Исследование неподвижных лопаточных венцов турбомашин

Основной задачей подобных исследований является определение потерь полного давления, а также углов выхода потока из лопаточной решетки. Кроме того, в экспериментах могут выясняться особенности течения в межлопаточных каналах - распределение скоростей и давлений, течения в пограничных слоях и т.д. Эти данные необходимы для экспериментальной проверки разрабатываемых методов расчета и для их уточнения. Например, для компрессорных решеток определение параметров потока осуществляется, как правило, на основе обобщения результатов экспериментальных исследований.

При продувках решеток охлаждаемых турбин в задачи исследования может входить наряду с выяснением особенностей газодинамики течений также определение эффективности системы охлаждения и теплового состояния лопаток.

Простота установок и методики эксперимента, невысокие энергетические затраты позволяют применять продувки неподвижных лопаточных венцов для оперативной проверки мероприятий по снижению потерь, для снятия сравнительных характеристик различных экземпляров колес перед их установкой на двигателях и т.д.

Для исследования неподвижных лопаточных венцов, имеющих небольшую относительную высоту лопаток (D_ср/h_л³5) (направляющих аппаратов компрессора, сопловых аппаратов турбины), а также вращающихся венцов, если поверхности тока в них не сильно отличаются от соосных цилиндров, применяются плоские решетки, в которых профили лопаток не изменяются по их высоте. В противном случае используются кольцевые решетки или их секторы.

Принципиальная схема установки для исследования плоских решеток турбин приведена на рис. 8.1. Рабочее тело (воздух или

Рис. 8.1. Схема установки для продувки плоских решеток:

1 – входная часть установки; 2 - подвижные отсечные пластины; 3 – слив пограничного слоя; 4 - исследуемая решетка; 5 - рабочая часть установки; 6 - штуцера для ввода измерительных насадков; 7 - выходная часть установки

Рис. 8.2. Схема установки для продувки кольцевых решеток:

1 - входная часть установки; 2 - исследуемая решетка; 3 -измерительный зонд; 4 - спрямляющие лопатки; 5 - координатник; 6 - поворотное устройство

моделирующий газ) поступает по входному патрубку 1 в рабочую часть, где установлена неподвижная решетка 4 под определенным углом к потоку. На выходе из решетки в сечении А-А производятся подробные измерения параметров потока.

Для обеспечения равномерного поля скоростей газа при входе в установку перед ней установлен ресивер. Для этой же цели служит слив пограничного слоя.

Чтобы обеспечить исследования при различных значениях угла входа потока, вся решетка может размешаться в поворотном устройстве либо могут поворачиваться образующие ее лопатки. Необходимое направление потока на входе и на выходе обеспечивается постановкой подвижных отсечных пластин 2.

При исследовании охлаждаемых лопаток турбин установка должна быть снабжена магистралями для подвода к лопаткам охладителя, оборудованными средствами измерения его параметров и расхода.

Схема установки для исследования кольцевых решеток приведена на рис. 8.2. Принципы действия данной установки и рассмотренной ранее примерно одинаковы.

Для моделирования распределения скоростей и давлений по высоте лопаток кольцевых решеток могут применяться сетки, а также снабженные лопатками и перегородками специальные направляющие устройства.

Исследования проводятся как при повышенных по сравнению с атмосферным, так и при пониженных давлениях. В первом случае прокачка рабочего тела через решетку обеспечивается компрессором (работа «на давление»), во втором - эксгаустером или эжектором (работа «на просос»). При работе «на давление» возможно обеспечение повышенных, близких к рабочим, значений чисел Re, хотя потребная мощность привода компрессора при этом будет возрастать. Установки с выходом воздуха после решетки в атмосферу (открытые установки), работающие «на давление», имеют преимущество свободного доступа к выходному сечению решетки, где выполняется наибольшее число измерений.

При работе «на просос» числа Re в проточной части будут пониженными, однако при этом снизится также потребная мощность эксгаустера.

В проточной части установки перед экспериментальной решеткой могут располагаться подогреватели электрические или газовые (камеры сгорания) для повышения температуры рабочего тела при исследовании лопаток турбин или для предотвращения конденсации и замерзания водяного пара при работе «на просос».

Потребная мощность привода существенно уменьшается при помещении исследуемых решеток в замкнутый контур, заполненный рабочим телом, имеющим большую молекулярную массу (малое значение газовой постоянной R).

В экспериментах измеряются значения полного и статического давлений и температура потока на входе в рабочую часть, поля скоростей потока при выходе из решетки. Последние измерения выполняются в центральных межлопаточных каналах для исключения влияния боковых стенок. Измерения производятся с помощью ориентируемых по направлению потока насадков или гребенок приемников давления (см. гл. 2). По результатам измерений вычисляются значения коэффициента потерь x=1-(l_ср/l_s)², действительные значений угла выхода потока b₂ и другие параметры. Здесь l_ср – среднее значение приведенной скорости на выходе, определенное по осредненным по площади (или по другим параметрам) экспериментальным значениям полного р*_2ср и статического р_2ср давлений; l_s - изоэнтропическая приведенная скорость, рассчитанная по значению полного давления на входе в решетку р. и статического давления на выходе р_2ср.

В некоторых случаях измеряются распределение статических давлений по стенкам лопаток и поля скоростей потока в межлопаточных каналах. При этом находят применение оптические методы измерений.