Файл: Соколов Ю.Н. Основы единой теории лопастных машин (насосов, вентиляторов, воздуходувок) [учеб. пособие для студентов втузов].pdf

§ III—7. Решетка профилей в неравномерном по шагу

потоке

Обтекание решеток профилей плоским потоком рас­ сматривается, как правило, в предположении, что поле скоростей перед решеткой равномерно. Между тем по­ ток жидкости или газа перед входом на лопаточный венец осевой машины нередко проходит предшествую­ щий ему лопаточный венец — лопаточный направляющий аппарат перед рабочим колесом или лопаточный венец рабочего колеса перед спрямляющим аппаратом. В та­ ких случаях, если осевое расстояние между двумя по­ следовательно проходимыми потоком лопаточными вен­ цами невелико, решетка профилей, соответствующая рассматриваемому сечению второго лопастного венца, обтекается неравномерным по ее шагу потоком. Естест­ венно, что условия обтекания каждого из профилей и решетки в целом будут в таком случае существенно от­ личаться от обычно исследуемых случаев при равномер­ ном поле скоростей.

Вопрос о неравномерности поля скоростей по шагу решетки профилей слабо освещен в современной литера­ туре. Некоторые сведения по этому вопросу можно най­ ти в работах по паровым и газовым турбинам, но в этих машинах " применяются, как уже отмечалось, решетки профилей конфузориого типа. Структура потока, проте­ кающего через диффузорные решетки профилей насосов и газовых машин, передающих энергию потоку, сущест­ венно отлична от таковой при конфузорном течении и, как правило, является более сложной.

В применении к осевым насосам исследование ша­ говой неравномерности проводилось в лаборатории гид­ ромашин ЛПИ. На основе этих исследований В. Г. Старицкий считает, что ошибка в измерении основных па­ раметров потока может достигать значительной величи­ ны, доходящей до 8% —по оценке расхода, измеряемого с помощью зондов на расстоянии от решетки в 14% длины хорды профиля. Шаговая неравномерность пара­ метров по его мнению уменьшается с увеличением расхода, не зависит от режима работы насоса по оборотам и растет с увеличением кривизны и относительной тол­ щины профиля и густоты решетки [341.

Исследование неравнол-іерности поля скоростей за диффузорной peujeTKoii профилей о воздушном потоке проводилось и автором этой книги в лаборатории возду­ ходувных машин Томского политехнического института, в применении к конкретным условиям работы пары встречно вращающихся осевых колес экспериментальной модели ВДВЭ [32].

На специальном стенде здесь продувались воздуш­ ным потоком лопаточные венцы осевых колес, сечение которых на среднем диаметре соответствовало диффузорным решеткам профилей определенных параметров. Первый лопаточный венец закреплялся на стенде не­ подвижно. С помощью специального направляющего ап­ парата он продувался практически равномерным пото­ ком, закрученным так, чтобы обтекание решетки про­ филей исследуемого лопаточного венца соответствовало условиям его работы на машине в относительном дви­ жении. Миниатюрный цилиндрический зонд (трехканальная пневматическая трубка) позволял измерять направление и величину местной скорости за неподвиж­

мые углом р между соответствующим вектором и фрон­ том решетки, в многочисленных опытах автора измеря­ лись в десяти положениях по каждому шагу t кольцевой

номерность поля скоростей для некоторого осредненного шага, в котором сглаживались случайные отклонения (обусловленные отступлениями в исполнении отдельных лопаток от их номинальной формы).

Модуль векторов w в соответствующих точках оце­ нивался по углу р* и расходной осевой скорости са, ко­ торая во всех опытах поддерживалась одинаковой. На рис. III—18 показаны результаты таких измерений по одному из опытов автора.

Чтобы проследить за взаимодействием получаемого за первым венцом неравномерного по шагу потока со вторым лопаточным венцом, на соответствующих осевых расстояниях а в шариковых подшипниках подвешивалось второе колесо, облопачениое с тем же шагом. Вся систе-

ма продувалась воздушным потоком при прежней осе­ вой скорости с а на сходственных режимах, а второе ко? лесо фиксировалось в различных азимутах, соответст­ вующих его смещению на каждую десятую долю шага. Воспринимаемый им момент взаимодействия с потоком измерялся непосредственным взвешиванием (уравнове­ шиванием гирями) с введением поправки на имеющийся статический дебаланс.

