствует отношению площадей при внезапном расширении 16,7.10 и коэффициенту гидравлических потерь £ = 245.81. По данным эксперимента были получены значения ^ = 120...20;

- очевидно канальное подводящее устройство конструктивно можно выполнить предельно касательным к образующей (в этом случае средняя линия подводящего канала будет совпадать с касательной к входной кромке рабочего колеса), что не подразумевает закрутку потока вообще. Экспериментально при радиальном подводе рабочего тела были получены значения ^ = 20...10.

В целом полученные результаты позволяют сфо-мировать расчетные зависимости, которые могут быть использованы для оценки эффективности подводящих устройств при проектировании микротурбины узлов. Необходимо продолжить экспериментальные иссле-

дования в области комплексных энергетических испытаний ступени турбины, с целью учета эффекта нтерференции местных сопротивлений (подводящего канального аппарата и рабочего колеса).

Библиографические ссылки

1. Андрющенко А. И. Основы технической термодинамики реальных процессов. М. : Высш. шк., 1967. 267 с.

2. Овсянников Б. В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М. : Машиностроение, 1977. 540 с.

3. Кочин Н. Е., Кибель И. А., Розе Н. В. Теоретическая гидромеханика. М. : Физматлит, 1963. 583 с.

4. Фабрикант Н. Я. Аэродинамика М. : Наука, 1964. 815 с.

5. Moore M. J. Micro-turbine Generators. Professional Engineering Publishing, 2002.

References

1. Andryushchenko A. I. Osnovy tekhnicheskoj ter-modinamiki real'nykh protsessov [Fundamentals of technical thermodynamics of real processes]. Moscow : Vysshaya shkola Publ., 1967. 267 p.

2. Ovsyannikov B. V., Borovskij B. I. Teoriya i ra-schet agregatov pitaniya zhidkostnykh raketnykh dviga-telej [Theory and calculation of units of power supply of liquid rocket engines]. Moscow : Mashinostroyeniye Publ., 1977. 540 p.

3. Kochin N. E., Kibel I. A., Roze N. V. Teo-reticheskaya gidromekhanika [Theoretical hydromechanics]. Moscow : Fizmatlit Publ., 1963. 583 p.

4. Fabricant N. Ya. Aehrodinamika [Aerodynamics]. Moscow : Nauka Publ., 1964. 815 p.

5. Moore M. J. Micro-turbine Generators. Professional Engineering Publishing, 2002.

© Шевченко Ю. Н., Кузнецов Е. В., Чайкин Д. Ю., 2018