close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

27. Изучение энергетических характеристик активной турбины на однофазном и двухфазном рабочем теле

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н. Э. Баумана
ИЗУЧЕНИЕ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
АКТИВНОЙ ТУРБИНЫ
НА МОДЕЛЬНОМ ОДНОФАЗНОМ
И ДВУХФАЗНОМ РАБОЧЕМ ТЕЛЕ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
по курсу «Теория и проектирование ТНА»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2011
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.455
ББК 39.65
М17
Рецензент А.Ф. Куфтов
М17
Максимов С. Ф.
Изучение энергетических характеристик активной
турбины на однофазном и двухфазном рабочем теле : метод.
указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Теория
и проектирование ТНА» / С.Ф. Максимов, Д.А. Ягодников,
Е.А. Андреев, А.Н. Бобров, П.Б. Крюков . – М. : Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2011. – 46, [2] с. : ил.
Рассмотрены расчетные и экспериментальные методы определения характеристик турбины, работающей на однофазном или
двухфазном рабочем теле, лабораторный стенд и рабочий участок
для испытаний турбины. Приведены описания программного
комплекса и методики регистрации и обработки результатов экспериментов на ЭВМ.
Для студентов, обучающихся по направлению «Двигатели летательных аппаратов» и специальности «Ракетные двигатели»
МГТУ им. Н.Э. Баумана.
УДК 621.455
ББК 39.65
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Отличительная особенность жидкостного реактивного двигателя (ЖРД) состоит в возможности изменения значения тяги за
счет изменения расхода топлива в камеру сгорания. Для ЖРД с
турбонасосной подачей топлива это требует изменения режимов
работы турбонасосного агрегата (ТНА). Для обеспечения требуемых значений расходов и напоров насосов ТНА необходимо располагать энергетическими характеристиками турбины, приводящей в действие эти агрегаты в широком диапазоне изменения режимных параметров.
Под энергетическими характеристиками турбины принято понимать зависимость работы, КПД, мощности или производных
величин от какого-либо независимого параметра, определяющего
режим работы.
В качестве независимого переменного обычно выбирают параметр, существенно изменяющий режим турбины, например, отношение окружной скорости к адиабатной скорости истечения газа
из сопла (u/cад), или параметр, на который воздействует регулирующий орган (перепад давления на турбине, частота вращения).
Особое место занимают исследования энергетических характеристик турбин на многофазном рабочем теле, когда в нем содержатся твердые частицы сажи или конденсированные капли влаги.
При разработке серии новых ЖРД с новыми ТНА на перспективных компонентах топлива с увеличением мощностей и частот
вращения для повышения достоверности результатов и снижения
финансовых затрат наряду с расчетными методами большое внимание уделяют модельным испытаниям ТНА. Моделирование
предполагает замену натурных условий исследования энергетических характеристик турбины на модельные, согласно положениям
теории подобия.
Модельные испытания турбин ТНА можно подразделить на
два основных вида:
– испытания моделей турбин (геометрически отличающихся от
натурных) на натурном рабочем теле;
– испытание натурных турбин на модельном рабочем теле.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Широкое распространение получили модельные испытания
турбин ТНА на модельном рабочем теле, в качестве которого используют подогретый воздух с температурой 300…500 К.
Характеристики турбины могут быть получены как теоретическим, так и опытным путем. Однако наиболее достоверными являются те определенные экспериментально на специальных установках, так как теоретический расчет характеристик связан с рядом допущений, снижающих точность искомых параметров. Наиболее трудна при теоретическом способе оценка потерь при переменных режимах.
Испытания натурных турбин на модельных газах – холодном
или подогретом воздухе, тяжелых газах (фреоне и других) дают
большую экономию, обеспечивают безопасность при работе на
стенде, сохраняют ресурс работы турбины.
Лабораторные работы посвящены изучению энергетических
характеристик осевой активной парциальной турбины с известными геометрическими параметрами, работающей на модельном однофазном рабочем теле (работа № 1) и на двухфазном рабочем
теле (работа № 2).
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНОЙ ТУРБИНЫ
НА ОДНОФАЗНОМ МОДЕЛЬНОМ РАБОЧЕМ ТЕЛЕ
Цель работы – исследовать энергетические характеристики
турбины, т. е. установить связь параметра, характеризующего выдаваемую на вал эффективную мощность, и независимого параметра, определяющего режим работы.
В качестве параметров оценки энергетических характеристик
турбины в лабораторной работе используют крутящий момент Мкр,
окружную работу Lu, КПД η, т. е. функционально связанные с
мощностью турбины и значением независимого параметра.
Независимым параметром служит отношение окружной скорости на среднем диаметре рабочего колеса Dср к адиабатической
скорости или скорости истечения газа из сопла турбины, т. е. u/cад
или u/c1.
Зависимость КПД от отношения u/c1 (или u/cад) дополнительно
дает возможность оценить потери в проточной части турбины и
выбрать оптимальные эксплуатационные диапазоны параметров.
1. Основные теоретические сведения
В активной сверхзвуковой турбине весь процесс расширения
газа осуществляется в сопловом аппарате, где и реализуется располагаемый адиабатический теплоперепад. Таким образом, преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую происходит только в сопловой решетке, а статические давления до и после
рабочего колеса равны: p1 = p2. При этом в процессе обтекания лопаток рабочего колеса потоком газа на рабочей решетке возникают подъемная сила и крутящий момент. Максимума подъемная
сила достигает, когда скорость газа относительно профиля лопатки максимальна. Если относительная скорость газа равна нулю,
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
т. е. абсолютная скорость газа равна переносной, то подъемная сила минимальна. Первый случай соответствует заторможенному
ротору (частота вращения ротора ω = 0), второй – максимальной
частоте вращения (ω = ωmax). На рис. 1.1 представлена качественная зависимость крутящего момента от частоты вращения. Как
видно из рисунка и исходя из известной зависимости полезной
мощности от частоты вращения и крутящего момента на валу турбины N пол  M кр , минимальной мощность будет на режиме Мкр =
= Мкр. max, что соответствует значению ω = ωmin (близкому к нулю),
и на режиме ω = ωmax, где Мкр = Мкр. min (близок к нулю). Очевидно,
что в промежутке между крайними значениями ω = 0 и ω = ωmax
полезная мощность должна достигать своего максимального значения. Таким образом, в указанном промежутке ωmin…ωmax следует
ожидать и максимального значения коэффициента использования
энергии рабочего тела, подводимого к турбине, называемого КПД.
В дальнейшем зависимость КПД от окружной скорости u1 ляжет в
основу критериальной зависимости ηт = f (u/cад).
Рис. 1.1. Зависимость крутящего момента Мu, окружной мощности Nu,
КПД турбины η от окружной скорости (частоты вращения)
Располагаемая удельная адиабатная работа Lад – это максимально возможная работа турбины без потерь, эквивалентная
адиабатическому перепаду (разности полных энтальпий потока) от
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
начальных параметров p0* , Т 0* газа в заторможенном состоянии до
статического давления p2:
k 1


