Оптимизация геометрических характеристик вихревого компрессора судовых систем на основе рациональной организации течения рабочей среды в канале ступени Величенко Галина Демьяновна

Содержание к диссертации

Введение

I. Состояние вопроса и задачи исследования 12

I.I. Оценка эффективности применения вихревых компрессоров в специальных общесудовых сис темах и системах судовых энергетических ус тановок 12.

I.2.. Оптимизация геометрических соотношений про точной части вихревых компрессоров 0

1.3. Исследования структуры течения рабочей среды в канале вихревого компрессора ±3

1.4. Цель и задачи исследования 36

2. Теоретический анализ 38

2.1. Анализ гипотез рабочего процесса вихревой ступени 38

2,2. Модель течения. Схема расчета силы сопротив ления меридиональному течению 48

2,3. Оценка эффективности вихревой ступени и вли яние на нее геометрических характеристик про точной части 49

2,4. Основные результаты и выводы по разд. 54

3. Экспериментальные установки и методика экс периментальных исследований 56

3.1. Экспериментальные стенды 56

3.1.1. Экспериментальный стенд для исследования течения рабочей среды в канале вихревого компрессора с помощью лазерного допплеровского анемометра 56

3.1.2 Экспериментальный стенд для исследования ин тегральных характеристик вихревых компрес соров

3.2. Методика экспериментального исследования 70

3.2.1. Объект исследования 70

3.2.2. Исследование структуры течения рабочей среды в канале вихревой ступени 74

3.2.3. Методика исследования интегральных характеристик вихревой ступени 85

3.2.4. Критерии оценки эффективности вихревой ступени 86

3.3. Оценка погрешности измерений 8?

3.4. Основные результаты и выводы по разд.З 92

4. Анализ результатов экспериментального исследования 93

4.1. Структура течения рабочей среды в канале вихревой ступени 93

4.2. Визуализация течения в канале вихревой ступени 110

4.3. Оптимизация геометрических характеристик вихревого компрессора судовых систем 117

4.3.1. Оптимизация коррдинат вершины прямоугольной лопатки 117

4.3.2. Структура потока и интегральные характеристики вихревой ступени с оптимальными координатами вершины лопатки 126

4.3.3. Геометрические характеристики проточных частей рядов судовых высокоэффективных вихревых компрессоров 130

4.4. Внедрение результатов исследования 131

4.5. Основные результаты и выводы по разд.4 132

Заключение 134

Список литературы 137

Приложения 149

• Оптимизация геометрических соотношений про точной части вихревых компрессоров
• Модель течения. Схема расчета силы сопротив ления меридиональному течению
• Исследование структуры течения рабочей среды в канале вихревой ступени
• Визуализация течения в канале вихревой ступени

Введение к работе

Актуальность темы. Основными направлениями экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года, утвержденными ХХУІ съездом Коммунистической партии Советского Союза, предусматривается "пополнить флот специализированными судами-контейнеровозами, лихтеровозами, железнодорожными паромами, судами Арктического плавания и ледоколами. Начать оснащение судов атомными силовыми установками" [.493 .

Строительство новых типов судов неразрывно связано с повышением требований к улучшению условий быта и труда экипажа, с созданием новых специализированных судовых систем жизнеобеспечения (источников воздухоснабжения для подачи очищенного от радиоактивных веществ воздуха, каталитической очистки воздуха от окиси углерода, кондиционирования, осушения инертных газов, переработки отходов нефтепродуктов и т.п.).

Характерной особенностью большинства указанных систем являются малые расходы рабочей среды при относительно высоких ее напорах, для чего необходимы соответствующие компрессоры.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют вихревые компрессоры, имеющие ряд преимуществ по сравнению с другими компрессорами, применяемыми в специальных судовых системах:

- обеспечение химической чистоты перекачиваемых продуктов;

- высокую надежность при работе на агрессивных и взрывоопасных газах;

- минимальные массо-габаритные характеристики;

- устойчивость напорно-расходной характеристики в широком диапазоне изменения производительности. Характеристики вихревых компрессоров в большой степени определяются соотношениями площадей рабочего канала и лопаток, окон всасывания и нагнетания и формой проточной части.

