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 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.

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

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.