Экспериментальные турбины

В опытных установках сжатый воздух к моделям подается преимущественно от центробежного нагнетателя типа 360-22-1, в некоторых опытах с изолированными моделями – от центробежных вентиляторов типа ВВД-11. Производительность нагнетателя составляет 5,5 кг/с при создаваемом напоре 0,245 МПа. Шесть вентиляторов разделены на две параллельно включенные группы, каждая из которых состоит из трех одинаковых последовательно соединенных вентиляторов. В зависимости от задачи испытаний допускается включение одной или обеих групп вентиляторов. При параллельной работе двух групп вентиляторов обеспечивается расход воздуха порядка 6,5 кг/с при избыточном давлении перед моделью от 5 до 20 кПа. Сжатый воздух от нагнетателя и вентиляторов к объектам исследования подается через ресивер (коллекторный бак) достаточно большого объема (свыше 50 м³). Ресивер предназначен для выравнивания параметров потока воздуха и позволяет использовать одно и то же воздуходувное оборудование для аэродинамических исследований ряда экспериментальных объектов. При исследовании отсеков сжатый воздух к экспериментальным стендам подводится по соответствующим трубопроводам непосредственно от нагнетателя. В таких случаях трубопроводы выполняются с прямыми участками необходимой длины для установки расходомерных нормальных сопел, а также со спрямляющими и успокоительными решетками. Давление воздуха перед объектом исследований регулируется посредством задвижек с дистанционным приводом.

Компоновка экспериментальных стендов позволяет выполнять испытания как изолированных элементов проточной части, так и составленных из них отсеков. Подвод сжатого воздуха к моделям и отвод из них отработавшего воздуха в большинстве стендов осуществляется в осевом направлении (рис. 2 и 3). Один из стендов позволяет проводить опыты с подводом и отводом воздуха как вдоль оси вращения, так и в плоскости, перпендикулярной ей. Так, на этих стендах можно испытывать изолированные турбинные ступени и двухступенчатые отсеки с осевым подводом и отводом воздуха (рис.2 а, б, в, г, д, е), а также одноступенчатые отсеки (рис. 2 ж, з, и, к, л, м).

Рис.2. Схема опытных турбин:

а,б–изолированная ступень; в, г–двухступенчатые одновальные

отсеки без разделения и с разделением мощности по ступеням;

д,е–двухступенчатые отсеки с разрезным валом без отбора и

с отбором воздуха: 1–подводящий трубопровод; 2,4–ступени 1 и 2; 3,5–ходовые части турбин 1 и 2; 6–камера отбора; ж,з,и,к,л,м–одноступенчатые отсеки: патрубок-ступень; ступень-диффузор;

ступень-патрубок; ступень-диффузор-патрубок; турбина;

турбина-диффузор: 1–входной патрубок;

2–ступень; 3–ходовая часть; 4–диффузор; 5–выходной патрубок

Экспериментальные исследования одиночных турбинных ступеней, одно-и двухступенчатых отсеков проводятся, в основном, на двух экспериментальных турбинах (каждая с гидравлическим или индукторным тормозом) [1].

Рис. 3. Схема экспериментальной воздушной турбины БГТУ с разрезным валом для испытаний двухступенчатых отсеков (например, с отбором воздуха между ступенями); 1-ходовая часть первой турбины; 2 и 3-диафрагма и рабочее колесо модели предотборной ступени; 4-камера отбора; 5 и 6-диафрагма и рабочее колесо модели послеотборной ступени; 7-ходовая часть второй турбины; 8-выходной патрубок турбины; 9-расходомерное сопло; 10-шибер; 11-патрубок отбора

2.2.1. Турбина с гидравлическим тормозом

Вал 5 и его подшипники 6, качающийся корпус подшипников 7 и гидротормоза 8, а также некоторые другие узлы размещены внутри неподвижного корпуса-капсулы 9 (рис.4). Капсула закреплена во внешнем корпусе 10 посредством четырех профильных стоек 11. Внешний корпус турбины выполнен в виде цилиндра диаметром 700 мм без горизонтального разъема.

Рис.4. Экспериментальная воздушная турбина БГТУ капсульного типа с гидравлическим тормозом: 1–устройство для разделения измеряемого момента; 2,4–турбинные ступени 1 и 2; 3–камера отбора воздуха; 5–вал турбины и гидротормоза; 6–подшипник вала; 7–качающийся корпус;

8–гидротормоз; 9–неподвижный корпус-капсула турбины; 10–внешний корпус турбины; 11–профильная стойка; 12–подшипник корпуса 7;

13–диафрагма для определения осевого усилия; 14–изодром; 15–датчик измерителя частоты вращения ротора

Такая конструкция обеспечивает подвод или отвод воздуха в осевом направлении при достаточно высокой окружной равномерности потока. Это позволяет избежать побочных влияний отдельных частей стенда на характеристики опытного объекта и повышает качество опытов.

Корпус гидротормоза 8 и корпус подшипников ротора 7 составляет жесткую конструкцию, опирающуюся на подшипники качения 12. Поэтому полезный момент турбины определяется как сумма момента гидротормоза и момента трения в подшипниках ротора турбины. Это также повышает точность эксперимента и избавляет от необходимости проводить тарирование подшипников. Ротор турбины опирается на подшипники качения 6, что обеспечивает малые радиальные и осевые перемещения ротора, а также упрощает маслоснабжение установки. В силу этого, а также вследствие достаточно хорошей компенсации тепловых расширений турбины, осевые и радиальные зазоры в проточной части исследуемой модели выдерживаются с высокой точностью. Зазоры проточной части в процессе работы установки контролируются посредством оптических и механических устройств.

