Модели турбинных ступеней

Конструкции моделей турбинных ступеней могут быть разнообразными в зависимости от условий испытаний. Существенное влияние на тип конструкции модели оказывает число М.

При испытаниях на малых скоростях (М=0,3…0,4) возможно применение сравнительно простых моделей. В качестве примера такой модели на рис.8 показана турбинная ступень лаборатории БГТУ. Эта модель состоит из направляющего аппарата (диафрагмы) и рабочего колеса, выполненных в определенном масштабе по отношению к натурной ступени.

Направляющий аппарат изготовляется из силуминовых лопаток 7, которые фиксируются при натурном угле установки и относительном шаге. Крепление лопаток к внешнему 5 и внутреннему 9 чугунным кольцам осуществляется посредством винтов 6. Такой способ закрепления лопаток при совпадении осей винтов 6 позволяет, если это необходимо, изменять угол установки лопаток без разборки диафрагмы. В выходном сечении диафрагмы используется устройство (рис.8 и 9) для измерения среднего давления по шагу направляющей решетки у корня и периферии при исследовании зависимости степени реактивности ступени от режима работы.

Рабочее колесо выполняется из стального диска 11 и силуминовых рабочих лопаток 1 (рис.8).

I zUvOT8nMS7dVCg1x07VQUiguScxLSczJz0u1VapMLVayt+PlAgAAAP//AwBQSwMEFAAGAAgAAAAh AB0m/WbDAAAA2wAAAA8AAABkcnMvZG93bnJldi54bWxEj81qwzAQhO+BvIPYQG+xnARa140S0kJo r04CuS7W1ja1Vo6kxj9PXxUKPQ4z8w2z3Q+mFXdyvrGsYJWkIIhLqxuuFFzOx2UGwgdkja1lUjCS h/1uPttirm3PBd1PoRIRwj5HBXUIXS6lL2sy6BPbEUfv0zqDIUpXSe2wj3DTynWaPkqDDceFGjt6 q6n8On0bBcXT8Xk6mN6512m8+Wy4NuPmXamHxXB4ARFoCP/hv/aHVrDewO+X+APk7gcAAP//AwBQ SwECLQAUAAYACAAAACEABKs5XgABAADmAQAAEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlw ZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQAIwxik1AAAAJMBAAALAAAAAAAAAAAAAAAAADEBAABfcmVs cy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQAzLwWeQQAAADkAAAASAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABkcnMv cGljdHVyZXhtbC54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAHSb9ZsMAAADbAAAADwAAAAAAAAAAAAAAAACf AgAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA9wAAAI8DAAAAAA== ">

Рис.9. Схема устройства для измерения среднего давления по шагу НА у корня и периферии

Наиболее простым методом крепления рабочих лопаток на диске при испытаниях на малых скоростях является Т-образное

Рис.8. Модель турбинной ступени для испытаний на малых скоростях: 1-РЛ; 2–нажбандажное уплотнение; 3–бандаж РЛ; 4–устройство для измерения статического давления; 5,9–наружное и внутреннее кольца НА; 6–винт; 7–НЛ; 8–входные обтекатели; 10–замок; 11–диск РК; 12–упругая втулка

крепление с применяемым на заводах соотношением размеров. Проектирование и изготовление моделей с силуминовыми лопатками, предназначенных для испытаний на повышенных скоростях, сопряжены с определенными трудностями. Наиболее сложным является выполнение надежного крепления РЛ на диске РК. В РЛ с Т -образным креплением, имеющим часто встречающиеся соотношения размеров (см. рис.8), возникают высокие напряжения, равные и даже превышающие допускаемые для силумина. Стремление получить равнопрочным соединение силуминовых рабочих лопаток со стальным диском приводит к чрезмерно большой ширине диска, которая создает неконструктивные формы последнего. В результате опытов в лаборатории разработано вильчатое крепление рабочей лопатки, примерные размеры которого в долях от ширины полотна диска показаны на рис. 10.