Многочисленность факторов, влияющих на эффективность вихревой ступени, сложная пространственная структура потока в рабочем канале предопределили появление противоречивых рекомендаций по выбору геометрических характеристик проточной части, которые носят в основном эмпирический характер и мало опираются на исследования по структуре течения рабочей среды в проточной части канала. Как показал анализ этих исследований, экспериментальный материал носит качественно неполный и не в полной мере достоверный характер, что не позволяет проектировать вихревую ступень с учетом структуры движения потока в проточной части рабочего канала.

Разработанные в нашей стране типоразмерные ряды вихревых компрессоров для нужд химической и судостроительной промышленности, а также для систем индивидуального жизнеобеспечения отличаются сравнительно низкой эффективностью. Повышение их эффективности возможно за счет лучшей организации передачи энергии от лопатки рабочего колеса к рабочей среде, основанной на экспериментальном исследовании структуры потока в рабочем канале вихревого компрессора.

Исследования, представленные в диссертации, выполнялись в соответствии с постановлением Государственного комитета по науке и технике Совета Министров СССР № 242 от б июня 1978 года, где предусматривается создание унифицированных серий микрорасходных компрессоров для микробиологической, судостроительной, химической и других отраслей промышленности и криогенной техники, а так же согласно решениям У и УІ Всесоюзных конференций по компрессо-ростроению (1978-1982 годы). Цель работы и задачи исследований. Основной целью диссертационной работы является совершенствование характеристик судового вихревого нагнетателя с односторонним периферийно-боковым каналом за счет улучшения организации течения рабочей среды - базирующегося на изучении структуры потока с помощью лазерного допплеровского анемометра.

Это потребовало выполнения расчетно-теоретического анализа оценки влияния геометрических характеристик проточной части на эффективность вихревой ступени, построения модели течения, разработки методики экспериментального исследования полей скоростей в периферийном канале бесконтактным методом с помощью лазерного допплеровского анемометра, а также проведения этих исследований.

Научная новизна работы состоит: в разработке методики исследований структуры течения рабочей среды в канале вихревого компрессора бесконтактным методом с помощью лазерного допплеровского анемометра фирмы "DiSa "; в расширении физических представлений качественной связи между структурой потока рабочей среды и интегральными характеристиками вихревой ступени; в оптимизации координат вершины прямоугольной лопатки, однозначно определяющих расположение лопаток в канале и соотношение между площадями лопатки и канала.

Практическая ценность настоящей работы заключается:

- в конкретных результатах исследования структуры потока в каналах вихревых компрессоров бесконтактным методом с помощью лазерного допплеровского анемометра;

- в разработке способа определения рациональной формы проточной части вихревой ступени с односторонним периферийно-боковым каналом; - в разработке приближенной методики расчета расходно напорных характеристик вихревых компрессоров, основанной на использовании теории подобия и результатов исследования структуры потока лазерным допплеровским анемометром.

По данным настоящего исследования для ведущего предприятия был спроектирован и изготовлен экспериментальный образец вихревого компрессора, который успешно прошел испытания.

Достоверность выводов и рекомендаций подтверждается: комплексом мероприятий, предусмотренных в методической главе; анализом погрешностей измерений; согласованием расчетной методики с экспериментальными исследованиями, а также качественным согласованием результатов экспериментального исследования с помощью лазерного допплеровского анемометра с результатами скоростной киносъемки и с данными измерений других авторов, выполненными с помощью контактных зондов.

Внедрение результатов исследований осуществлялось и осуществляется путем:

- использования экспериментальных данных по структуре потока в канале вихревой ступени при корректировке методики расчета вихревых компрессоров в ЦНИИ "Тайфун";

- проектирования, изготовления и испытания опытного образца вихревого компрессора V = 0,017 м3/с и И = 15 кПа по заказу ЦНИИ "Тайфун";

- разработки методики и передачи результатов расчета вихревого микронагнетателя для комплектов средств индивидуальной защиты сварщиков-судостроителей институту биофизики Министерства здравоохранения СССР;

- применения вихревого микронагнетателя в изготавливаемых на Херсонском судостроительном производственном объеди 10

нении опытных образцах комплектов средств индивидуальной защиты;

- использования разработанной методики для расчета вихревых микрокомпрессоров систем индивидуальной защиты в судостроительной и других отраслях промышленности по заданию института биофизики Министерства здравоохранения СССР.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на межвузовском семинаре "Методика и организация эксперимента в компрессоростроении" (Ленинград, ЛПИ, 1979 г.), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Николаевского кораблестроительного института (1977-1984 гг.).