 p2  k 
k
*
Lад 
RT0 1   *   ,
k 1
  p0  


где k и R – показатель адиабаты и газовая постоянная рабочего тела турбины.
Выходную удельную работу на валу турбины можно найти,
вычитая из располагаемой работы потери, состоящие из отдельных
составляющих:
Lт = Lад – L – L – Lc – Lтр.д –Lтр.б – L – Lут –Lмех,
где Lт – эффективная работа турбины (работа на валу); Lад – располагаемая работа газа; L – потери энергии в сопловом аппарате;
L – потери энергии в каналах рабочего колеса; Lc – потери энергии с выходной скоростью; Lтр.д – потери на трение диска; Lтр.б –
потери на трение бандажа, L – потери энергии из-за парциальности; Lут – потери из-за утечек в зазорах; Lмех – механические потери
в подшипниках и уплотнениях.
Из всех потерь энергии в турбине наибольшее значение имеют
потери в сопловом аппарате L, проточной части рабочего колеса
L и потери с выходной скоростью Lc.
Располагаемая работа на окружности колеса Lu находится вычитанием этих потерь из Lад :
Lu = Lад – (L + L + Lc).
Отношение окружной работы турбины Lu к адиабатической Lад
называется окружным КПД турбины, который характеризует использование располагаемой энергии газов на окружности колеса
u 
Lu
.
Lад
Окружной КПД в зависимости от u/c1 также можно подсчитать
по аналитическому уравнению (формуле Банки)
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
uБ  22
u
u 
cosβ 2 
,
 cos 1   1  
c1 
c1 
cosβ1 
где  и  – скоростные коэффициенты сопла и рабочей решетки,
определяемые экспериментально; 1, 1 и 2 – углы направления
скоростей потока на выходе из сопла и на входе в рабочее колесо
турбины и выходе из него.
Внутренний КПД i характеризует внутреннюю работу турбины, т. е. использование располагаемой энергии газов с учетом потерь на трения диска Lтр.д и бандажа Lтр.б о газ, на парциальность
L, и от утечки части газа через зазор между корпусом и бандажом
рабочего колеса Lут , может определяться следующим образом:
i 
Li
,
Lад
где Li = Lад – (Lтр.д – Lтр.б – L – Lут).
Эффективный КПД турбины
е 
Lт
Lад
характеризует ее в целом, т. е. показывает использование располагаемой энергии Lад с учетом всех потерь, включая механические.
Эффективная работа
Lт = Li – Lмех.
Обычно в ТНА механические потери относят к насосам, а для
турбины принимают Lмех = 0, тогда будет выполняться равенство
Lт = L i .
В результате испытания на стенде можно оценить эффективность турбины, определив потери на разных режимах в зависимости от отношения скоростей u/c1 (u – окружная скорость на среднем диаметре лопаточного венца турбины, c1 – скорость истечения
газа из сопла турбины).
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Лабораторная установка и рабочий участок
2.1. Состав лабораторной установки
Установка состоит из следующих основных систем и агрегатов:
1) генератора газа (ГГ);
2) системы подачи горючего в ГГ;
3) системы подачи окислителя в ГГ;
4) системы подачи воды в экспериментальный рабочий участок;
5) системы электропневматического управления агрегатами
стенда;
6) системы прерывания рабочего процесса в ГГ;
7) системы измерений;
8) рабочего участка.
В качестве механической нагрузки турбины используется гидротормоз.
Основные параметры испытуемой турбины приведены ниже.
Параметры соплового аппарата:
тип сопел ............................................................ сверхзвуковые с косым
срезом
число сопел n .................................................... 1
расчетная степень расширения π ..................... 10
угол установки сопел α1, град ......................... 20
скоростной коэффициент сопла
при работе на однофазном рабочем теле φ ... 0,92
степень парциальности ε .................................. 0,04
Параметры рабочего колеса:
средний диаметр Dср, мм ..................................
ширина рабочего колеса b, мм ........................
высота лопаток h, мм .......................................
угол лопатки на входе β1л, град .......................
угол лопатки на выходе β2л, град ....................
максимальная частота вращения ω, с–1............
угол атаки на расчетном Θ, град .....................
расчетный скоростной коэффициент
сопловой решетки ψр ......................................
125
12
14
27
27
1530
–4
0,823
Параметры модельного рабочего тела:
Однофазное – воздух с нормальной температурой (293 К) или
подогретый до Т = 400….500 К.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Двухфазное – воздух с параметрами однофазного рабочего тела
и впрыском воды с содержанием по массе от 1 до 15 %.
На рис. 1.2 представлена пневмогидравлическая схема (ПГС)
лабораторной установки для испытания турбины, а на рис. 1.3 показан общий вид экспериментального рабочего участка.
Рис. 1.2. Пневмогидравлическая схема лабораторной установки:
1 – баллоны со сжатым воздухом; 2, 6, 9, 18, 27, 40, 53 – манометры; 3, 5, 15, 12,
39, 42, 51 – вентили; 4, 11, 22, 23, 34, 35, 47 – вентили-дозаторы; 7, 17, 21, 45, 48 –
редукторы; 8, 44, 49 – обратные клапаны; 10 – бак с горючим; 13, 43, 50 – клапаны предохранительные; 14 – фильтр; 15, 20 – клапаны отсечные; 16, 19 – электропневмоклапаны (ЭПК); 24 – форсунка; 25 – газогенератор; 26 – электроискровая система воспламенения; 28, 29 – термопары; 30, 33 – дроссельные расходомеры; 31 – турбина; 32 – датчик оборотов; 36 – гидротормоз; 37 – силоизмеритель;
41 – водяной бак подачи воды в гидротормоз; 46 – газовод; 52 – водяной бак
подачи воды в рабочее тело турбины; 54, 55 – электроклапаны
2.2. Описание лабораторной установки
В качестве рабочего тела турбины используется холодный
или подогретый воздух, который подается в ГГ из баллонов высокого давления 1 через систему запорных вентилей, редуктор 5,
вентили 22 и 23, используемые при настройке режимов работы
ГГ (см. рис. 1.2).
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.3. Общий вид рабочего участка:
1 – ротор турбины; 2 – импеллерный гидрозатвор; 3, 5 – части корпуса турбины;
4 – подшипники турбины; 6, 7, 8 – части корпуса гидротормоза; 9 – диск гидротормоза; 10 – датчик оборотов; 11 – станина гидротормоза; 12 – подшипники
корпуса гидротормоза; 13 – штуцер для подсоединения магистрали подачи рабочей жидкости в гидротормоз
Воздух подается к газоводу 46 из ГГ через дозирующий вентиль 4. Смешиваясь с продуктами горения в газоводе, воздух поступает на турбину 31. Выхлоп из турбины происходит в окружающую среду. Воспламенение компонентов в ГГ осуществляется
авиационной искровой свечой 26. Спирт поступает в ГГ 25 из бака
10 через дозирующий вентиль 11, фильтр 14 и отсечный пневмоклапан 15, управляемый электропневмоклапаном (ЭПК) 16. Система подачи спирта – вытеснительная. Для быстрого прекращения
горения в ГГ в случае возникновения нештатной ситуации из водяного бака 41 к ГГ подведена отдельная магистраль к отсечному
клапану 20, управляемому ЭПК 19.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.3. Описание рабочего участка
Питание гидротормоза водой происходит из бака 41 через вентили
39 и 35.
Рабочий участок включает объект испытаний – турбину 31 – и
механическое нагрузочное устройство турбины в виде гидравлического тормоза 36. Рабочее колесо турбины 31 и дисковый ротор
гидротормоза установлены на одном валу и вращаются совместно.
Гидротормоз позволяет изменять потребляемую мощность в широком диапазоне в зависимости от частоты вращения вала. Гидротормоз – это агрегат, где потребляемая мощность сознательно превращается в потери, так как тепловая энергия, в которую преобразуется механическая энергия торможения, полезно не используется. Принцип действия гидротормоза заключается в торможении
вращающегося диска силами трения жидкости, находящейся в зазоре между диском и неподвижным корпусом. Глубина погружения (поверхность трения) диска определяется равновесием центробежных сил, стремящихся отбросить жидкость к периферии
гидротормоза, и сил давления подачи, выдавливающими жидкость
к центру. Изменяя уровень заполнения рабочей полости гидротормоза водой, тем самым меняя площадь контакта жидкости с диском и корпусом гидротормоза, можно в широком диапазоне регулировать нагрузку на турбину.
Для снятия характеристик одноступенчатой активной парциальной турбины с использованием дискового гидротормоза газ из ГГ
через сопловый аппарат, состоящий из одного сопла с косым срезом
(на рис. 1.3 не показан), поступает на рабочие лопатки турбины. Ротор турбины 1 опирается на шарикоподшипники 4, установленные в