Рабочие лопатки 4 соединя- ются с диском 2 посредством ста льных заклепок 3. В отличие от заводской практики оси заклепок в модели рабочего колеса совпа- дают с плоскостью симметрии хвостового соединения. Такое расположение заклепок вызвано стремлением сократить стоимость изготовления моделей при индивидуальном производстве. Из-за больших напряжений в диске 2 крутящий момент передается от рабочего колеса к валу специальной радиальной шпонкой 1. Эта шпонка также центрует рабочее колесо относи-тельно вала при значительных деформациях диска в рабочих условиях. Повышенные перепады давления на ступень требуют более надежного крепления направляющих лопаток в диафрагме по сравнению с

Рис. 10. Модель турбинной ступени для испытаний на повышенных скоростях: 1–радиальная шпонка; 2–диск РК; 3–заклепка; 4–РЛ; 5–кольцо; 6,10–наружное и внутреннее кольца НА; 7,11–нажимные кольца; 8–входные обтекатели; 9–НЛ; 12–специальный винт

креплением, изображенным на рис. 8. В лаборатории БГТУ широко применяется конструкция диафрагмы, показанная на рис. 10. Направляющая лопатка отливается совместно с хвостовыми креплениями и промежуточными телами. Лопатки 9 плотно устанавливаются в кольцах 6 и 10 и закрепляются нажимными кольцами 7 и 11. Это обеспечивает достаточную жесткость диафрагмы и высокую точность установки направляющих лопаток. Для обеспечения заданных осевых зазоров, которые в процессе испытаний могут изменяться за счет деформации направляющего аппарата, в диафрагме предварительно создается начальный натяг с помощью специального натяжного винта 12.

Как показали опыты, при входе потока в каналы диафрагмы во входных сечениях направляющего аппарата образуются срывные зоны как у корня, так и у периферии. Это обусловливает значительную неравномерность потока перед ступенью и снижает точность эксперимента. Для выравнивания потока к диафрагме прикрепляются профильные входные кольца 8 (см. рис.8 и 10).

Приборы

В процессе выполнения лабораторных работ применяются в основном стандартные приборы, а также некоторые специальные приборы.

Приборы стандартные. В качестве датчиков при измерении давления применяются трубки полного и статического давления, при определении направления потока – аэродинамические угломеры (рис.11). Они выполнены согласно соответствующим рекомендациям [6,7]. Для упрощения эксперимента в отдельных случаях используются также гребенки полного и статического давления, изготовленные по [6]. Аэродинамические приборы укрепляются в универсальные координатники, конструкция которых обеспечивает возможность определять локальные направления потока с точностью до 0,5º и перемещать прибор вдоль его оси с точностью до 0,5 мм. Для определения давления служат преимущественно жидкостные чашечные и батарейные манометры (при давлении ниже 50 Па используются наклонные манометры). Цена деления шкалы жидкостных манометров 1мм. Приборы для измерения параметров потока. Для полной характеристики осредненного турбулентного потока в данной точке контрольного сечения турбомашины с цилиндрической системой координат достаточно знать абсолютную температуру торможения Т*, абсолютное статическое р и полное р* давления, направление потока, определяемое углами и . В общем случае в проточной части турбомашины наблюдается значительная окружная и радиальная неравномерность перечисленных параметров. В практике аэродинамического эксперимента часто приходится делать допущения о постоянстве некоторых параметров в контрольном сечении. Так, часто делаются допущения о постоянстве температуры торможения Т* и равенстве нулю угла направления движения потока вдоль радиуса за решеткой лопаток. Возникающие при этом погрешности в оценке характеристик турбинных ступеней и структуры потока бывают невелики, а сокращение объема измерений – значительно. Однако течение рабочего тела в проточной части иногда обладает настолько большой нецилиндричностью (ступени со значительным раскрытием меридионального обвода; ступени с относительно длинными лопатками на переменных режимах; входные и выходные патрубки; камеры отбора; переходные патрубки и т.п.), что предположение о равенстве =0º становится недопустимым. Тогда при траверсировании потока необходимо измерять угол .

