CC BY
7Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения
УДК 697.94
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ФИЗИЧЕСКОГО МАКЕТА
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА МОДЕЛЬНОМ РАБОЧЕМ ТЕЛЕ
М. А. Ермаков, Ю. Н. Шевченко, А. А Кишкин, М. М. Попугаев, А. В. Делков
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]
В настоящих материалах прорабатывается программа проведения испытаний физического макета энергетической установки. Рассматриваются основные влияющие на энергетику энергетической установки параметры. Оцениваются проблемы и перспективы физического моделирования энергетических установок.
Ключевые слова: испытания, энергетическая установка, микротурбина, обработка результатов эксперимента.
DEVELOPMENT OF THE EXPERIMENTAL INVESTIGATION PROGRAM FOR PHYSICAL LAYOUT OF THE ENERGY UNIT ON THE MODEL WORKING FLUID
M. A. Ermakov, Ju. N. Shevchenko, A. A. Kishkin, M. M. Popugayev, A. V. Delkov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
This article covered the program for experimental investigation of the physical model of the power unit. The main influencing parameter, that determines the energy efficiency of the power unit, are considered. Problems and prospects of physical modeling of power units are estimated.
Keywords: experimental investigation, power unit, microturbine, processing of experimental results.
Основой расчета энергетических установок является исследование процессов тепло-, массо- и энергообмена в граничных условиях базовых элементов установки [1]. В общем случае цель таких расчетов -определение производительности и энергетической эффективности установки. Сложность конструкции и специфические особенности процессов теплопередачи (нестационарность процессов теплообмена, комплексный характер коэффициентов теплопередачи и т. д.) и энергообмена (зависимость удельных параметров от конструктивного исполнения, наличие значительного числа потерь в энергетическом балансе, необходимость учета изменения свойств рабочих тел) требуют сложных методов проектирования, в то время, как необходимость проведения сравнительного анализа различных конструкций установки предъявляет к таким методами требования достаточной простоты для целей оперативного анализа.
Традиционно при проектировании энергетических установок совместно используются теоретический и экспериментальный методы, с помощью которых определяются гидродинамические (распределение скоростей, давлений) и теплофизические (коэффициент теплоотдачи, количество переданного тепла, распределение температур) характеристики [2]. Несмотря на то, что эксперимент по-прежнему играет очень важную роль, особенно при исследовании сложных течений, во многих работах проявляется тенденция ис-
пользования теоретических моделей с использованием физических законов. Так или иначе, но и для использования таких моделей, и для построения корреляционных зависимостей необходимо их экспериментальное подтверждение.
В настоящей работе рассматриваются задачи физического моделирования макета энергетической установки, представляющей собой микротурбинный узел. Подобные установки могут работать на различных рабочих телах, однако в рамках настоящего исследования использовалось модельное рабочее тело -воздух, как наиболее доступное. Конструкция узла представлена на рисунке.
Принцип работы физического макета основан на преобразовании кинетической энергии потока в работу на валу микротурбинного узла. Основными элементами микротурбинного узла являются: рабочее колесо 2, подводящее устройство 3, вал 7. Для возможности визуализации вращения колеса использовалась крышка 4 из плексигласа.
Энергетические характеристики микротурбинного узла определяются удельными параметрами термодинамического цикла и геометрией проточной части турбины. Основным производящим процессом цикла является процесс расширения на турбине с совершением работы, который в основном определяет термический КПД установки и уровень полезной мощности [3].
Решетневскуе чтения. 2018
Конструкция исследуемого микротурбинного узла
При составлении программы испытаний физического макета учитывались следующие влияющие параметры:
- высота лопатки на входе и выходе для рабочего колеса оказывает непосредственное влияние на уровень удельной работы;
- радиус колеса, определяющий значение окружной скорости;
- плотность рабочего тела, влияющая на величину вырабатываемой мощности;
- угловая скорость вращения рабочего колеса;
- энтальпия рабочего тела на входе в турбинный узел.
С учетом влияющих параметров экспериментальные исследования проводились в несколько серий при варьировании типов рабочих колес, направляющих аппаратов. В качестве характеризующих серию показателей использовались следующие:
- диаметр рабочего колеса (использовались колеса с диаметром 45, 48 и 100 мм);
- высота лопатки рабочего колеса на входе (использовались колеса с высотой лопатки на входе 1, 2, 3 мм);
- тип подводящего устройства (кольцевые устройства с проточной частью различной конфигурации);
- наличие или отсутствие направляющего аппарата.
Для каждой серии экспериментальных исследований проводился ряд замеров параметров для установившихся режимов в зависимости от скорости вращения ротора турбины, начиная с максимальной. Для каждой серии экспериментальных исследований формировались протоколы испытаний.
Для обработки результатов экспериментальных исследований использовались основные соотношения из теории турбомашин. Обработка проходила в три стадии: обработка результатов измерений в сечении; обработка результатов на участках; вычисление энергетических характеристик ступени.
По результатам проведенной экспериментальной работы были сделаны следующие выводы:
- снижение величины высоты лопатки рабочего колеса ведет к увеличению удельной окружной работы рабочего колеса центростремительной турбины;
- при достижении предельного физико-технологического уровня уменьшения высоты лопатки рабочего колеса, следует переходить к турбинам иного типа: турбинам трения, вихревым и т. п.;
- необходимо продолжить экспериментальные исследования в области комплексных энергетических испытаний ступени турбины, с целью учета эффекта интерференции местных сопротивлений (подводящего канального аппарата и рабочего колеса), поскольку они находятся в предельной зоне длины влияния по отношению друг к другу.
Библиографические ссылки
1. Пфлейдерер К. Л. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М. : Гостехиздат, 1960. 684 с.
2. Баренбойм А. Б. Малорасходные фреоновые турбокомпрессоры. М. : Машиностроение, 1974. 224 с.
3. Теория пространственного пограничного слоя в гидродинамике турбомашин : монография / А. А. Кишкин, В. П. Назаров, Д. А. Жуйков, и др. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск. 2013. 250 с.
References
1. Barenbojm A. B. Maloraskhodnye freonovye tur-bokompressory [Low-Flow Freon Turbochargers]. Moscow, Mashinostroenie Publ, 1974. 224 p.
2. Pflejderer K.L. Lopatochnye mashiny dlya zhid-kostej I gazov [Turbines For Liquids and Gases]. Moscow, Gostekhizdat Publ, 1960. 684 p.
3. Kishkin A. A., Nazarov V. P., Zhujkov D. A. Te-oriya prostranstvennogo pogranichnogo sloya v gidrodi-namike turbomashin: monografiya [Theory of the spatial boundary layer in the hydrodynamics of turbomachines: monograph] ; Krasnoyarsk, SIBGAU Publ, 2013. 250 p.
© Ермаков М. А., Шевченко Ю. Н., Кишкин А. А., Попугаев М. М., Делков А. В., 2018