частях 3 и 5 разборного корпуса. Подшипники турбины 4 для надежной работы требуют смазки и охлаждения, в двигательных установках обеспечиваемые жидкими компонентами топлива.
В данной установке для охлаждения подшипников организован проток воды в корпусе, подаваемой из автономной магистрали.
Для обеспечения стойкости подшипники и корпус турбины выполнены из нержавеющей стали. Газовую полость турбины и полость с опорами вала, заполненную водой, разделяет гидрозатвор
2, выполненный на основе импеллера (гидродинамического уплотнения). Принцип его работы основан на запирании жидкости, поступающей под давлением, в зазоре между корпусом и диском,
создающими противодавление. Диск гидротормоза 9 посредством
шпонки соединен с валом турбины. Корпус гидротормоза, образо12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ванный крышками 6, 8 и кольцом 7, установлен на шарикоподшипниках 12 и может свободно поворачиваться относительно корпуса турбины и станины 11. Это позволяет использовать корпус
гидротормоза как датчик крутящего момента. Крутящий момент,
развиваемый турбиной, передается через вал к диску гидротормоза, а от него через вязкую жидкость (воду), заполняющую внутреннюю полость, на корпус гидротормоза. Момент, воспринимаемый корпусом гидротормоза, отличается от крутящего момента
турбины только на значение момента трения в подшипниках гидротормоза (который пренебрежимо мал). Для предотвращения
вскипания жидкости (следовательно, резкого уменьшения трения и
тормозящего момента, что может привести к неконтролируемому
разгону турбины) в конструкции гидротормоза предусмотрено обновление жидкости в рабочей полости путем подачи воды через
штуцер 13 и слива ее через специальное отверстие.
Крутящий момент, передаваемый жидкостью на корпус гидротормоза через плечо L = 0,02 ...0,15 м (выставляется при тарировке,
чтобы не превысить усилие 50 Н), воспринимается датчиком усилия ВСА-5L и через электронное силоизмерительное устройство
типа С1-5010А с визуальным контролем в виде аналогового сигнала передается на оцифровку в плату ввода данных. Режимы и
управление работой стенда настраиваются с выносного пульта.
3. Методика проведения испытания
3.1. Основные измеряемые параметры
Характеристика газовой турбины определяется при постоянной
скорости истечения газа из сопла с1, обеспечиваемой постоянными
давлением и температурой газа на входе в турбину. Разные значения окружной скорости и на среднем диаметре лопаток турбины
получают при изменении числа оборотов вала регулированием нагрузки на валу с помощью гидротормоза.
Температуру и давление на входе в турбину задают по указанию преподавателя. Частота вращения вала турбины во время эксперимента устанавливается трех-четырех уровней в диапазоне
600…1500 рад/с посредством изменения расхода воды через гидротормоз с помощью вентиля 35 (см. рис. 1.2).
Все измерения проводят после выхода турбины на заданный
режим по команде «Замер» специальной измерительной системой
сбора и расшифровки экспериментальных данных.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При этом измеряют следующие величины:
1) полное давление на входе в турбину p1 , МПа;
2) статическое давление на выходе из турбины р2 (принимается
равным атмосферному давлению), МПа;
3) температуру на входе в турбину T0т, К;
4) перепад давления газа на шайбе рт, МПа;
5) частоту вращения ротора турбины ω, рад/с;
6) усилие на статоре гидротормоза Р, Н.
Результаты измерений вносят в таблицу.
3.2. Порядок проведения испытаний
1. После открытия вентилей 3 и 5 с помощью редуктора 7 проводится наддув бака горючего 10 до давления 1,6 МПа, которое
контролируется с помощью манометра 9 (см. рис. 1.2).
2. С помощью редуктора 45 проводится наддув водяного бака
41 до давления 6 МПа, контролируемого манометром 40.
3. Давление привода отсечных клапанов 15 и 20 для подачи горючего на форсунку 24 обеспечивается с помощью редуктора 17
посредством электропневмоклапанов 16 и 19 и контролируется
манометром 18. Редуктор 17 предварительно настроен на давление
за ним, равное 4,5 МПа.
4. С целью охлаждения подшипников турбины и гидротормоза
с помощью вентиля 47 предварительно подается вода из водопровода.
5. Для ограничения частоты вращения турбины при выходе на
режим полость гидротормоза 36 полностью заполняется водой
посредством полного открытия вентиля 35.
6. Для запуска газогенератора (при «горячих» испытаниях) открывают вентили 22 и 23, при этом редуктор 21 предварительно
настраивают на давление за ним, равное 0,5–0,8 МПа, а затем открывают отсечные клапаны 15, 20 и одновременно подают напряжение на электросвечу 26.
7. После запуска ГГ выход его на номинальный режим обеспечивается балластировкой продуктов сгорания воздухом с помощью подстройки вентиля 4 и редуктора 21. Номинальный режим
работы ГГ соответствует давлению перед турбиной p1 , равному
10 МПа, и температуре перед ней T0 т  500 К.
8. Изменение режимов работы турбины в дальнейшем обеспечивается за счет увеличения частоты ее вращения путем уменьшения расхода воды в гидротормоз с помощью регулируемого венти14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ля 35. Контроль частоты вращения осуществляется с помощью датчика оборотов 32, сигнал от которого поступает на электронный частотомер и отображается на его дисплее с размерностью – Гц.
ВНИМАНИЕ! Показания частотомера не должны превышать
400…450 Гц.
4. Методика регистрации результатов эксперимента на ЭВМ
4.1. Описание регистрирующих элементов системы измерения
Частота вращения ротора определяется индукционным датчиком оборотов 10 (рис. 1.2). Температура рабочего тела перед турбиной измеряется с помощью хромель-алюмелевой термопары.
Давление рабочего тела перед турбиной измеряется потенциометрическим датчиком давления типа ДТ или МД, а расход рабочего тела определяется по перепаду давления на дроссельной шайбе при помощи дифференциального датчика перепада давления
типа МДДФ-УК.
Крутящий момент, развиваемый турбиной, измеряется с помощью тензометрического датчика усилий типа ВСА-5L и электронного устройства С1-5010А.
Указанные первичные датчики преобразуют измеряемые физические параметры в электрические сигналы, поступающие затем
на регистрирующие приборы. Сигналы с первичных преобразователей направляются на пульт управления установкой и встроенную в ЭВМ плату ввода данных L-305 с визуализацией на экране
дисплея в темпе эксперимента.
Для обработки результатов эксперимента и расчета энергетических характеристик используется автоматизированный программный комплекс TurboLab, разработанный на кафедре «Ракетные двигатели».
4.2. Описание программного комплекса TurboLab
Программа TurboLab предназначена для регистрации параметров в процессе проведения лабораторных работ по исследованию
характеристик турбины и определению основных параметров.
Программа работает в операционной среде Windows и позволяет
записывать в оперативную память компьютера текущие измеряемые параметры, проводить расчет основных характеристик турби15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ны и по окончании испытания формировать файл отчета в формате
HTML, позволяет также в автоматизированном режиме проводить
градуировку датчиков.
В начале работы следует включить компьютер и запустить
TurboLab. При этом происходит загрузка драйверов и тестирование платы устройства сопряжения модели L-305. При нормальном
функционировании платы и драйверов появляется основное меню
(рис. 1.4).
Рис. 1.4. Меню выбора лабораторной работы
Программа позволяет проводить регистрацию и расчет характеристик активной турбины на однофазном и двухфазном рабочем
теле. Выбор лабораторной работы осуществляется из меню
(рис. 1.4) нажатием соответствующей экранной кнопки. После чего программа переходит в режим настройки параметров. В заголовке окна возникает вид лабораторной работы.
В программе предусмотрено несколько режимов работы:
1) настройка параметров;
2) отображение измеряемых величин;
3) калибровка датчиков;
4) замеры и создание отчета.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Переключение между режимами осуществляется нажатием соответствующих пунктов меню в верхней части окна программы.
Режим настройки параметров программы. После выбора лабораторной работы переходят в режим настройки нажатием кнопки главного меню «Настройки» (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Окно настройки параметров
