Экспериментальное определение

Профильных потерь энергии в плоской (прямой) решетке турбинных лопаток

Цель работы

Цель работы – изучение методики проведения опыта и обработки опытных данных, экспериментальное определение профильных потерь энергии в прямой решетке турбинных лопаток при нескольких значениях угла атаки i на входе в решетку.

Работа выполняется на статическом стенде. Продолжительность её – 3 часа.

Теоретические сведения

Профильные потери энергии в лопаточной решетке представляют собой затраты части кинетической энергии потока на преодоление сопротивлений, возникающих в плоскопараллельном потоке вязкой жидкости при обтекании лопаток. Они являются лишь частью полных потерь энергии в решетке, в которые включаются, кроме профильных, и дополнительные потери на концах лопаток, где поток имеет пространственную структуру (концевые вихри).

Основными составляющими профильных потерь энергии являются [10]:

- потери на трение в пограничном слое и вихревые потери, возникающие при отрыве потока от поверхности лопатки (рис.14);

- кромочные (вихревые) потери в следе за выходной промкой лопатки (рис.14);

- волновые потери при обтекании лопаток сверхзвуковым потоком (в дозвуковом потоке эта составляющая, естественно, отсутствует).

В некоторых случаях, например при выполнении настоящей лабораторной работы, экспериментальным путем определяются профильные потери энергии в целом (без разделения на составляющие).

Профильные потери энергии зависят от ряда конструктивных

и режимных параметров.

К конструктивным (геометрическим) параметрам решетки относятся: - форма профиля лопатки: изогнутость (угол поворота потока), тип входной кромки (острая или закругленная), толщина выходной кромки; - угол установки профиля в решетке; - относительный шаг решетки; - конфузорность и диффузорность межлопаточного канала; - шероховатость поверхностей лопаток. Режимными параметрами являются: - режим течения рабочего тела в решетке, т.е. числа Rе и M; - угол натекания потока на лопатку (угол атаки) i= ; - степень турбулентности потока; - степень неравномерности полей скорости, давлений, углов (рис.15). По определению профильные потери энергии в прямой направляющей (сопловой) решетке лопаток . Теоретическая абсолютная скорость истечения из НА с1t в i-й точке в сечении 1 определяется из уравнения энергии (рис. 16) . Действительная абсолютная скорость истечения из НА изменяется по шагу из-за потерь энергии в соответствии с изме- нением давления . В i-й точке потока за решеткой скорость . Отношение скоростей в i-й точке в сечении 1 называется коэффи- центом скорости.	Рис. 14. Схема образования пограничного слоя на лопатке и кромочного следа за сопловой решеткой: а,б – при обтекании без отрыва и с отрывом потока от лопатки     Рис. 15. Распределение относительной скорости с1/с1макс, относительного статического давления и углы выхода потока за решеткой по шагу t на разных расстояниях от решетки Z: сплошные линии при Z=0,1t; пунктирные – при Z=1,8t
При определении профильных потерь энергии обычно используется средняя по шагу скорость в среднем по высоте сечении достаточно длинной лопатки : .	Рис.16. Тепловой процесс расширения газа в сопловой решетке i,s -диаграмме

Отношение называется коэффициентом скорости НА.

Тогда профильные потери энергии в НА

,

где – коэффициент профильных потерь НА.

Таким образом, для определения коэффициентов φ и не-

обходимо опытным путём получить распределение скоростей и по шагу решетки.

В ряде случаев для повышения достоверности опытных данных в качестве параметра потока также применяются: критическая скорость

и скоростные коэффициенты

.

При этом среднее по шагу полное давление перед и за решеткой лопаток

.

5.3. Методика проведения эксперимента

И обработки опытных данных

Лабораторная работа №2 выполняется на том же статическом стенде (см. рис.1) и на той же модели плоской решетки лопаток, что и лабораторная работа №1 по схеме измерений, представленной на рис.13.

Для сокращения времени на подготовительные работы рекомендуется выполнять её сразу после проведения лабораторной работы №1.

Порядок выполнения лабораторной работы №2 следующий:

1. Установить решетку лопаток под заданным углом атаки i поворотом стола 9 (рис.1).

2. Собрать (проверить) схему измерений при испытаниях на статическом стенде (рис.13).

3. Записать в табл.3 начальные (нулевые) показания манометров (п.2-4) и барометрическое давление В мм Н₂О (п.6). Эти операции могут быть выполнены перед началом проведения лабораторной работы №1.

4. Установить приемную часть зонда 6 (см. рис.13) в сечении 1 за решеткой на заданном руководителем работы расстоянии Z, мм, от плоскости выходных кромок на середине высоты лопаток. В положении оси приемной части аэродинамического прибора параллельно оси координат и записать в табл.3, п.5 начальное (нулевое) показание угломера по шкале координатника.