На защиту выносятся следующие результаты теоретического и экспериментального исследования структуры потока вихревого компрессора:

- расчетно-теоретический анализ, позволивший оценить эффективность проектируемой вихревой ступени;

- методика бесконтактного исследования структуры потока в канале вихревой ступени с помощью лазерного допплеровского анемометра;

- новые данные о качественной связи между геометрическими характеристиками проточной части вихревой ступени, структурой потока рабочей среды в канале и ее напорно-расходной характеристикой;

- оптимизация координат вершины прямоугольной лопатки и приближенная методика расчета вихревой ступени с периферийно-боковым каналом.

Публикации: по теме диссертации опубликованы 4 статьи в периодических изданиях, научно-технический отчет по хоздоговорной теме, получено авторское свидетельство № 962674 от I июня 1982 г. 

Оптимизация геометрических соотношений про точной части вихревых компрессоров

Оптимизации геометрических соотношений проточной части вих ревых комцрессоров посвящено очень ограниченное число работ. Поэтому при рассмотрении современного состояния этого вопроса необходимо принимать во внимание и работы по оптимизации геометрических соотношений вихревых насосов.

Важность оптимизации геометрических соотношений проточной части и в особенности соотношений между площадями лопатки и канала, а также геометрической формы канала подтверждается тем фактом, что в работах [10, 22, 551 за счет изменения профиля проточной части получен рост коэффициента напора от 40 до 60 %, а максимальный к.п.д. увеличился на 20 %, за счет же изменения соотношения между площадями лопатки и канала в работе [55] по лучено увеличение Vag0nT от 1,0 до 3,0 и максимального к.п.д. от 20 до 45 %.

В исследованиях [7, 44, 106 и 107] изучалось влияние геометрических соотношений проточных частей вихревых насосов с прямоугольным каналом на интегральные характеристики ступеней. Однако диапазон рекомендуемых ими значений геометрических параметров очень широк и для практического использования нуждается в обязательной экспериментальной проверке. Так, колебания рекомендуемых характеристик лежат в пределах а/Ь от 0,8 [7] до 1,67 [44] , к/а от 2,0 [106, 107] до 3,5 [44] . Наиболее существенные исследования по вихревым компрессорам выполнены в работах [10, 22, 35, 55 и 97] . Кейтес [97] установил оптимальные соотношения геометрических размеров для прямоугольного канала:q/b = = 1,38; d/t = 0,23; k/a = 2,7. Если соотношения а/Ь и k/a » рекомендованные Кейтесом, лежат в интервалах, указанных в работах [7, 44 и 107] , то значение d/t не входит в диапазон, рекомендованный в работе [107] .

Вихревые компрессоры с прямоугольными каналами и каналами скругленной формы, имеющими одинаковые площади, исследовались в работе [Ю]. Как показали результаты, каналы со скругленным профилем мередионального сечения оказались более эффективными вследствие лучшей организации течения рабочей среды в них.

В этой работе было установлено существенное влияние площади канала, изменяющейся за счет его ширины, на интегральные характеристики вихревой ступени. Авторским свидетельством [26] защищена форма проточной части. В работе [І0] рекомендованії следующие оптимальные значения: k/a = 2,5-3,0; FA/ FK = 0,4-0,46; а. = 0,68-0,8.

Наиболее широко исследовалось влияние геометрических соотношений проточной части вихревого компрессора со скругленным периферийно-боковым каналом на интегральные характеристики ступени в работах [55 и 56] . В результате были рекомендованы следующие оптимальные соотношения: OLonT = 0,8; donT 0,4 HVN/FK= 0,8-1,0 [55] . В работе [56] рекомендованы уже несколько иные соотношения, т.е. CLonT= 0,8 и donT 0,4.