«Каналы АЦП» – выбор канала АЦП для каждого регистрируемого параметра.
«Показывать напряжение» – показывать в режиме мониторинга
считываемые значения в вольтах вместо единиц физических величин.
«Канал опорного напряжения» – выбор канала АЦП опорного
напряжения, необходимого для более точной регистрации значений потенциометрических датчиков
«Параметры» – ввод параметров окружающей среды и геометрических параметров турбины.
Режим отображения измеряемых величин. Переход осуществляется нажатием кнопки главного меню «Показания», после чего
открывается окно, показанное на рис. 1.6.
В режиме «Показания» на экране дисплея отображаются текущие значения напряжений или физических величин, а также графики изменения этих величин во времени.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.6. Окно отображения параметров
Режим калибровки датчиков. Переход осуществляется нажатием кнопки главного меню «Калибровка», после чего открывается окно, показанное на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Меню режима калибровки датчиков
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В этом режиме возможна выборочная калибровка следующих
каналов: Давление на входе, Температура на входе, Перепад на
шайбе газа, Расход воды и Усилие на гидротормозе. Данные по
оборотам турбины считывают по цифровому каналу с частотомера, поэтому этот канал не калибруется.
В правой части окна для каждого датчика показаны коэффициенты аппроксимирующего полинома. Диалоговое окно калибровки
датчиков вызывается нажатием соответствующей экранной кнопки
«Калибровка канала…». Вид окна калибровки на примере датчика
давления показан на рис. 1.8
Рис. 1.8. Окно калибровки канала измерения
Для выхода из режима калибровки канала с сохранением результатов необходимо нажать экранную кнопку ОК. Для выхода из
режима без сохранения результатов необходимо нажать экранную
кнопку «Отмена».
Показанные в окне поля обеспечивают следующее.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
«Значение измеряемой величины» – в это поле вводится значение измеряемой физической величины, единица измерения которой назначается из выпадающего списка справа.
«Значение в вольтах» – в это поле вводится значение в вольтах,
соответствующее значению единицы физической величины.
«Считывать с датчика» – если это поле отмечено, то показания
датчика в вольтах будут автоматически считываться с датчика, в
противном случае его вводят вручную.
«Добавить» – добавляет содержимое полей «Значение измеряемой величины» и «Значение в вольтах» к списку.
«Удалить» – удаляет выбранные данные из списка.
«Удалить все» – очистка списка.
«Степень полинома» – выбор степени аппроксимирующего полинома. Возможно задавать полином 1–4-й степени.
«Рассчитать» – расчет по методу наименьших квадратов значений коэффициентов аппроксимирующего полинома на основе
сформированных данных.
«Уравнение» – после расчета коэффициентов в этой строке
отображается вид аппроксимирующего полинома (символ ^ означает степень, т. е. А*Х^2+B*X^1+C = A·X2+B·X+C).
«Коэффициенты» – после расчета коэффициентов в этом поле
отображаются коэффициенты аппроксимирующего полинома.
«Просмотр графика» – показ окна с графиком, построенным по
рассчитанным коэффициентам и исходными данными. По оси абсцисс откладывается напряжение в вольтах, а по оси ординат – единица измеряемой физической величины. Маркерами показаны введенные при калибровке данные. Вид окна с графиком показан на
рис. 1.9. Полученные аппроксимирующие зависимости используют в дальнейшем при представлении результатов регистрации параметров работы установки.
Режим замера и создания отчета. Переход осуществляется
нажатием кнопки главного меню «Замеры», после чего открывается окно, показанное на рис. 1.10.
Функционирование на данном режиме осуществляется с помощью следующих команд. В поле «Исходные параметры» отображаются исходные параметры, считываемые с датчиков, в поле
«Расчетные параметры» – некоторые из расчетных параметров.
При нажатии кнопки «Ручной ввод» происходит вызов диалогового окна для ручного ввода исходных параметров.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.9. Графическое представление калибровочной зависимости
Рис. 1.10. Замеры показаний датчиков
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При полной готовности к проведению работы, а также после
выхода установки на заданный режим необходимо нажать кнопку
«ЗАМЕР». После этого проводится запись текущих параметров и в
поле «Произведенные замеры» появляется строка с датой и временем замера.
По результатам регистрации можно выбрать следующие команды.
«Удалить» – удаление последнего замера.
«Очистить все» – удаление всех замеров.
«Создать отчет» – создание файла отчета с исходными и рассчитанными параметрами. В появившемся окне выбирается адрес,
и вводится имя файла отчета. После нажатия кнопки «Сохранить»
будет создан файл отчета.
4.3. Порядок работы с программным комплексом TurboLab
1. Запустить программу двойным щелчком мыши по ярлыку
TurboLab на рабочем столе.
2. В появившемся окне выбора лабораторной работы (см.
рис. 1.4) нажать соответствующую кнопку. Появится окно главного меню «настройки» (см. рис. 1.5).
3. При необходимости калибровки датчиков нажать на кнопку
«Калибровка» (см. рис. 1.5) для перехода в режим (см. рис. 1.7).
4. Для калибровки датчиков нажимается соответствующая
кнопка «Калибровка канала…» в окне (см. рис. 1.7).
5. При нажатии на кнопку «Калибровка канала…» появляется
вспомогательное окно (см. рис. 1.8). В поле «Значение измеряемой
величины» вводятся показания прибора измерения в единицах,
выбираемых из выпадающего списка. При наличии отметки «Считывать с датчика» поле «Значение в вольтах» заполняется автоматически. В противном случае необходим ручной ввод. После каждого ввода следует нажать кнопку «Добавить». В случае ошибки –
нажать кнопку «Удалить».
6. После ввода достаточного числа точек для калибровки выбирается степень аппроксимирующего полинома из выпадающего
списка «Степень полинома». Далее следует нажать кнопку «Рассчитать». После расчета заполняются поля «Уравнение» и «Коэффициенты».
7. Для просмотра графика аппроксимации необходимо нажать
на кнопку «Просмотр графика». В появившемся окне (см. рис. 1.9)
желтым цветом будет показан график полинома с заданной степенью и зелеными квадратами – введенными исходными точками.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При сильном расхождении закрывают окно с графиком, изменяют
степень полинома и вновь нажимают кнопку «Рассчитать».
8. По завершении калибровки нажимают кнопку ОК. Все рассчитанные коэффициенты будут автоматически сохранены на жесткий диск компьютера.
9. Для перехода в режим измерения нажать на кнопку «Замеры»
(см. рис. 1.5) главного меню. В появившемся окне (см. рис. 1.6) в реальном времени будут отображаться значения измеряемых параметров и основных расчетных. Для проведения замера с датчиков нажать
на кнопку «ЗАМЕР» (см. рис. 1.10), при этом в списке «Произведенные замеры» появится строчка с датой и временем замера. При необходимости ручного ввода измеряемых параметров нажать на кнопку
«Ручной ввод» и в появившемся окне установить значения параметров и указать единицы измерения в соответствующих выпадающих
списках.
10. Для создания отчета нажать на кнопку «Создать отчет». В
появившемся окне указать путь и имя файла отчета и нажать на
кнопку «Сохранить». Отчет сохраняется в формате HTML и включает измеренные показания датчиков и расчетные значения для
каждого замера.
ВНИМАНИЕ! Не переходить на другие окна до создания
отчета. Это повлечет потерю результатов замеров!
11. Для выхода из программы нажать на кнопку «Выход», а затем в появившемся окне – на кнопку «Выход из программы».
5. Методика обработки результатов эксперимента
После завершения эксперимента проводится вторичная обработка результатов с помощью микрокалькуляторов или пакета
символьных вычислений, например MathCad.
5.1. Расчет действительных характеристик турбины
Результаты эксперимента заносят в таблицу (представлена далее). Затем эти данные обрабатывают в указанном порядке.
1. Расход рабочего тела через турбину (кг/с)
m A
р0* рг
,
T0*
где А = 5,25 – постоянная величина; p0 ; pг – в МПа.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Располагаемая адиабатная работа газа (Дж/кг)
Lад
k 1


