Экспериментальное исследование распределения давления

На профиле турбинной лопатки

Цель работы

Цель работы – изучение методики эксперимента и обработки опытных данных, экспериментальное определение и анализ распре-деления давления на профиле турбинной лопатки при нескольких значениях угла атаки i на входе в лопаточную решётку. Работа выполняется на статическом стенде. Продолжительность её – 2 часа.

Теоретические сведения

Распределение давления на профиле турбинной лопатки является одним из факторов, определяющих профильное сопротивление лопаточной решётки, обтекаемой реальным газом.

Профильные потери энергии возникают под влиянием сопротивлений трения и давления.

Сопротивление трения представляет собой результирующую касательных сил трения о поверхность лопатки и зависит от характера течения в пограничном слое.

Сопротивление давления – результирующая нормальных сил давления на поверхность лопатки и зависит от характера распределения давления на профиле. При хорошо обтекаемой форме профиля сопротивление давления обусловлено расширением трубок тока в пограничном слое вследствие положительного градиента давления (когда давление по потоку нарастает) и удаления их от поверхности лопатки. В результате распределение давления на профиле искажается по сравнению с потенциальным обтеканием (безвихревым обтеканием идеальной жидкостью).

При плохом обтекании профиля могут возникать вихри, вызывающие дополнительное сопротивление.

Для удобства сравнения разных профилей используется безраз-

мерный коэффициент давления:

,

где - давление в i – й точке на профиле;

и , - полное и статическое давления, скорость в бесконечно удалённой точке перед решёткой;

- массовая плотность газа.

Характер распределения давления на профиле зависит от ряда факторов. Например, влияние угла атаки и относительного шага решётки активного типа иллюстрирует опытные данные на рис.12 [5].

Рис. 12. Распределение давления на активном профиле турбинной лопатки при различных значениях угла атаки i и относительного шага по [5]: а,б и в – соответственно при =0,4; 0,58 и 0,69; s-расстояние вдоль контура профиля; к- форма канала

Во всех случаях при обтекании любого профиля в точке встречи с потоком коэффициент давления 1,0 (между точками 14 и 15 на рис.12а). С удалением от точки встречи по вогнутой и выпуклой частям профиля наблюдается резкое снижение давления и увеличение скорости. Это короткие участки профиля, которые заканчиваются на определённом расстоянии от точки встречи потока с профилем. В конце конфузорного участка давление достигает соответствующего минимума на выпуклой и вогнутой частях профиля (например, рис. 12б,в). Далее следуют диффузорные участки, на которых давление растет, а скорость снижается. В некоторых случаях возможно появление повторного конфузорного участка, переходящего вновь в диффузорный (например, между точками 22 и 26 на рис.12б,в). Как известно, течение в межлопаточном канале на диффузорных участках с положительным градиентом давления вниз по потоку сопровождается набуханием пограничного слоя и возможно отрывом его от поверхности лопатки, что, естественно, увеличивает сопротивление давления.

Наличие углов атаки несколько деформирует эпюру распределения давления на профиле. Положительные углы атаки приводят к смещению минимума коэффициента давления на выпуклой части к входной кромке и увеличению его абсолютной величины.

Иная картина обтекания профиля возникает при отрицательных углах атаки на выпуклой поверхности: разрежение уменьшается, а точка смещается вниз по течению. Вместе с этим на входной вогнутой части профиля отрицательные углы атаки могут вызвать резкое снижение давления с последующим резким его повышением (например, между точками 10 и 14 на рис. 12б), сопровождаемым увеличением сопротивления давления. На выпуклой части профиля около выходной кромки (в области косого среза) при всех углах атаки наблюдается резко выраженный диффузорный эффект (например, между точками31…37 на рис.12б,в).

В лопаточных решетках реактивного типа распределение давления на профиле более плавное, чем в решетках активного типа. При малых углах атаки не обнаруживается резко выраженных диффузорных участков, а на вогнутых участках давление постепенно понижается от входной до выходной кромок, т.е. диффузорные участки отсутствуют. Поэтому КПД реактивных решеток более высокий, чем активных.

Относительный шаг лопаток оказывает весьма существенное влияние на картину обтекания профиля в решетке, так как от его значения зависит форма межлопаточного канала. Так, на рис. 12 видно, что при почти весь канал имеет слабо конфузорную форму.

При увеличении шага до в начале канала получается небольшой диффузор, а остальная часть канала представляет собой явно выраженный конфузор.

При уменьшении шага до , наоборот, входная часть канала образует сильно сходящийся конфузор, а выходная-столь же сильно выраженный диффузор. Для такой формы канала, напоминающей трубку Вентури, в его средней части возникает пик разряжения (см. рис. 12а, зоны около точек 7 и 28)[5].