Сравнению эффективности вихревых ступеней с двусторонним периферийно-боковым каналом прямоугольного и скругленного профиля меридионального сечения посвящена работа [22] . Установлено существенное повышение эффективности ступени за счет округления профиля меридионального течения.

При этом во всех перечисленных работах повышение эффективности вихревой ступени связывается, прежде всего с улучшением организации меридионального сечения. Однако исследований, устанавливающих связь между структурой потока рабочей среды в канале с одной стороны, и геометрическими соотношениями ступени, с другой стороны, проводилось недостаточно. Из анализа литературных данных можно сделать следующие выводы:

. На эффективность вихревой ступени существенное влияние оказывает соотношение площадей лопатки и канала, определяющих в основном организацию течения рабочей среды. 2. Рекомендации по оптимальным соотношениям геометрических характеристик проточной части вихревого компрессора разнородны и лежат в широком диапазоне, так как базировались в основном на исследованиях только интегральных характеристик ступени, что, в свою очередь, требует огромного статистического материала. 3. Наиболее эффективен скругленный профиль меридионального сечения. 4. Исследования структуры потока в канале вихревой ступени и установление связи ее с геометрическими и интегральными ха рактеристиками ступени позволили бы рекомендовать однозначные геометрические параметры проточной части, обеспечивающие наиболее эффективную работу вихревого компрессора.

Модель течения. Схема расчета силы сопротив ления меридиональному течению

С учетом изложенного в данной работе для теоретического анализа ступени принята регенеративная гипотеза. Для оценки сопротивления меридиональному течению использовался метод, аналогичный работам Ю.А.Бондаренко и Л.С.Осепьян [ДО и 551 . В отличие от работы Л.С.Осепьян сделано предположение, что минимальные необратимые потери обеспечиваются в том случае, когда ось гелико-тороидального течения проходит через вершину лопатки, а не через центр симметрии канала. В этом случае анализ Ю.А.Бондаренко [ 1.0] может рассматриваться как частный случай представленного ниже решения, а именно, когда вершина лопатки совпадает с центром симметрии канала. Отличными от двух указанных работ являются и граничные условия на входе в межлопаточный канал. При расчетном анализе сделаны следующие допущения: - течение установившееся и носит гелико-тороидальный характер; - линии тока в меридиональной плоскости представляют собой замкнутые кривые с центром в вершине лопатки; - рабочая среда несжимаемая; - градиентом сил давления в меридиональном сечении пренебрегаем; - протечки рабочей среды и краевые эффекты входных, выходных устройств и разделителя не учитываются; - скорость рабочей среды на выходе из мелслопаточного канала принимается Си2 =би2 ; - линейный закон изменения тангенциальной скорости вдоль линии тока в меридиональной плоскости принимается в функции от углаб , т.е.Сц.к= CU2 -кб ; - скорость рабочей среды на входе в канал принимаетсяСи- ъцхг, - скорость рабочей среды в межлопаточном канале CUA= U2 , где б иЛ - коэффициенты, зависящие от геометрических характе ристик канала и режима работы вихревой ступени. Схема расчета представлена на рис.2.I. На кольцевой элемент, выделенный в меридиональной плоскости радиусами г и Ъ + du, в общем случае действуют силы инерции, давления и центробежные. При допущении стационарности течения угловое ускорение меридионального течения равно нулю, следовательно, нулю будут равны инерционные силы. Из рассмотрения исключаются и силы давления, так как ог,ас1 р в меридиональной плоскости пренебрегается.

Таким образом, результирующая сила, вызывающая циркуляционное движение выделенного кольцевого элемента, найдется как сумма проекций центробежных сил на меридиональную проекцию линии тока, т.е.