k


k
р
2
*
RT0 1   *   .

  р0  
k 1


Для воздуха показатель адиабаты равен k = 1,4; газовая постоянная R = 287 Дж/(кг  К).
3. Располагаемая мощность турбины (Вт)
N 0  mLад .
4. По замеренному усилию на статоре гидротормоза определяют крутящий момент, переданный на гидротормоз (Н  м),
M г.т  Pl ,
где l – плечо рычага, прикрепленного к статору гидротормоза,
может устанавливаться по заданию преподавателя в диапазоне
0,08 … 0,15 м.
5. Из баланса мощностей установки «турбина – гидротормоз»
находят мощность на валу турбины (Вт)
N т  M г.т .
6. Эффективный КПД турбины
N
е  т .
N0
7. Действительная скорость истечения газов из сопла турбины
(м/с)
с1   2 Lад ,
где  – скоростной коэффициент сопла (принимается постоянным
 = 0,92).
8. Окружная скорость на среднем диаметре лопаток (м/с)
U 
Dср
2

9. Значения u/c1 находят для каждого u. По экспериментальным
значениям строят график зависимости эффективного КПД е турбины от отношения u/c1.
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Данная методика обработки результатов заложена в программный комплекс TurboLab, осуществляющий сбор и обработку экспериментальной информации в ходе проведения работы.
5.2. Расчет теоретических характеристик турбины
на однофазном рабочем теле
После получения результатов с экспериментальной характеристикой турбины строят баланс мощностей (находят составляющие
потерь) и теоретическую характеристику турбины в том же диапазоне режимных параметров (значения , P0* , T0* берут из распечатки результатов экспериментальной характеристики). Поскольку
выхлоп турбины происходит в атмосферу, p2  0,1 МПа.
1. Определяют адиабатную работу газа (Дж/кг)
Lад
k 1


