facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

ФРОНТАЛЬНАЯ ТУРБУЛИЗАЦИЯ ПОТОКА В КАНАЛАХ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН

ФРОНТАЛЬНАЯ ТУРБУЛИЗАЦИЯ ПОТОКА В КАНАЛАХ ЛОПАТОЧНЫХ МАШИН
Александр Бобков, профессор, доктор технических наук, доцент

Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, Россия

Участник конференции

В статье обращается внимание на необходимость использования в лопаточных машинах специальных устройств – фронтальных турбулизаторов, устанавливаемых в каналы рабочих колёс машин с целью формирования оптимальных полей скоростей и давления.

Ключевые слова: лопаточная машина; рабочее колесо; поле скоростей потока; фронтальный турбулизатор.

The article points to the need to use blade machines of special equipment - front turbulators installed in the channel impeller machines in order to create the optimum velocity and pressure fields.

Keywords: chuckmachine, impeller, the velocity field of the flow; front turbulator.

 

Традиционным резервом совершенствования конструкций лопаточных машин (насосов, компрессоров, турбин) является геометрическая оптимизация проточной полости и, в частности, лопаток рабочих органов. Оптимизация в последние годы шла в направлении от геометрической примитивизации проточной полости, которую можно было интерпретировать как совокупность поверхностей вращения второго порядка, к пространственной форме каналов. Переход к проектированию и изготовлению элементов лопаточной машины в 3D формате на 3D-принтерах означает, что указанный резерв в ближайшее время будет исчерпан и наступит новый этап, когда формирование оптимальных полей скоростей и давлений с помощью геометрической оптимизации натолкнётся на конструктивные ограничения по предельным осевым и радиальным габаритам машины, радиусам поворота потока и т.п. В этом случае следующим резервом повышения энергетической эффективности машины должны стать иные принципы формирования оптимальной структуры потока. В частности, принципы управления пограничным слоем [1].

Оптимальная проточная часть лопаточной машины должна генерировать градиенты скоростей и давлений нужной формы на одних участках протока и снижать градиенты на других участках. Наиболее сложными в этом смысле являются каналы рабочего колеса центробежного нагнетателя (насоса или компрессора), в котором механизм преобразования механической энергии вращения колеса в кинетическую энергию потока зависит от указанных градиентов, которые имеют неблагоприятный характер изменения.

Например, упрощённая модель течения в рабочих колёсах центробежных нагнетателей констатирует две, значительно различающиеся по уровню кинетической энергии, структуры в потоке: струя (зона с высоким уровнем скоростного напора в относительном движении) и след (зона с почти нулевым уровнем скоростного напора), существование которых приводит к повышенной неравномерности поля скоростей, увеличению потерь энергии и росту угла отставания потока от рабочего колеса [2]. Последний фактор влияет на эффективность работы рабочего колеса. В приложении к центробежным нагнетателям это снижает их напорные качества.

Одним из перспективных методов как уменьшения так и увеличения градиентов полей скоростей и давлений, на наш взгляд, может стать типовой приём теории управления пограничным слоем: турбулизация потока. Конструктивно она осуществляется с помощью специальных устройств - турбулизаторов потока (ТП), устанавливаемых в каналы лопаточных машин [3]. Выбор типа и размеров ТП зависят от пространственной формы разноэнергетических зон и их взаиморасположения в канале.

По степени масштабности воздействия на поток ТП можно разделить на два типа:

· пространственные ТП, размеры которых выходят за пределы пристеночного слоя, интенсифицируя энергообмен между ядром потока и периферийной зоной,

· локальные ТП, изменяющие характер течения в тонких слоях, прилегающих к обтекаемой поверхности. Данный тип ТП приемлем для каналов, течение в которых характеризуется наличием "толстых" пристенных слоёв.

Пространственные ТП по конструктивному исполнению и воздействию на поток можно классифицировать как:

· фронтальные (ТПф),

· продольные,

· продольно-фронтальные.

Для центробежных лопаточных машин пространственные ТП известны из патентной литературы: сетки, перфорированные пластины, стержни, гибкие нити. На рис.1 изображены варианты ТП [4]:

· продольно-фронтальные (рис. 1, а),

· продольные (рис. 1, б),

· фронтальные (рис. 1, в).

Механизм воздействия турбулизатора рассмотрим на примере ТПф, установленного в канале поперёк вектора относительной скорости W. Внося в набегающей поток возмущение разной степени локализации, ТП стимулируют перераспределение кинетической энергии между разноэнергетическими зонами потока в канале, см. рис. 2. Оказывая гидравлическое сопротивление движению потока [5] он «выравнивает» поле скоростей, генерируя дополнительный градиент статического давления Dр. В результате, увеличивается нагрузка на лопатки, повышается степень закрутки потока и улучшаются напорные качества машины.

Для турбулизации потока в рабочих колёсах лопаточных машин в качестве перспективных можно указать ТП фронтального действия (ТПф). Первым предложил закрепить ТПф из сетки на периферии рабочего колеса центробежного насоса засл. деятель науки и техники, д-р техн. наук, проф. Овсянников Б.В., см. рис. 3. Экспериментальная проверка энергетической эффективности установки сетки на периферии рабочего колеса впервые была осуществлена в лабораториях Московского авиационного института и КБхиммаш им. А.М. Исаева. По её результатам исследовательским коллективом получено авторское свидетельство на изобретение,  см. рис. 1 в). Напор насоса после установки ТПф в виде сетки увеличился на 20%.

 

ТПф можно использовать и для локализации зон отрыва потока. Например, рис. 4, построенный по данным из [6], иллюстрирует возможность повышения подъёмной силы плоской решётки профилей путём локализации зон отрыва с помощью сеток, частично перекрывающих каналы.

В исходной решётке на выпуклой стороне профилей существовал отрыв потока. С целью его локализации на расстоянии 5 мм до точки отрыва в зоне, примыкающей к выпуклой стороне профилей, были установлены сетки, частично перекрывающие решётку по её фронту (при шаге решётки t=120 мм, длина сеток равнялась 30 мм). Перестройка полей скоростей и давлений привела к заметному росту подъёмной силы решётки на большей части её длины (см. участок роста ?Су, рис. 4, где ?Суу.с.ТП.–Су.без.ТП.). Изменение коэффициентов Cx и Cy при установке сетки оценивалось по формулам:

где символ ¢ относится к решётке профилей без сетки, а символ ¢¢ к решётке профилей с сетками:

 

Здесь t - густота решётки;  угол входа, выхода и среднегеометрический угол потока в решётке без сеток;  - среднегеометрический угол потока в решётке с сетками;  - потери в решётке без сеток;  - потери в решётке с сетками, где .

Результирующая подъёмная сила решётки после установки сеток значительно возросла, а потери энергии, даже с учётом сопротивления сеток за счёт локализации отрыва, уменьшились.

Рассмотренная цель применения ТПф актуальна и для центробежных нагнетателей. Вдоль тыльной стороны лопаток их рабочих колес часто формируются зоны отрыва. Их локализация позволит увеличить гидравлический кпд машины.

Преимущества ТП фронтального действия по сравнению с другими вариантами турбулизаторов заключаются в их конструктивной простоте, возможности установки в каналы и рабочие колеса без изменения проточных форм последних при сохранении энергетически выраженного действия на поток.

 

Литература:

1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974. – 711 с.

2. Бобков А.В. Центробежные насосы систем терморегулирования космических аппаратов. - Владивосток: Дальнаука, 2003 г. - 217 с.

3. Терещенко Ю.М. Аэродинамика компрессорных решёток. - М.: Машиностроение, 1979. - 118 с.

4. Бобков А.В. Проблемы пространственной турбулизации потока в рабочих колёсах лопаточных машин / Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. 2011. Т. 2. № 3. С. 36-37.

5. Бобков А.В. Оценка влияния фронтального турбулизатора на гидравлическое сопротивление диффузора / Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://www.science-education.ru/103-6337.

6. Хорошев Г.А., Петров Ю.И., Егоров Н.Ф. Борьба с шумом вентиляторов. - М.: Энергоиздат, 1981. – 144 с.

Комментарии: 1

Артамонова Елена Николаевна

Работа посвящена освещению вопросов актуальной проблемы- оптимизации структуры потока в малоразмерно-расходных нагнетателях (насосах, компрессорах), широко применяющихся и в авиакосмической отрасли, и в реакторах, и в медицине, и т.д. В статье на основе анализа данных гидравлики изменения одного из коэффициентов подъемной силы при установке сетки приводится заключение о возрастании гидравлического кпд после установки выравнивающей сетки в каналах рабочего колеса нагнетателя для турбулизации потока. В общем, заявлена интересная тема, нуждающаяся в дальнейшем продолжении исследований.
Комментарии: 1

Артамонова Елена Николаевна

Работа посвящена освещению вопросов актуальной проблемы- оптимизации структуры потока в малоразмерно-расходных нагнетателях (насосах, компрессорах), широко применяющихся и в авиакосмической отрасли, и в реакторах, и в медицине, и т.д. В статье на основе анализа данных гидравлики изменения одного из коэффициентов подъемной силы при установке сетки приводится заключение о возрастании гидравлического кпд после установки выравнивающей сетки в каналах рабочего колеса нагнетателя для турбулизации потока. В общем, заявлена интересная тема, нуждающаяся в дальнейшем продолжении исследований.
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.