Для нахождения элементарных сил, действующих на рабочую среду в межлопаточном канале dpA и в канале dpK » выделим Рис.2.I. Схема расчета контрольный элементарный объем, образованный цилиндрическими поверхностями радиуса гиг +с1г , двумя плоскостями, проходящими через радиус перпендикулярно меридиональной плоскости, развернутыми на угол dL6 , и плоскостью, параллельной меридиональному сечению и расположенной на расстоянии, равном единице. Элементарная центробежная сила, действующая на рабочую среду в колесе, где Сил - тангенциальная скорость рабочей среды в межлопаточном канале; CUK - тангенциальная скорость рабочей среды в периферийно-боковом канале; О - плотность рабочей среды; "R- =Т?+г& іп&- расстояние от оси рабочего колеса до центра тяжести элементарного объема рабочей среды; "R2 - радиус колеса по наружной кромке лопатки; Z - расстояние, на котором расположен рассматриваемый элементарный объем рабочей среды относительно вершины лопатки ( о si г s г ). Выразим г через безразмерный радиус Z и расстояние от вершины лопатки до контура меридионального сечения Ъ :

Значения коэффициентов pL , р2 , р3 и р4, входящих в уравнения (2.14) и (2.15) и зависящих от соотношения между площадями канала и лопатки, находились по программе (приложение I), реализованной на ЭВМ "Мир-2Н.

Полученная теоретическая зависимость (2.14), позволяющая определить силу сопротивления меридиональному течению элементар ного кольцевого объема, может применяться для проточных частей с соотношением FA / FK » лежащим внутри интервала, ограниченного применимостью регенеративной гипотезы. Как показывает анализ литературных источников, этот интервал лежит ориентировочно в пределах 0,2-1,5. меридиональному течению можно произвести качественную оценку эффективности вихревой ступени по напору. Для теоретического анализа были выбраны вихревые ступени, имевшие круговое меридиональное сечение и отличавшиеся соотношением FA /FK . Выбор этих ступеней был обусловлен наличием для них экспериментальных напорно-расходных характеристик. Численное решение уравнения (2.14) для нескольких вариантов проточных частей представлено на рис.2.2, а геометрические характеристики рассчитанных ступеней приведены в табл.2.I. Подобные, качественно совпадающие зависимости были получены и для других вариантов проточных частей. На рис.2.3 нанесены экспериментальные напорно-расходные характеристики. Как показывает сравнение графиков (рис.2.2 и 2.3), имеется качественное соответствие между силой сопротивления меридиональному течению и напорно-расходной характеристикой ступени. Ступень, у которой большие значения коэффициентов напора, имеет и большую расчетную силу рс . Сравнение теоретического анализа с экспериментальными данными других авторов позволяет говорить о возможности данного метода производить качественную оценку эффективности вихревой ступени по коэффициенту напора.

Исследование структуры течения рабочей среды в канале вихревой ступени

При исследовании структуры течения рабочей среды в канале вихревой ступени измерялось распределение тангенциальных tu и радиальных Сг составляющих скоростей по сечению канала и снималось поле распределения статических давлений по длине канала.

Измерения средней местной скорости в периферийном канале вихревого компрессора осуществлялись с помощью лазерного доппле-ровского анемометра фирмы "Disa" типа 55L . Блок-схема анемометра представлена на рис.3.3. Здесь же представлена и оптическая схема анемометра. В работе использовалась дифференциальная схема измерения в проходящем свете.

Лучи лазера, разделенные в блоке оптики на два луча одинаковой интенсивности, пересекаются в фокусе под углом ос и образуют системы интерференционных полос внутри исследуемого объема. В выполненном эксперименте исследуемый объем определялся диаметрами пересекающихся лучей, равными 0,1 мм, и углом ос - 23. Расстояние между двумя соседними интерференционными полосами cL= А/2 Bin % » гдеХ = 0,632 10 м - длина волны лазерного излучения.

Частицы, пересекая интерференционные полосы, меняют свою освещенность с частотой, зависящей от скорости их движения. Доп-плеровское смещение частот, получаемое в рассеянном свете от точки измерения в потоке, улавливается фотоумножителем. В связи с тем, что работа анемометра связана с наличием еветорассеиваю-щих частиц, концентрация которых в поступающем в компрессор воздухе недостаточна для использования допплеровского метода, воздух запыляется за счет добавления дыма. Так как размеры частиц дыма не превышали 10 м, то скольжение частиц относительно воздушного потока не превышает 0,2 %. При проведении эксперимента необходимое для устойчивой работы анемометра количество дыма определялось по току усилителя, который должен составлять 40-60 мА.

Значение средней скорости движения частиц через данную точку объекта при известной частоте допплеровского сигнала определяется из выражения х Основные преимущества лазерного допплеровского анемометра, используемого в качестве измерителя скорости, по сравнению с известными способами, заключаются в следующем: 1. Бесконтактность измерений и как следствие: - отсутствие вносимых в точку измерения возмущений, позволяющее производить измерения в непосредственной близости от поверхности; - возможность измерений в любой точке без конструктивных изменений экспериментального участка, имеющего прозрачные для лазерных лучей стенки. 2. Измерения не зависят от состояния измеряемой среды. 3. Не требует тарировки. 4. Идеальная чувствительность по направленности потока. По п.З следует сделать следующие замечания. Перед вводом установки в действие выполняется динамическая проверка доппле ровского сигнала цроцессора 55L20, чтобы убедиться в том, что следящая система следует за изменяющейся входной частотой, создаваемой регулируемым генератором напряжения в соответствии с таблицей, приводимой в инструкции [108]. Хотя по условиям фирмы лазерный измеритель скорости тарировки не требует, нами были проведены опыты по измерению эпюр скоростей в каналах круглого сечения на воде и воздухе. Как показали полученные данные, расхождение измеренных эпюр скоростей с соответствующими эпюрами, построенными по известным уравнениям [61 и 78] для ламинарного и турбулентного течений несжимаемой жидкости, не превышало I %. Наряду с несомненными преимуществами лазерного допплеров-ского анемометра по сравнению с контактными методами, он имеет и ряд недостатков: 1. В высокотурбулентных потоках в диапазоне допплеровских частот 6-15 МГц помехи соизмеримы с полезным сигналом, что затрудняет его выделение. Устранения помех можно добиться путем тщательной экранизации установки. 2. Лазерный анемометр имеет три комплекта сменных линз, которые обеспечивают диапазон измерения скоростей от 3 мм/с до 100 м/с.

Рост измеряемой скорости сопроводдается необходимостью увеличения фокусности линз. Это приводит к росту измеряемого объема, определяемого пересекающимися в точке измерения лучами. Длина объема измерения в зависимости от фокусности линзы и длины участка сепарации колеблется от 0,56 мм для короткофокусной линзы до 36 мм для длиннофокусной линзы. 3. Необходимость запыления газового потока частицами раз мером не более I мкн. Конструкция дымогенератора и методика за пыления потока приведены в разд.3.1.1. 4. При измерениях составляющей скорости, направленной перпендикулярно к поверхности, образующей канал, наличие двух лучей затрудняет проведение измерений вблизи стенки вследствие перекрытия поверхностью одного из лучей, выходящих из блока оптики. Чем больше уголос и дальше от боковой поверхности канала со стороны блока оптики находится точка измерения, тем дальше от стенки расположена ее минимальная координата (см.рис.3.14). Однако, если измерять не вертикальную составляющую скорости, а ее проекцию, располагая оптику под углом, то можно в значительной степени от этого недостатка избавиться. 5. Ограничение измерений по степени турбулентности потока (до 33 %) и в пульсирующих потоках с флуктуациями измеряемой скорости свыше 70 %.

Последний недостаток относится не только к лазерному анемометру, но и к термоанемометру. Недостатки лазерного анемометра, приведенные в пп.І, 3 и 4, сводятся к минимуму за счет проведения указанных выше мероприятий, а недостатки, приведенные в пп. 2 и 5, ограничивают применение анемометров и налагают определенные условия на выполнение исследований. Так как в вихревых компрессорах течение осуществляется с высокими градиентами скорости и сильно турбулизировано, то в настоящих исследованиях была выбрана короткофокусная линза. Кроме того, были выполнены методологические эксперименты, позволившие определить верхний предел скорости течения рабочей среды в канале вихревой ступени, который может быть измерен лазерным анемометром. Таким пределом явилась скорость порядка 4 м/с, что объясняется конструктивными возможностями анемометра, а также наличием существенных градиентов скорости в измеряемой среде. В данной работе все измерения эпюр скоростей были выпол

Визуализация течения в канале вихревой ступени

С целью дополнения физической картины структуры потока в канале вихревой ступени была выполнена визуализация течения. На рис.4.12 приведена фотография линий тока рабочей среды в канале вихревой ступени при р = 0. Здесь визуализация достигалась за Рис.4.12. Линии тока в канале вихревой ступени при if - 0. счет введения в канал подкрашенного спирта. Спирт мгновенно испарялся, смесь паров спирта со спиртом жидкого состояния позволила заметить характерную структуру течения. Фотография показывает, что течение носит явно вихревой сильно турбулизированный характер. При этом, если в периферийной части канала течение направлено от области всасывания в область нагнетания, то в боковом канале наблюдается обратное течение, которое смыкается затем с крупномасштабным вихрем во входном участке канала ступени.