В результате организованных так серий опытов для различных осевых расстояний между решётками профи­ лей были получены сопоставимые измерения:

а) неравномерности поля скоростей по шагу исследуе­ мой второй решетки профилей;

б) неравномерности моментов, воспринимаемых лопа­ точным веицом второго колеса при различных его смеще­

где 6-—хорда профиля первой (неподвижной) решетки.

скоростей н малозаметна по их модулю; как та, так и другая по удалении от решетки быстро затухают.

2. Неравномерность поля скоростей по шагу перед решеткой профилей (второй) заметно отражается и на силовом взаимодействии потока с этой решеткой. Когда шаг неравномерности потока и шаг решетки по величине

Ю°

совпадают, окружные усилия, воспринимаемые профиля­ ми решетки в различных их положениях по шагу, изменя­ ются в соответствии с изменением направления скоро­ стей, но несколько более ощутимо, чем последние.

3. В исследованных работой автора случаях па отно­ сительных осевых расстояниях за первой решеткой про­ филей а > 4 неравномерность поля скоростей становится малоощутимой. В таких случаях можно .считать, что'

вторая решётка профилей обтекается практически рав­ номерным по шагу потоком.

Исследование условий обтекания решетки профилей неравномерным потоком составляет весьма сложную за­ дачу. Но для оценки сил, действующих на профили решетки при различных их положениях в неравномерном поле, автором разработан и применен упрощенный метод. Он базируется на осреднении модуля вектора скорости набегающего на решетку потока в пределах линий то­ ка, проходящих через крайние точки профиля, по урав­ нению

(III—29)

или приближенно ки к

площади на единицу поперечного размера), осреднение можно считать проводящимся по количеству движения.

Осредненное направление (угол рс р ), под которым обтекается профиль решетки при рассматриваемом его положении в неравномерном поле, оценивается при этом как угол между фронтом и тем вектором скоро­

том отклонения решеткой осредненного потока И С ПОД-

ного метода проводилась путем сопоставления подсчи­ танного по нему момента Mw, воспринимаемого вторым лопаточным венцом, с непосредственно замеренной ве­ личиной этого момента М в одинаковых условиях обте-

Мг расчет по теории потснц.

обте/еалир решетки

Мъ/ расчет по осреЯнемной

Скорости отм. offme/eOMt/P

ж

J I L

Рис. ТИ—21

кания неравномерным по шагу потоком. При этом учи­ тывалось распределение вдоль шага решетки непосред­ ственно измеренных направлений векторов скоростей я их модулей и проводились описанные осреднения.

Результаты такого сопоставления для случая, соот­ ветствующего относительному расстоянию между ре­

С целью той же проверки предлагаемого упрощенно­ го метода по нашему заданию Л. В. Комаровскнм был разработан и проведен расчет потенциального обтекания неравномерным по шагу потоком исследовавшейся (вто­ рой) решетки профилей. Этот расчет базировался на ме­ тоде наложения потенциальных течении. Так называе­

скоростей и с учетом параметров решетки профилей. Ре­

позволяет рекомендовать применение упрощенного мето­ да автора для случаев, когда неравномерность поля по шагу решетки известна и требуется определить измене­

Расчет рабочих колес лопастных машин так или ина­ че связан с оценкой их гидравлических потерь, посколь­ ку при этом необходим переход от заданной величины полезного повышения полного давления в потоке (дей­ ствительно передаваемой машиной энергии) к теорети­ ческой его величине, являющейся исходной при расчете. В простейших случаях эту оценку гидравлических по­ терь или величины гидравлического к.п.д. машины, их определяющего (§11—2), проводят на основе накоплен­ ных экспериментальных материалов. Но правильно оце­ нивать вероятную величину гидравлического к.п.д. про-