k


k
p
2
*

RT0 1   *   .
  p0  
k 1


2. Рассчитывают скорость истечения газа из сопла турбины
(в м/с). Для активной турбины
с1  сад   2 Lад ,
здесь скоростной коэффициент сопла для испытываемой турбины
 = 0,92.
3. Окружная скорость на среднем диаметре рабочего колеса
(м/с)
U 
Dср
2
,
где Dср = 0,125 м.
4. Находят отношение u/c1 для заданного значения угловой
скорости  (с–1) (берут из экспериментальных данных).
5. По треугольнику скоростей рассчитывают относительную
скорость на входе в каналы рабочего колеса (м/с)
W1  C12  U 2  2UC1cos1 ,
где угол установки сопла принимается 1  20.
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Относительная скорость на выходе из рабочего колеса для
активной турбины (м/с) определяют по формуле
W2 = W1,
где  – скоростной коэффициент рабочей решетки, рассчитываемый на тех же режимах, что и в эксперименте.
7. Коэффициент  вычисляют в зависимости от условий входа
потока в межлопаточные каналы рабочего колеса:
   р (1  sin 2 ),
где р = 0,823;  – угол между направлением относительной скорости W1 на данном режиме и направлением относительной скорости W1р на расчетном режиме (рис. 1.11),   1р  1. Здесь
1р  1л  iр (iр – угол атаки на расчетном режиме, ip = 4°).
ip
Рис. 1.11. Треугольники скоростей на входе в рабочее колесо
для расчетного и нерасчетного режимов
Геометрические углы лопатки на входе и выходе
1л  2л  27, тогда 1р  27 – (–4) = 31.
Угол входа потока β1 на лопатки рабочего колеса, определяют
из треугольника скоростей (см. рис. 1.11) для каждого экспериментального значения u/с1:
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1  arctg
sin 1
.
u
cos 1 
c1
Далее находят угол , затем коэффициент  и скорость W2.
Считается, что на выходе из колеса поток в относительном
движении принимает направление лопатки, т. е. 2 = 2л = 27.
8. Рассчитывают по теореме косинусов скорость потока на
входе в абсолютном движении (м/с)
c2  w22  u 2  2uw2 cos 2 .
9. Потери энергии в сопловом аппарате (Дж/кг)
L  (1  2 ) Lад .
Заметим, что Lφ = const, так как потери в сопловом аппарате не зависят от u/сад.
10. Потери энергии в каналах рабочего колеса турбины (Дж/кг)
w12
,
2
где  – значение скоростного коэффициента на рассчитанном режиме.
11. Потери энергии с выходной скоростью (Дж/кг)
L  (1   2 )
Lc  c22 / 2.
12. Располагаемая работа на венце турбины (Дж/кг)
Lu  Lад   L  L  Lc  .
13. Окружной КПД турбины
u  Lu / Lад .
14. Значение окружного КПД турбины также подсчитывают по
формуле Банки при (1л = 2л = 27о) и сравнивают с его значениями по п. 13.
u
u 
cos2 
u  22  cos 1  1  
.
c1 
c1 
cos1 
15. Результаты эксперимента сводят в таблицу.
27
966,4
кг/c
0,08
28
ω,
1/c
mг ,
30
Р,
Н
2,40
Мкр,
Н м
2,6
Nu,
кВт
С1,
м/c
U,
м/c
U
C1
Lад
Lад
303,5
60,4
0,095
Расчетные данные
638,8
0,33
0,18
L
L
Экспериментальные данные
Lад,
кДж/кг
0,29
Lc
Lад
Экспериментальные и расчетные данные при работе турбины
на однофазном рабочем теле
0,3
u т
0,31
u
0,11
e
Таблица
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Отчет по работе
На основании проведенных расчетов теоретической характеристики и машинной обработки экспериментальных данных строится
общий график зависимости относительных потерь от отношения
u/c1 (рис. 1.12). За 100  берут значение Lад, т. е. относительную
величину Lад /Lад = 1.
Рис. 1.12. Энергетический баланс работы активной газовой турбины
Зависимость uт  f (u / c1 ) получают путем последовательного
вычитания из единицы относительных потерь L / Lад, L / Lад,
Lc / Lад. Экспериментальные значения е = f (u /c1) наносят точками на
графики (см. рис. 1.12). Относительные потери (Lт.д + Lут+L) / Lад могут быть определены как разность между теоретической uт и экспериментальной зависимостью е = ƒ (u/c1), которая должна быть
нанесена на график баланса работы турбины.
После окончания лабораторной работы каждый студент представляет отчет, содержащий:
1) принципиальную схему рабочего участка;
2) основные теоретические положения, краткое описание цели
и содержания работы;
3) порядок расчета характеристик турбины;
4) последовательность обработки экспериментальных данных;
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5) таблицу замеренных и рассчитанных параметров, представленных в протоколе испытаний в виде таблицы;
6) энергетическую характеристику турбины, полученную теоретическим расчетом, с нанесенными экспериментальными точками и экспериментальной зависимостью u эксп = f (u/c1);
7) треугольники скоростей для заданного режима;
8) выводы.
7. Контрольные вопросы
1. Какие виды испытаний турбины могут проводиться при моделировании натурных условий?
2. Какие рабочие тела используют в процессе модельных испытаний турбины?
3. Каковы основные критерии подобия, используемые при
сравнении модельных и натурных испытаний турбины?
4. Какие вы знаете основные составляющие потерь адиабатной
работы турбины?
5. Каков окружный КПД турбины? Дайте определение.
6. Каков порядок операций при проведении испытаний?
7. Каким образом в ходе эксперимента изменяется частота
вращения ротора?
8. Как определяется экспериментальный расход рабочего тела
через турбину?
9. Какими параметрами газогенератора определяется температура рабочего тела?
10. Изменение каких показаний повлечет изменение плеча гидротормоза?
11. На что расходуется механическая энергия, подводимая турбиной к гидротормозу?
12. Какие параметры непосредственно измеряют в ходе испытания?
13. Как влияет отношение u/c1 на окружной КПД турбины?
14. Как влияют коэффициенты скорости  и  на КПД турбины?
15. Как влияют углы потока 1 и 2 на КПД турбины?
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Работа № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
АКТИВНОЙ ТУРБИНЫ НА ДВУХФАЗНОМ РАБОЧЕМ ТЕЛЕ
Целью работы является экспериментальное определение характеристики парциальной сверхзвуковой одноступенчатой активной турбины с одиночным соплом при разных концентрациях
жидких частиц в рабочем теле.
1. Теоретические сведения
В ЖРД продукты сгорания газогенераторного газа с избытком
горючего могут содержать конденсированные частицы в виде сажи и капельной влаги. В этом случае турбина будет работать на
двухфазном рабочем теле (газ и твердые или жидкие частицы). Как
показали исследования, двухфазные потоки обладают рядом специфических свойств, принципиально отличающихся от однофазных. Газодинамика многофазных сред отличается от механики
чистого газа присутствием в газовом потоке жидких или твердых
частиц разных размеров и формы, которые обмениваются с газом
кинетической и тепловой энергией и могут переходить из одного
агрегатного состояния в другое.
Течение двухфазного тела по проточной части обладает следующими особенностями:
1) аэродинамическое взаимодействие фаз обусловлено вязкостью и аналогично силам трения, поэтому процесс течения принципиально необратим;
2) процессы теплообмена между фазами протекают при конечной разности температур и остаются незавершенными;
3) при течении с ускорением существенно различаются скорости и температуры между фазами в потоке;
4) поток неоднороден, причем неоднородность может увеличиваться из-за перераспределения концентраций фаз по его поперечному сечению;
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5) жидкая фаза обладает способностью сепарироваться (высаждаться) на стенки канала, меняя геометрию проточной части.
Эти особенности являются причиной дополнительных потерь в
проточной части турбины, по сравнению с работой на однофазном
рабочем теле.
1. Потери в сопловом аппарате складываются из потерь на
трение газа о частицы, потерь при сепарации частиц на сопловые
лопатки, в результате которой полученная от газа кинетическая
энергия частиц почти полностью теряется при выпадении на неподвижную поверхность и потерь на трение газа о жидкую волнистую пленку, покрывающую сопловые лопатки.
2. Потери в осевом зазоре между сопловым аппаратом и рабочим венцом состоят из потерь на трение газа о частицы, потерь кинетической энергии при выпадении частиц на периферийную стенку
корпуса турбины, потерь на трение газа о волнистую пленку, образованную высаждением частиц, потерь на дробление пленки и капель, срывающихся с выходных кромок соплового аппарата.
3. Основную долю потерь в рабочем колесе (РК) составляют
потери на удар жидких частиц о входную кромку рабочих лопаток
в результате отставания частиц от газа и попадания на лопатки под
большими отрицательными углами атаки, а также потери на отбрасывание жидкой фазы к периферии. Эрозионный износ увеличивает профильные потери.
4. Потери в радиальном зазоре обусловлены течением отсепарированной лопатками жидкости на периферийную стенку и ударом
концов лопаток или бандажа о свободную поверхность пленки.
Перечисленные потери можно исключить путем сепарации
частиц – отделением их от рабочего тела. Однако полная очистка
газа, несущего разноразмерные частицы, невыгодна, поскольку
пришлось бы применять сложные сепараторы грубой и тонкой
очистки. Затраты энергии и габариты таких устройств не отвечают
требованиям к жидкостной ракетной двигательной установке.
В ряде случаев при высокой температуре и агрессивности рабочего тела необходимо уменьшить эрозионный износ рабочих
лопаток турбины взвешенными частицами. Это выдвигает определенные ограничения на содержание частиц в газе – не более 5 % по
массе.
Известно, что эрозионный износ зависит от размеров частиц.
Кроме того, размер частиц оказывает значительное влияние на потери в проточной части турбины. Исходя из этого генераторный
газ сепарируют с отделением наиболее крупных частиц, допуская
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
наличие в рабочем теле такого содержания взвешенных частиц по
размеру и концентрации, при котором потери преобразования
энергии в турбине энергии в процессе сепарации в сумме минимальны и позволяют достичь максимальных выходных параметров
двигательной установки в целом.
Одним из наиболее эффективных способов сепарации является
закрутка сепарируемого потока с помощью специального сепарирующего соплового аппарата (ССА), показанного на рис. 2.1.
Часть располагаемого теплоперепада турбины реализуется в ССА,
где поток вместе с частицами, подлежащими удалению, ускоряется и получает закрутку относительно корпуса, образующего осевой зазор между ССА и сопловым аппаратом (СА) турбины.
Lc min
Рис. 2.1. Течение двухфазной смеси в проточной части турбины
Благодаря закрутке в сепарирующем зазоре более плотная фаза
в поле центробежных сил выносится с меньших радиусов на
большие, осаждается на периферийную стенку и транспортируется
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
через отводящее устройство в полость выхлопа турбины. Выбор
длины сепарирующего зазора Lc проводится с учетом того, что сепарация частиц разного размера происходит неодинаково. Частицы попадают на периферийную сепарирующую поверхность
раньше или позже и в зависимости от размера теряют окружную
составляющую скорости за счет трения о поверхность, возвращаясь снова в поток и уменьшая эффективность сепарации. Минимальная длина Lc, показанная на рис. 2.1, определяется из условия,
что частицы, движущиеся у корня, выпадут на сепарирующую периферийную поверхность перед СА турбины.
Аналогичные явления происходят в осевом зазоре турбины, который выполняют увеличенным с целью использования закрутки
потока для дополнительной сепарации частиц на периферийную
стенку и транспортировки в полость выхлопа через радиальный зазор между венцом и корпусом. Следует отметить, что использование