Вырабатываемая опытной турбиной и поглащаемая гидравли-

ческим тормозом мощность преобразуется в теплоту. Для обеспече­ния надежной и устойчивой работы гидротормоза эта теплота отводится посредством пропуска соответствующего коли­чества охлаж-

дающей воды через рабочие камеры гидротормоза. Необходимое для смазки и охлаждения подшипников масло подает­ся с помощью шесте-

ренчатого насоса с электрическим приводом, который устанавливается на крышке масляного бака.

Система трубопроводов водо- и маслоснабжения ходовой части турбины и гидротормоза, а также рычаги взвешивающего устройства размещены внутри полых профильных стоек 11. Вода и масло к соответствующим узлам установки подводятся под давлением, которое контролируется с помощью специальных регулирующих и защитных устройств. Турбина снабжена специальным электромехани-

ческим устройством для определения осевых усилий, действующих на ротор [1].

Блочная компоновка ходовой части турбины и гидротормоза позволяет достаточно просто получать различные конструктивные схемы опытного отсека (см., например, рис.2).

2.2.2. Турбина с индукторным тормозом

Индукторный тормоз для испытаний моделей турбинных ступеней был впервые в нашей стране применен именно в этой конструкции БГТУ. Он имеет две основные части: ротор 5 и качающийся статор 6 (рис.5).

Рис. 5. Экспериментальная воздушная турбина БГТУ капсульного типа с индукторным тормозом (штриховые линии – возможные варианты подвода и отвода воздуха): 1–воздухопровод; 2,4–входной и выходной патрубки; 3–турбинная ступень; 5–ротор индукторного тормоза; 6–качающийся корпус; 7–вал; 8–катушка возбуждения; 9–датчик измерителя частоты вращения

Ротор 5 выполнен в виде массивного стального барабана с продольными пазами на цилиндрической поверхности и закреплен на валу турбины 7. Это обеспечивает высокую критическую частоту вращения ротора установки и позволяет проводить испытания моделей турбин в широком диапазоне изменения частоты вращения, не опасаясь резонансных режимов.

Статор тормоза 6 представляет собой одновременно опору подшипников качения ротора турбины. Поэтому суммарный полезный момент определяется так же, как и в рассмотренной турбине с гидравлическим тормозом. Во внутренней части статора закреплены две катушки возбуждения 8. Через них пропускается постоянный электрический ток, в результате чего возбуждается магнитное поле. При вращении ротора в статоре появляются вихревые токи, которые обусловливают момент сопротивления тормоза. Изменение момента сопротивления тормоза и управление частотой вращения ротора турбины осуществляется посредством изменения величины напряжения и силы тока в катушках возбуждения по заранее заданной программе. В системе регулирования турбины предусмотрена защита по минимально допустимому току возбуждения и по предельно допустимой частоте вращения.

В отличие от гидротормоза в индукторном тормозе отсутствуют неуравновешенные осевые усилия, действующие на ротор. Это повышает точность определения характеристик турбины.

По сравнению с балансирными электрическими машинами, требующими громоздкого и сложного оборудования для поглощения мощности, вырабатываемой опытной турбиной, в индукторном тормозе эквивалентная указанной мощности теплота отводится охлаждающей водой. Предел нагрева тормоза ограничивается, в основном, допустимой температурой изоляции обмотки катушки возбуждения (не более 100°С). Подробное изложение принципа действия и метод расчета индукторного тормоза приведены в работе [3].

2.3. Модели лопаточных решеток

В осевой турбинной ступени неподвижная направляющая (сопловая) и вращающаяся рабочая лопаточные решетки являются кольцевыми. В каждой из них лопатки соответственно одинаковы, установлены под одним и тем же углом и расположены с одинаковым шагом, изменяющимся по высоте лопатки (рис.6а). Более просто экспериментально получить аэродинамические характеристики лопаточной решетки, исследуя плоскую решетку, имеющую одинаковые по длине профиль лопатки и шаг, плоские стенки,

Рис.6. Модели лопаточ- ных решеток: а-кольцевая; б- плоская (прямая)

ограничивающие межлопаточные каналы (рис.6б). Основные конструктивные (геометрические) параметры направляющих (сопловых) и рабочих лопаток и лопаточных решеток приведены в разделе «Основные обозначения и сокращения» и на рис. 7.

Принципиально сопловые и рабочие решетки не отличаются друг от друга, хотя во многих частных случаях между нами имеется большое различие. Поскольку в геометрически подобных каналах при одинаковых параметрах на входе и выходе характер потока сохраняется приблизительно одинаковым, независящим от абсолютных размеров решетки, величины, определяющие форму межлопаточного канала, целесообразно выражать в безразмерных относительных величинах. Они называются относительными параметрами: ; .

Рис. 7. Геометрические характеристики лопаточных решеток осевой турбинной ступени: а– направляющей (сопловой) ; б–рабочей

Для опытного определения распределения давления по контуру профиля лопатки одна из лопаток, расположенная в середине решетки, выполняется дренированной. В ней равномерно по всему контуру профиля, равноудаленного от концов лопатки, делаются небольшие отверстия (25…30 шт.), оси которых перпендикулярны к поверхности лопатки. К этим отверстиям со стороны тела лопатки присоединены микротрубки, которые через один из торцов лопатки выведены наружу и связаны резиновыми шлангами с батарейным манометром, показывающим распределение давления по профилю лопатки.