5. Проверить закрытие воздушной задвижки 11 (см. рис.1).

6. Включить электродвигатель 1 – привод вентилятора 2 (см. рис.1).

7. Через 2…3 мин открыть воздушную задвижку11 (см. рис.1) и оставить вентилятор 2 работающим в течение 3…5 мин для стабили-

зации параметров потока. Если лабораторная работа №2 выполняется сразу после лабораторной работы №1,то параметры потока являются установившимися и можно переходить к эксперименту.

8. В процессе опыта измеряются параметры потока и в n-числе точек по оси координат и за средней лопаткой в решетке на протяжении не менее 1,5t₁.

Расстояние между точками замера в сечении 1 по оси и рекомен-

дуется равным =10мм в ядре потока и =2,5 мм в кромочном

следе. Результаты измерений записать в табл. 3 (п.7-11).

9. По окончании опыта закрыть воздушную задвижку 11 (см. рис.1).

10. По указанию руководителя испытаний установить решетку лопаток последовательно под другими углами атаки i поворотом стола 9 (см. рис.1) на соответствующий угол.

Таблица 3

Результаты измерений и обработки опытных данных

№ п/п	Наименование физической величины и формула для её определения	Обозначе-ние едини- ницы фи-зической величины	№ точки замера
				n-1	n
	Координаты точки замера по оси u	мм
	Начальные (нулевые) показания приборов до опытов (рис.13)	Полное давление перед решеткой (поз. 9)	мм
	Статическое давление перед решеткой (поз. 7)	мм
	Полное давление за решеткой (поз. 11)	мм
	Угол выхода потока из решетки по шкале координатника (поз.6)	град.
	Показания приборов в процессе опыта (рис.13)	Барометрическое давление В (давление за решеткой ) или по данным метеослужбы	мм
	Полная температура перед решеткой ( ) (поз.2)	°С(К)
	Угол выхода лопаток из решетки (поз. 6)	град.
	Полное давление перед решеткой (поз. 9)	мм
	Статическое давление перед решеткой (поз.7)	мм
	Полное давление за решеткой (поз.11)	мм
	Угол выхода потока из решетки	град
	Абсолютное полное давление перед решеткой	Па
	Абсолютное полное давление за решеткой	Па

Окончание табл.3

№ п/п	Наименование физической величины и формула для её определения	Обозначе-ние едини- ницы фи-зической величины	№ точки замера
				n-1	n
	Координаты точки замера по оси u	мм
	Динамический напор перед решеткой	Па
	Плотность воздуха перед решеткой	кг/м3
	Скорость потока перед решеткой	м/с
	Теоретическая абсолютная скорость выхода потока из решетки , принимается: р1=В; для воздуха: к=1,4;m=0,286; R= 287 Дж/кг·К	м/с
	Действительная абсолютная скорость выхода потока из решетки	м/с
	Коэффициент скорости НА	–
	Коэффициент профильных потерь НА	–
	Критическая скорость потока	–
	Скоростной коэффициент	–
	Скоростной коэффициент	–
	Коэффициент скорости НА	-
	Проекция скорости с1 на ось и:	м/с
	Проекция скорости с1 на ось z:	м/с
	Абсолютная температура за решеткой принимается р1=В	К
	Кинематический коэффициент вязкости	м2/с
	Число Рейнольдса	–

11. Для каждого из углов атаки i провести операции по п.7-9.

12. Выключить электродвигатель 1 (см. рис.1) и через 2…3 мин проверить начальные (нулевые) показания приборов (табл.3, п.2-5).

В случае отклонений от первоначальных показаний опыт повторить.

13. Для каждой точки замера обработать опытные данные по методике, представленной в виде табл.3 (п.12-30).

14. По результатам обработки опытных данных для каждого из исследованных углов атаки i построить распределение параметров потока в сечении 1 вдоль оси и : .

15 По графикам определить средние по шагу:

16. Проанализировать результаты экспериментального опреде-

ления профильных потерь энергии в плоской решетке НЛ и сделать выводы.

Требования к отчету

О лабораторной работе №2

Отчет о выполненной лабораторной работе № 2 представляется вместе с отчетом о лабораторной работе №1 и в нем не требуется повторение описания статического стенда, модели лопаточной решет-

ки и схемы измерений. Данный отчет должен содержать следующее:

1. Теоретическое введение.

2. Для каждого из исследованных углов атаки i :

– таблицу результатов измерений и обработки опытных данных;

– графики распределения параметров потока в сечениях 0 и 1 вдоль оси и согласно п.14 (подраздел 5.3 настоящих методических указаний);

– результаты определения параметров по п.15;

– тепловой процесс в НА в i,s–диаграмме.

3. Анализ результатов опыта и выводы.

4. Список литературы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3