высокоперепадного СА для полной сепарации невыгодно, поскольку
существует верхний порог скорости, при которой дальнейшее увеличение закрутки потока скажется на сепарации очень мелких частиц, не влияющих на работу ступени, а потери на разгон двухфазного потока значительно возрастут, поэтому основной процесс сепарации проводят с помощью низкоперепадного ССА.
2. Течение двухфазной смеси в СА
Вследствие существенного изменения значения и направления
скорости газовой фазы в СА частицы конденсированной (более
инерционной) фазы отстают от газовой. Крупные частицы мало отклоняются от первоначального направления и выпадают на вогнутой
поверхности сужающегося сопла или на поверхности дозвуковой
части сопла Лаваля за счет инерционной сепарации. Мелкие частицы
переносятся к стенкам и выпадают на элементах проточной части за
счет турбулентности потока. С уменьшением диаметра частиц инерционная сепарация ослабевает, частицы диаметром d < 1 мкм могут
выпадать на поверхность лопаток только под действием турбулентных пульсаций потока.
Взаимодействие выпадающих из потока жидких частиц со
стенкой в сильной степени зависит от размера частиц, а также от
того, является ли жидкость по отношению к поверхности смачивающей или нет.
Если жидкость не смачивает поверхность, то при ударе о стенку крупных капель происходит разбрызгивание и унос частиц по34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
током. Когда частицы прилипают к поверхности, скорость их резко уменьшается, они сливаются и образуют сплошную пленку с
волновой поверхностью. Средняя скорость течения даже маловязкой пленки не превышает 10 % скорости газового потока, поэтому
можно считать, что газ обтекает неподвижную и очень шероховатую поверхность.
В суживающихся СА прямоугольного сечения отсепарированная жидкость стекает с лопаток в закромочные следы, в осесимметричных СА с расширяющейся сверхзвуковой частью частицы
сепарируются в ядре потока. В зависимости от характера течения и
взаимодействия двухфазного потока со стенками сопла будет отличаться и картина взаимодействия потока с рабочими лопатками,
отделенными от среза сопла осевым зазором.
3. Течение двухфазной смеси в осевом зазоре
турбинной ступени
Схема течения двухфазной смеси в осевом зазоре представлена
на рис. 2.2.
При разрушении пленки, стекающей с сопловых лопаток, образующиеся капли ускоряются потоком. Чем больше осевой зазор,
тем большую скорость приобретают частицы и тем меньше их отставание от газового потока. Величина ск /сг (ск – скорость частиц)
характеризует его отставание и зависит как от размера зазора, так
и от диаметра частиц. Для определенного сопла, например для частиц диаметром d = (100; 250; 500) мкм, отношение скоростей
ск /сг = (0,55; 0,35; 0,15) соответственно.
Течение двухфазного потока с твердыми частицами отличается
тем, что частицы не выпадают на поверхности соплового аппарата,
а отскакивают в результате упругого удара, сохраняя скорость,
причем в области косого среза и осевого зазора скорость частиц
продолжает увеличиваться.
Частицы диаметром менее 5 мкм имеют скорость, близкую к
скорости газа, и при их взаимодействии с рабочими лопатками
эрозии почти не наблюдается. С ростом размера частиц увеличивается их отставание от газа. При большом осевом зазоре происходит сепарация частиц, сопровождающаяся потерями энергии
газа, состоящими из потерь на трение при движении газа относительно частиц и на трение о шероховатую волнистую пленку, покрывающую наружную стенку осевого зазора.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.2. Схема течения двухфазной смеси в осевом зазоре турбины
4. Течение двухфазной смеси в рабочем колесе
При малом осевом зазоре между сопловыми и рабочими лопатками изменением параметров течения смеси в зазоре можно пренебречь. В этом случае жидкая пленка, стекающая с малой скоростью с лопаток СА, попадает на рабочие лопатки под большим отрицательным углом атаки, ударяясь не о корытце, а о спинку, как
показано на рис. 2.2. Это приводит к торможению рабочего колеса
и появлению больших потерь на удар, а при длительной работе
вызывает эрозионный износ лопаток, который вызывает дальнейшее дополнительное снижение КПД турбины. При интенсивной
сепарации на сопловых лопатках и наличии крупных частиц в потоке, а также при малом осевом зазоре потери на удар будут преобладать над остальными видами потерь.
Оценим потери на удар в предположении, что скоростью пленки, стекающей с лопаток, можно пренебречь по сравнению с ок36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ружной скоростью лопаток колеса. Тогда относительная скорость
вторичных капель от дробления пленки будет равна окружной
скорости и направлена против вращения. Будем считать, что жидкие капли прилипают к поверхности лопаток колеса, т. е. удар абсолютно неупругий.
Сила сопротивления, приложенная к элементарной длине рабочих лопаток dr, из-за удара частиц будет
dP1  2k (mk /Fa )udr ,
где mk – масса частиц; Fа – площадь поперечного сечения проточной части; r – радиус рассматриваемого сечения; u – окружная
скорость.
Положим, что жидкость, выпавшая на рабочих лопатках, стекает по ним под действием центробежных сил в радиальном направлении. В этом случае появится дополнительная сила сопротивления, приложенная к лопаткам и направленная против вращения. Значение этой силы, действующей на радиус r и возникающей
при движении массы dm в радиальном направлении,
dP2 = dm2ωсr пл,
где dm= Fпл k dr; Fпл – суммарная площадь сечения пленки, текущей по всем лопаткам на радиусе r; k – плотность частицы; ω –
частота вращения вала турбины; сr пл – средняя скорость течения
пленки вдоль лопаток.
При полном выпадении жидкой фазы на сопловых лопатках и
небольшом осевом зазоре расход жидкости через кольцевое сечение по рабочим лопаткам на радиусе r будет
Fпл cr пл k  (mk / Fa )(r 2  rвт2 ),
где rвт – радиус втулки. Тогда
dP2  2( mk / Fa )(r 2  rвт2 )dr.
Суммарная элементарная сила сопротивления, действующая на
длине рабочих лопаток, и потери мощности от этой силы будут
определяться выражениями
dP = dP1 + dP2;
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
N уд   Udp  2
hл
mk 2
  (2r 2  rвт2 ) rdr.
Fa
hл
Произведя интегрирование и разделив полученную мощность
на адиабатическую работу газовой фазы, после преобразований
получим выражение для коэффициента потерь на удар и отбрасывание жидкой фазы рабочими лопатками в периферии:
2
2
g  U  
hл 
уд  2kc k 
 ,
  1 
g г  Cад   Dcp 
где kс – коэффициент сепарации на сопловых лопатках; qk – относительная массовая концентрация жидкой фазы; qг – относительная массовая концентрация газовой фазы; hл – высота рабочих лопаток.
Из формулы видно, что для одной и той же турбины потери на
удар в значительной степени зависят от отношения скоростей u/сад.
На рис. 2.3 представлены типичные экспериментальные зависимости эффективного КПД е низкоперепадной предкамерной
турбины от отношения скоростей u/сад.
Рис. 2.3. Зависимость эффективного КПД турбины, работающей на одно(gk = 0) и двухфазном (gk > 0) рабочем теле, от соотношения скоростей
u/cад
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2.4. Влияние концентрации жидкой фазы в рабочем теле на уменьшение эффективного КПД турбины при u/сад = const
При работе низкоперепадной турбины на двухфазном рабочем
теле с жидкими частицами происходит снижение ее КПД в зависимости от концентрации жидкой фазы gk (рис. 2.14). Высокоперепадные парциальные турбины исследованы мало в силу их ограниченного применения, а также из-за своей специфичности, однако актуальность исследования характеристик таких турбин в настоящее
время повышается.
5. Методика проведения эксперимента
5.1. Описание экспериментальной установки
Для исследования характеристики турбины на двухфазном рабочем теле используется установка, представленная на рис. 1.2.
Она отличается от схемы установки для испытания турбины на
однофазном рабочем теле наличием дополнительной емкости 52 с
водой и гидравлической магистралью для впрыска воды в рабочее
тело турбины. Газогенераторный газ или воздух проходят через
смесительное устройство 46, в которое через струйные форсунки в
определенном объеме подается вода. В коротком газоводе перед
входом в сопло турбины формируется двухфазный поток, далее
разгоняемый в СА и поступающий на рабочее колесо турбины.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.2. Основные измеряемые параметры
При проведении эксперимента в качестве измеряемых параметров используют те же, что и в работе № 1 (см. п. 3.1, с. 13), дополнительно измеряется расход воды, подаваемой в поток холодного или
подогретого воздуха для получения двухфазного рабочего тела.
5.3. Порядок проведения эксперимента
1. После предварительной подготовки стенда к контрольной
прокрутке турбины воздухом, проводится запуск газогенератора
25 и установка выводится на режим, назначенный преподавателем.
Число оборотов ротора турбины при этом выдерживается с помощью гидротормоза и составляет не более 6 000 об/мин.
2. После выхода установки на режим дозатором 34 в смеситель
46 подается вода в количестве, рассчитанном студентами предварительно для получения заданного значения gk = mв /(mг + mв). При
этом изменение давления на входе в турбину из-за впрыска воды
компенсируют изменением расхода воздуха редуктором 21 так,
чтобы в результате перестройки режима температура и давление
на входе в сопло остались постоянными.
3. После выхода турбины на стационарный режим по сигналу
«Замер» определяют следующие параметры:
– давление на входе в турбину р0* , МПа;
– температуру на входе Т 0 , К;
– давление на выходе из турбины p2, МПа;
– перепад давления на шайбе в газовой магистрали Δpг, МПа;
– перепад давления на шайбе в гидравлической водяной
магистрали Δрв, МПа;
– частоту вращения вала турбины ω, рад/с;
– усилие на статоре гидротормоза Р, Н.
При том же расходе воды в смеситель 46 с помощью вентиля
35 уменьшают расход воды в гидротормоз, что вызывает увеличение числа оборотов турбины, и снова проводят измерения при
ω = const.
Таким образом, обороты турбины изменяются 3–4 раза в пределах 600–1 500 рад/с. Затем повторяют испытания турбины на
двух других режимах расхода воды в смеситель 46, т. е. при других содержаниях жидкой фазы gk.
Результаты измерений записывают в таблицу, приведенную
ниже.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Методика обработки результатов опыта
Обработка результатов измерений проводится по зависимостям
для равновесного течения двухфазной смеси. Сложность процессов при течении двухфазной смеси по проточной части турбины
пока не позволяет учесть в общем виде теплообмен между фазами,
сепарацию на рабочих органах, поэтому течение смеси рассматривается при следующих допущениях:
а) течение стационарное и одномерное;
б) течение без теплообмена с окружающей средой;
в) массовые расходы постоянны, фазовые переходы отсутствуют, т. е. нет испарения капель из-за незначительного времени
пребывания в сопле и на решетке рабочих лопаток, низкого перепада температур между газом и жидкостью.
Результаты эксперимента обрабатываются в следующем порядке.
1. Определяется расход газа через турбину по формуле
m г  A
р0 рг
,
T0
где А = 5,25 – постоянная величина; m г – в кг/с;
р0 и Δрг –
в МПа; Т 0 – в К.
2. Расход воды на впрыск перед соплом турбины m в определяют по тарировочному графику m в = f (Δpв), который заносится в
ЭВМ в режиме калибровки.
3. Определяют суммарный массовый расход рабочего тела
m  m г  m в .
4. Располагаемую адиабатную работу турбины подсчитывают
по формуле
n 1