На рис.4.13 и 4.14 приведены цветные фотографии визуализации течения при ср« 0,7 иФ = 0. Здесь в качестве визуализирующей жидкости добавлялось подкрашенное машинное масло. В связи с большим различием в плотности и вязкости рабочего тел и визуализирующей добавки здесь менее заметно вихревое течение в канале, однако более четко выделяется струйное направленное течение. В периферийной части течение струи происходит от всасывания к нагнетанию, а в боковой - в обратном направлении. В нижней части фотографии заметен направленный перенос визуализирующей жидкости из периферийной в боковую часть канала, что может быть объяснено только наличием меридионального течения в ступени.

Характерным для структуры течения в канале вихревой ступени является образование крупномасштабного вихря, которым замыкается возвратное течение в области боковой части канада. Причем этот вихрь перемещается по углу в зависимости от режима работы ступени. Так, приФ = 0 расположение вихря соответствует углу « 30, а при $ & 0,7 расположение вихря перемещается в область « 60. Объяснение этому может быть дано, если рассмотреть распределение давлений по углу , приведенное на рис.4.15. Зона образования крупномасштабного вихря соответствует области минимального давления.

На основании анализа выполненных исследований можно сделать следующие выводы: - геометрические характеристики проточных частей оказывают существенное влияние на структуру потока в периферийном канале вихревой ступени. Так, по сечению периферийного канала за счет изменения высоты канала и его формы имеют место резко различающиеся распределения Си и CR ; - между характером распределения скоростей рабочей среды в канале вихревой ступени и ее напорно-расходной характеристикой имеется существенная связь. Улучшение организации течения в выполненном исследовании за счет скруглення периферийного канала привело к росту коэффициента напора на 68 % по сравнению с периферийным наналом прямоугольной формы (каналы № 4 и 2,ср= 0,5); - рост коэффициента напора ступени данной геометрии с уменьшением расхода сопровождается ростом радиальной составляющей и уменьшением тангенциальной составляющей скорости рабочей среды в канале; - вихревая ступень, у которой большее значение коэффициентов напора и к.п.д.,имеет большие средние абсолютные значения тангенциальных и радиальных составляющих скорости рабочей среды в периферийном канале; - поток рабочей среды в канале сильно турбулизирован. Наличие застойных зон в каналах прямоугольного сечения приводит к генерации в них крупномасштабных дискретных вихрей, сопровождающейся диссипацией энергии, поэтому каналы со скругленной формой сечения предпочтительны; - существуют оптимальные геометрические характеристики канала, обеспечивающие наилучшую организацию передачи энергии от рабочих лопаток колеса к рабочей среде.

Как было показано при теоретическом анализе в разд.2 эффективность вихревой ступени по значению силы сопротивления меридиональному течению однозначно зависит от координат вершины лопатки, определяющих положение лопатки в канале и соотношение между площадями FN / FK . Отправными данными для оптимизации на основе теории подобия послужили исследования по структуре течения рабочей среды и установление качественной связи между характером распределения эпюр скоростей и интегральными характеристиками ступени. Рассматривая поток в рабочем канале ступени как результирующий от сложения меридионального и тангенциального течений, значение коэффициента расхода можно представить как:

Отыскание решения интеграла связано с нахождением закона распределения скоростей в канале ступени, который при постоянном значении коэффициента расхода $ может быть приближенно найден из полученных экспериментальных данных. Для данного анализа была принята эпюра тангенциальных составляющих скоростей, измеренная в канале № 4 при Ц = 0,375. Затем эпюра скоростей была аппроксимирована полиномом вида