Рис.11. Насадки для измерения параметров потока: а-пятиканальный насадок:1,2,3,4,5-номера приемных отверстий; б- трубка статического давления

Пятиканальный насадок БГТУ образован пятью спаянными вместе медицинскими инъекционными иглами диаметром 0,8 мм. Наружные трубки по торцам скошены в соответствующих плоскостях, центральная – имеет прямой срез (рис. 11а). Перед установкой на исследуемый объект осу­ществля­ется тарирование каждого пневмо­насадка. Тарировочный стенд – сопло по лемнискате, через которое воздух из атмосферы поступает во всасывающую линию воздуходувки. Это обеспечивает равномерное поле параметров потока на срезе сопла и эталонное значение давления торможения, равное атмос­фер­ному. Приведенная без­размерная скорость потока в контрольном сечении =0,3-0,6.

Практическое исполь­зование пятиканального насад­ка БГТУ свидетельствует о вполне приемлемых его аэродинамических характеристиках и высоких качествах надежности при сравнительной простоте конструкции и технологии изготовления.

Трубка статического давления усовершенствованного типа (рис.11б). В ней два приемных отверстия выполняются предпочтительно со стороны натекания под углом =30º и 330º к продольной плоскости симметрии прибора (в широко применяемой трубке статического давления =0º и 180º) [6,7]. Основанием для модернизации трубки послужил тот факт, что распределение давления на поверхности круглого цилиндра изменяется в зависимости от угла натекания потока . Характерной является зона, расположенная вблизи от точки =30º. Здесь давление практически не зависит от угла и остается близким к статическому давлению набегающего потока. Логично использовать обнаруженное свойство распределения на поверхности круглого цилиндра для измерителей статического давления, располагая приемное отверстие в указанной зоне. Результаты наблюдений показывают, что предлагаемая трубка имеет более широкую область нечувствительности к углу натекания (0º º), чем известная [7,8]. Её применение позволяет повысить точность и достоверность результатов экспериментальных исследований пространственного потока в элементах проточной части тепловых турбин.

3. Вопросы техники безопасности

Настоящий лабораторный практикум выполняется на экспериментальных статическом и динамическом стендах, в которых совершаются процессы преобразования одного вида энергии в другой. Эти процессы протекают в воздушном потоке, движущемся с большими скоростями в неподвижной направляющей (сопловой) проточной решетке и в рабочем колесе, вращающемся со значительной окружной скоростью.

Первоисточниками энергии воздушного потока являются вентиляторы (нагнетатель), приводом которых служат электродвигатели, питающиеся электрическим током высокого напряжения.

В процессе опытов экспериментальное оборудование излучает шум высокого уровня звукового давления.

Таким образом, при выполнении лабораторных работ на указанном экспериментальном оборудовании создаются весьма специфические условия, требующие от участников эксперимента максимум внимания и осторожность. Для обеспечения безопасной работы рекомендуется соблюдение следующих основных условий:

а) перед выполнением лабораторной работы каждый студент обязан прослушать инструктаж по технике безопасности и расписаться в кафедральном журнале о полученном инструктаже;

б) неукоснительно выполнять все команды и указания руководителя работы;

в) исключать присутствие посторонних лиц, не принимающих участие в эксперименте, вблизи от опытной установки;

г) исключать перемещения участников опыта, не предусмотренных программой испытаний;

д) не находиться в плоскости вращения РК;

е) не приближаться к вращающемуся РК;

ж) не находиться в зоне воздушного потока, вытекающего из модели;

з) проявлять осторожность при операциях со стеклянными трубками манометров в процессе соединения их с резиновыми трубками.

и) в случае превышения числа оборотов ротора турбины свыше n_max=5000 об/мин быстро закрыть стопорную задвижку перед расходомерным соплом путем освобождения троса её привода и одновременно выключить вентиляторы в обратной последовательнос-

ти по сравнению с пуском турбины (№3, №2 и №1).

4. Лабораторная работа №1