n


n
р
2
*
Lад 
RпрТ 0 1   *   ,
  р0  
(n  1)


где Rпр – газовая постоянная двухфазной смеси, Дж/(кг  К); n –
показатель адиабаты для двухфазного потока. Величины Rпр и n
определяют по следующим формулам:
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Rпp = Rгgг,
n
g г С р.г  g k Св
g г Сv.г  g k Св
gk
gг
,
g
 Св k
gг
С р.г  Св

Сv.г
m г
;
m г  m в
gk – относительная доля воды в рабочем теле, gk = 1 – gг; Cv.г – теплоемкость газа при постоянном объеме, Cv.г = 0,737, кДж/(кг  К);
Св – теплоемкость воды, Св = 4,187 , кДж/(кг · К); Cp.г – теплоемкость газа при постоянном давлении, Cp.г =1,03 кДж/(кг  К).
5. Располагаемая мощность турбины (Вт) N0 = m г Lад.
6. По замеренному усилию на статоре гидротормоза определяют крутящий момент (Н  м), переданный на гидротормоз, Mгт = Pl,
где l – плечо рычага, устанавливается по заданию преподавателя в
диапазоне 0,08…0,15 м.
7. По показаниям приборов определяют число оборотов ротора
турбины и затем вычисляют эффективную мощность турбины (Вт)
Nт = Mгт ω.
8. Адиабатная скорость (м/c) на выходе из сопла турбины
сад = (2Lад)1/2.
9. Окружная скорость на среднем диаметре лопаток турбины
u = ωD/2.
10. Определяют отношение скоростей u/cад.
11. Рассчитывают эффективный КПД турбины т  N т / N 0 .
12. Определяют снижение эффективного КПД турбины при
двухфазном рабочем теле по сравнению с однофазным
где gг – относительная доля газа в рабочем теле, g k 
 е.двухфазное 
е   1 
 100%.
 е.однофазное 


Данные проведенного расчета записываются в таблицу.
42
1
№
п/п
m в ,
кг/c
m г ,
кг/c
m ,
кг/c
gг
740,5 0,0621 0,0526 0,1147 0,5
ω,
1/c
Lад,
кДж/кг
cад,
м/с
N0,
кВт
0,5
661,37
2,672
Расчетные данные
212,56
Экспериментальные данные
gk
1,92
Mгт,
Н м
1,42
Nт,
кВт
46,28
u,
м/c
Экспериментальные и расчетные данные при работе турбины
на двухфазном рабочем теле
0,09
u/c1
e
43
0,083 24,55
e
Таблица
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Отчет по работе
После окончания работы каждый студент представляет отчет,
который должен содержать следующие разделы:
1) основные теоретические положения;
2) методика обработки экспериментальных данных;
3) таблица измеренных и рассчитанных параметров;
4) последовательность обработки экспериментальных данных;
5) таблицы замеренных и рассчитанных параметров (см. выше
таблицу);
6) зависимость Δηе = f (gk) при u/caд = const;
7) выводы.
8. Контрольные вопросы
1. Какие основные факторы влияют на КПД турбины, работающей на двухфазном рабочем теле?
2. Как оценить изменение термодинамических и газодинамических параметров рабочего тела при наличии в нем k-фазы?
3. Какими параметрами оценивают энергетические характеристики турбины при течении двухфазного потока в сопловой части,
в рабочем колесе?
4. В чем заключаются отличия поведения мелких и крупных
частиц при течении двухфазного рабочего тела?
5. В чем заключаются отличия взаимодействия со стенкой
твердых и жидких частиц?
6. В чем состоит сущность явления сепарации? Какие параметры влияют на эффективность сепарации?
7. Какие параметры влияют на эрозию лопаток турбины на
двухфазном рабочем теле?
8. Как влияет веерность лопаток турбины на значение потерь
на удар?
9. Какова последовательность выполнения лабораторной работы?
10. Каким образом можно изменить частоту вращения ротора?
11. Какие параметры непосредственно измеряют в ходе испытания?
12. Как определяется массовая доля газовой фазы в рабочем
теле?
13. Как влияет массовая доля конденсированной фазы в рабочем теле на КПД турбины?
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14. Как влияет отношение u/caд на КПД турбины на двухфазном рабочем теле?
15. Как изменятся треугольники скоростей потока на входе и
выходе из турбины при переходе с однофазного рабочего тела на
двухфазное?
16. Каким образом определяется газовая постоянная двухфазной смеси?
45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ РАБОТЕ НА СТЕНДЕ
1. Учебные мастера и студенты должны быть проинструктированы о работе установки и приборов, характере работ и своих обязанностях при испытаниях.
2. Категорически запрещается до ознакомления с установкой
трогать ручки и маховики редукторов и вентилей, нажимать на
кнопки на пульте управления!
3. Разрешение на запуск установки дает преподаватель или ответственный исполнитель.
4. Запуск газогенератора разрешается при наличии не менее
двух человек, проводящих испытания.
5. Категорически запрещается курить в помещении бокса!
6. Перед пуском установки необходимо иметь наготове противопожарные средства.
7. Не допускается хранение в боксе топлива в период огневых
испытаний.
8. Запрещается входить в огневой бокс в то время, когда магистрали стенда находятся под давлением (кроме водяной)!
9. Двери в огневой бокс при работе установки должны быть
закрыты.
10. Режимы испытаний задаются руководителем в протоколе
испытаний до начала пуска, механики не имеют права превышать
режимы.
11. Во время работы установки должна быть включена вентиляция.
12. В случае разрыва одного из трубопроводов следует немедленно сбросить давление и после этого выключить электропитание
стенда.
13. В случае прогара камеры газогенератора или газовода, поломки вала турбины (внезапный заброс и сброс числа оборотов по
частотомеру) немедленно выключить электропитание стенда, прекратить подачу горючего в жидкостный газогенератор и сбросить
давление во всех магистралях.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .............................................................................................
Работа № 1. Исследование энергетических характеристик
активной турбины на однофазном модельном рабочем теле ......
Работа № 2. Исследование характеристик активной турбины
на двухфазном рабочем теле ............................................................
Инструкция по технике безопасности .............................................
3
5
31
46
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Максимов Станислав Федорович
Ягодников Дмитрий Алексеевич
Андреев Евгений Александрович
Бобров Александр Николаевич
Крюков Павел Борисович
Изучение
энергетических характеристик
активной турбины
на однофазном
и двухфазном рабочем теле
Редактор В.М. Царев
Корректор М.А. Василевская
Компьютерная верстка О.В. Беляевой
Подписано в печать 06.04.2011. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 2,79. Тираж 100 экз. Изд. № 114. Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа