Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1 Анализ состояния вопроса. Положения, выносимые на защиту 12
Раздел 2 Метод гидродинамического проектирования универсальной кавитационной трубы замкнутого типа 23
2.1 Алгоритм проектирования 23
2.2 Методы гидродинамического проектирования элементов установки 26
2.2.1 Требования к параметрам потока в рабочем участке. Проектирование рабочего участка 26
2.2.2 Прогнозирование степени турбулентности в ядре потока рабочего участка. Проектирование системы управления турбулентностью потока 45
2.2.3 Проектирование конфузора 57
2.2.4 Проектирование диффузора. Определение оптимальной величины угла расширения и коэффициента раскрытия, рекомендации для выбора формы 69
2.2.5 Проектирование поворотных колен. Оптимизация кавитационных характеристик 78
2.2.6 Проектирование обратного канала: анализ течения в обратном канале, обоснование требований к растворительной способности и определение параметров обратного канала 83
2.2.7 Проектирование импеллерного насоса 90
2.2.7.1 Рекомендации к проектированию элементов кавитационной трубы с учетом необходимости уменьшения неоднородности поля скоростей в диске импеллера 91
2.2.7.2 Определение гидравлических потерь проточного канала и его отдельных элементов 95
2.2.7.3 Выбор оптимальных величин диаметра и частоты вращения импеллера 101
2.2.7.4 Определение геометрических параметров лопастей насоса 107
2.2.8 Оценка акустических качеств проектируемой установки. Критерии достижения заданных требований по уровням фонового шума в рабочем участке 113
3 Применение результатов работы 126
Эксплуатационные качества кавитационной трубы. Диаграмма эксплуатационных режимов КТ ИИЦ 126
Степень турбулентности и неоднородности потока в рабочем участке трубы КТ ИИЦ 129
Акустические характеристики установки 129
Заключение 130
Литература
- Методы гидродинамического проектирования элементов установки
- Проектирование диффузора. Определение оптимальной величины угла расширения и коэффициента раскрытия, рекомендации для выбора формы
- Рекомендации к проектированию элементов кавитационной трубы с учетом необходимости уменьшения неоднородности поля скоростей в диске импеллера
- Степень турбулентности и неоднородности потока в рабочем участке трубы КТ ИИЦ
Введение к работе
Постоянное совершенствование средств вычислительной техники и развитие численных методов расширяет круг вопросов, при решении которых наряду с традиционно используемыми экспериментальными методами значительный объем исследований выполняется расчетными методами. Однако очевидный прогресс расчетных методов не дает оснований говорить о вытеснении экспериментальных модельных исследований и полной замене их в каких-то областях расчетом. Существующие тенденции указывают не на снижение роли эксперимента в настоящее время ив будущем, а на изменение подхода при решении различных задач гидромеханики: физический эксперимент используется в более полном взаимодействии с расчетными методами. Можно назвать, по крайней мере, три причины, по которым физические эксперименты на моделях исследуемых объектов и в настоящее время, и в обозримом будущем останутся актуальными, несмотря на широкое развитие расчетных методов исследований [1].
Используемые в математических моделях уравнения либо являются приближенными, либо имеют ограниченную область применимости (ламинарный поток, отсутствие кавитации, дозвуковые значения скоростей и т.д.). Поэтому, при использовании результатов расчета, полученных с использованием тех или иных математических моделей, должны быть определены критерии определения диапазонов изменения параметров, в которых используемые аппроксимации и допущения не приводят к неприемлемым ошибкам. Такие критерии могут быть получены только экспериментально на физических моделях.
- Развитие судостроения требует рассмотрения новых конструкционных решений. Для математического описания поведения этих комплексных структур в различных условиях необходимо построить системы уравнений и граничных условий, либо получаемых, либо подтверждаемых по результатам эксперимента.
Разнообразие режимов движения судна и стремление к повышению экономической эффективности эксплуатации судов приводит к необходимости отыскания путей воздействия на условия течения. Последнее требует выполнения углубленных исследований процессов, происходящих при движении тела в потоке. Однако, до тех пор, пока уравнения этих тонких явлений, описывающих процессы воздействия на поток и реакции потока на вносимое возмущение, не получены, их математическое моделирование невозможно.
Представляется, что в процессе дальнейшего развития гидродинамические лаборатории будут уделять все большее внимание решению перечисленных проблем. В этом случае, с одной стороны, развитие компьютерных методов приведет к замене значительного объема стандартных испытаний математическим моделированием. При этом с другой стороны, появление новых технических проблем и необходимость создания новых математических моделей для описания тех процессов, которые пока имеют только экспериментальное описание, приведет к необходимости выполнения комплексных физических исследований с использованием экспериментальных установок [2]. Универсальность и функциональность таких установок — качества, позволяющие проводить экспериментальные исследования с расширяющейся номенклатурой и изменяющимися требованиями к проведению испытаний, являются необходимыми при проектировании новых установок.
С повышением скорости хода судов и созданием достаточно мощных энергетических установок вопросы изучения кавитации движителей стали столь актуальны, что привели на рубеже 19-20 веков к созданию нового типа экспериментальных установок, названных кавитационными трубами. Предназначенные первоначально исключительно для изучения кавитации как явления возникающего на лопастях гребных винтов, установки со временем совершенствовались и использовались для решения все более широкого круга задач, в том числе связанных не только с кавитацией. В связи с этим появился и развивается целый класс экспериментальных установок, включающий в себя разнообразные типы кавитационных и гидродинамических труб, объединенных общим принципом организации эксперимента: в рабочем участке установки создается поток жидкости с регулируемой скоростью и изучаемые объекты испытываются в условиях обращенного движения при переменных значениях скорости и давления. При этом используется принцип обратимости, согласно которому все характеристики гидродинамического поля и силовое воздействие жидкости на помещенное в ней тело должны сохраняться неизменными, если вместо условия движения тела в неподвижной жидкости с постоянной скоростью рассматривать случай обтекания с той же скоростью неподвижного тела однородным встречным потоком.
Кавитационные и гидродинамические трубы различаются между собой по размерам, количественному значению характеристик потока и экспериментальным возможностям, связанным с принципиальными конструктивными решениями. Наибольшей универсальностью обладает безресорберная невинтовая кавитационная труба замкнутого типа с удлиненным рабочим участком, позволяющая при наличии соответствующих компактных приводов, размещаемых внутри рабочего участка, проводить испытания как движителей в изолированном действии, так и работающих за корпусом, а также в равной степени испытания коротких и удлиненных тел в потоке. Скорость потока в рабочем участке такой установки задается импеллерным насосом и регулируется изменением частоты вращения рабочего колеса (импеллера). Давление в рабочем участке регулируется независимо от скорости потока при помощи систем пневматических или гидравлических устройств, создающих вакуум и избыточное давление в замкнутом объеме установки. Отсутствие в конструкции установки ресорберов, способствующих более эффективному растворению пузырьков газа в объеме воды, снижает гидравлические потери и в то же время практически не ограничивает номенклатуру и режимы стандартных испытаний, выполняемых в обеспечение проектирования кораблей и судов. Вертикальная компоновка корпуса трубы, при которой большая часть проточного канала находится под воздействием избыточного гидростатического давления, и в отсутствие ресорберов обеспечивает достаточную растворительную способность установки, исключающую возникновение газовой кавитации при стандартных испытаниях.
Принципиальная общая схема такой кавитационной трубы представлена на рисунке 1. Корпус трубы состоит из следующих конструктивных элементов: рабочий участок, имеющий наименьшее в составе трубы сечение и, соответственно, наибольшие скорости течения, и обратный канал увеличенного по отношению к рабочему участку сечения. Увеличенное поперечное сечение элементов обратного канала позволяет за счет снижения скорости течения и увеличения давления уменьшить величину гидравлических потерь в обратном канале и предотвратить кавитацию самих элементов проточного канала и импеллерного насоса, а также обеспечить растворение выделяющихся в процессе испытаний в рабочем участке воздушных пузырьков за период прохождения жидкостью замкнутого цикла движения. Значительная разница сечений обратного канала и рабочего участка способствует также формированию в рабочем участке потока с низкими уровнями неоднородности и турбулентности. В состав трубы входит также осевой насос, включающий в себя валовую линию и импеллер, который может быть снабжен спрямляющим (направляющим) аппаратом. Импеллерный насос предназначен для подвода от внешнего привода энергии, которая затрачивается на компенсацию необратимых гидралических потерь, составляющих порядка 10-30% кинетической энергии потока в рабочем участке. Рабочий участок составляет основное звено трубы, определяющее в значительной степени и остальные элементы корпуса. Достаточное распространение получили установки, имеющие рабочий участок кругового сечения, однако, это в большинстве своем винтовые трубы для испытания моделей изолированных движителей. Рабочий участок универсальной трубы, где в равной степени можно проводить испытания движителей с макетом корпуса, имеет квадратное или прямоугольное сечение, что обеспечивает наилучшие условия проведения испытаний моделей судов, располагаемых в нем, в то время как в районе импеллера по очевидным причинам сечение обратного канала является круговым. Таким образом, один из участков на пути движения потока от выхода рабочего участка до импеллера должен быть переходным, изменяющим сечение от квадрата или прямоугольника к кругу, также как и на пути движения жидкости от импеллера к входу рабочего участка должен присутствовать второй переходной участок, трансформирующий круговое сечение вновь в квадратное или прямоугольное.
На основании изложенного, в составе обратного канала необходимо рассматривать следующие принципиально необходимые конструктивные элементы. Непосредственно за рабочим участком (1) должен следовать главный диффузор (2), снижающий при сохранении безотрывного обтекания скорость и повышающий давление в такой степени, чтобы исключить возникновение кавитации в следующем за диффузором первом поворотном колене (3). За первым поворотным коленом следует вертикальный участок (4), второе поворотное колено (5), нижний горизонтальный участок перед импеллером (6). Один из участков (4) или (6) является переходным с квадрата (прямоугольника) на круг. При этом, данные участки могут быть также диффузорами, обеспечивая дальнейшее расширение сечения для снижения скорости течения и увеличения давления. Особенностью конструкции второго поворотного колена, как правило, является наличие линии вала, пересекающей поворотные лопатки (либо это может быть в третьем поворотном колене). Далее следует импеллерный участок (7), с установленным в нем импеллером, имеющий в составе спрямляющий (направляющий) аппарат. Выбор диаметра импеллера по условию отдаления кавитации и снижения шума определяет сечение импеллерного участка. Начальная часть импеллерного участка может быть конфузорной, что способствует выравниванию поля скоростей в диске импеллера. Импеллер создает наиболее сильные вихревые возмущения в потоке и часть обратного канала за импеллером должна выполнять функцию погашения этих возмущений. Прежде всего, эту функцию выполняет спрямляющий аппарат, расположенный в импеллерном участке непосредственно за импеллером. Его наличие позволяет как снизить в целом уровень возмущений в потоке, что в конечном итоге проявляется и в рабочем участке, так и утилизировать часть энергии, затрачиваемой на закрутку потока, тем самым, увеличивая КПД импеллерного насоса. За импеллерным участком следует второй нижний горизонтальный участок (8), третье поворотное колено (9), второй вертикальный участок (10). Участки (8) и (10) также как (4) и (6) обеспечивают изменение поперечного сечения (с кругового на квадратное) и дальнейшее расширение потока. Расширение сечения обеспечивает увеличение времени на диссипацию завихренности от работающего импеллера на пути движения до рабочего участка и, хотя и повышает степень неоднородности потока, снижает абсолютную энергию возмущения. Следующее далее четвертое поворотное колено (11), хоннейкомб (12) и стабилизирующий участок (13) имеют неизменное на входе и выходе, наибольшее во всем проточном канале, сечение. Хотя скорость потока в этих секциях минимальна, они расположены непосредственно перед рабочим участком и оказывают наиболее значительное влияние на формирование потока в рабочем участке, поэтому их проектированию уделяется особое внимание. Хонейкомб, или сотовый выпрямитель, осуществляет разрушение крупномасштабных вихрей и диссипацию мелкомасштабных в хонейкомбе и следующем за ним стабилизирующем участке. В конфузоре (14) происходит резкое ускорение и поджатие потока, что также способствует диссипации вихревых структур и достижению низких уровней турбулентности потока в рабочем участке. Поджатие в конфузоре позволяет также снизить неоднородность потока по сечению рабочего участка.
Многоцелевые универсальные экспериментальные установки, к которым относятся кавитационные и гидродинамические трубы, сохраняют свое значение и, по-видимому, сохранят его и в будущем при изучении комплексных гидродинамических проблем, таких, например, как взаимодействие движителя и корпуса судна в широком диапазоне чисел кавитации [3]. Входя в состав судостроительных испытательных центров совместно с опытовыми бассейнами, кавитационные и гидродинамические трубы традиционно используются для изучения задач кавитации изолированных движителей, крыльев и тел в потоке [4], а также ряда других задач, которым уделяется все большее внимание в настоящее время, касающихся шумоизлучения, нестационарных сил и давлений при работе движителей в моделируемом потоке за корпусом [5],[6]. Снижение шума и вибраций за последние годы стало одной из приоритетных целей не только для кораблей ВМФ [7],[8], но и для таких судов, как океанографические и сейсмические суда, а также круизные лайнеры [9],[10]. Круг задач, которые в настоящее время решаются в кавитационных и гидродинамических трубах, и для исследования которых такого рода установки являются уникальным экспериментальным средством, существенно расширился. Расширение номенклатуры проводимых испытаний ставит новые требования к этим установкам (предельно низкие уровни турбулентности потока и фонового шума в рабочем участке, увеличенные для испытаний движителя за макетом корпуса размеры рабочего участка, низкие значения чисел кавитации, соответствующие высоким скоростям движения) и делает актуальной задачу их проектирования. Ведущие судостроительные испытательные центры, такие как бассейн Давида Тейлора CDNSWC в США, Гамбургский бассейн HSVA в Германии, Парижский бассейн во Франции построили и ввели в эксплуатацию в 90-е годы XX века такие установки, несмотря на то, что уже располагают в своем составе целым рядом построенных ранее кавитационных труб различного назначения. На рубеже XXI века их примеру последовал Китайский центр CSSRC. Однако, характеристики последней установки оказались существенно хуже. Правильный выбор элементов трубы обеспечивает соответствие установки заданным требованиям, и во многих случаях оправданными являются экспериментальные исследования отдельных элементов установки на крупномасштабных макетах в стадии проектирования [И], [12] и даже постройка полной уменьшенной копии проектируемой установки сравнительно большого масштаба. Однако и такие достаточно затратные методы, используемые при проектировании, не позволяют только на основании модельных испытаний предсказать основные характеристики вновь создаваемой установки, поскольку ряд важных параметров на моделях не может быть воспроизведен в полном соответствии с требованиями натурной установки: это и числа Рейнольдса для всех элементов проточного канала, и масштаб и степень турбулентности, и амплитудно-частотные акустические характеристики, и кавитационные характеристики, которые воспроизводятся лишь с учетом масштабного эффекта. По этой причине достаточно часто авторы для создания новой установки используют наиболее удачные существующие натурные прототипы, например [13]. Однако, как показывает в полной мере указанный пример [13], использование даже очень удачных прототипов, каковыми для Кавитационнои трубы CLCC Китайского научно-исследовательского судостроительного центра CSSRC послужили большая кавитационная труба HYKAT Гамбурского центра HSVA и большая кавитационная труба LCC Тейлоровского центра CDNSWC в Мемфисе, не гарантирует повторения столь же высоких, как и для прототипов, качеств в новой установке.
Без понимания влияния различных факторов на конечный результат, в отсутствии анализа и систематизации данных по проектированию различных элементов и кавитационнои трубы в целом, при недостаточно полной формулировке требований к параметрам потока в рабочем участке и определении приоритетности требований, и, наконец, в отсутствии метода проектирования установки, учитывающего все перечисленные моменты, положительный результат не может быть в полной мере достигнут при создании проекта новой установки.
Существуют лишь обобщенные представления о проектировании элементов установки, детально взаимосвязь отдельных проектных решений и их влияние на параметры потока в рабочем участке" изучены недостаточно, а отдельные аспекты при проектировании не учитываются. В частности, требования к фоновому шуму не принимаются в расчет при проектировании. Как следствие, при выборе элементов системы управления турбулентностью потока не учитывается влияние на уровни фонового в рабочем участке. Частота вращения и диаметр импеллера выбираются отличными от оптимальных по кавитационным характеристикам, в результате чего, как правило, кавитация импеллера ограничивает диапазон режимов испытаний установки. Необходимость увеличения размеров рабочего участка входит в противоречие с требованием получения низких чисел кавитации в используемых конструкциях кавитационных труб с симметричной формой конфузорного участка. Таким образом, необходимо рассмотрение нетрадиционных технических решений в отношении основных элементов, оказывающих влияние на характеристики установки: рабочего участка, конфузора, диффузора, поворотных колен, импеллерного насоса и элементов системы управления турбулентностью потока. Такая задача может быть решена на основании комплексного метода гидродинамического проектирования, учитывающего все перечисленные требования и позволяющего осуществлять прогноз выходных параметров и поиск оптимальных решений.
Целью работы являлась разработка метода гидродинамического проектирования, обеспечивающего создание универсальных кавитационных труб для нужд судостроения, отвечающих современным требованиям.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи: анализ номенклатуры и условий проведения экспериментальных исследований, проводимых в кавитационных трубах в обеспечение проектирования судов и кораблей, и определение необходимых требований к установкам для проведения испытаний;
систематизация и анализ данных по проектированию различных элементов установок, оценка достоверности используемых методов на основе применения к действующим установкам с известными характеристиками и полученных новых экспериментальных данных, разработка новых методов и технических решений, обеспечивающих достижение заданных требований;
апробация разработанных положений при рабочем проектировании универсальной кавитационной трубы: определение эффективности разработанных технических решений, достоверности прогнозирования натурных характеристик установки и уточнение разработанных положений по результатам натурных испытаний.
Для решения поставленных задач в работе использованы экспериментальные, аналитические и численные методы решений. Проведены модельные испытания на этапе разработки технического проекта и натурные испытания в процессе эксплуатации построенной установки.
В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты: - установлена зависимость уровней фонового шума в рабочем участке установки от ее основных параметров, позволяющая определить вклад отдельных гидродинамических источников и осуществлять прогноз ожидаемых уровней на ранней стадии проектирования кавитационной трубы;
получены оригинальные технические решения в отношении основных элементов, обеспечивающих спецификационные характеристики установки. В частности, произведен расчет формы конфузорного участка, обеспечивающей наилучшие кавитационные качества при любых абсолютных размерах, не достижимые при традиционно используемых формах. Оптимизированы по кавитационным характеристикам и величине гидравлических потерь параметры диффузорного участка осі и пі. Расчитана конструкция хонейкомба с параметрами, обеспечивающими необходимую редукцию турбулентности потока до 0.1-5-0.2%-в рабочем участке при незначительных гидравлических потерях. Определены оптимальные параметры импеллера, диаметр и частота вращения, обеспечивающие наиболее высокие кавитационные качества в сравнении с наилучшими известными прототипами; - произведена натурная проверка результатов выполненных модельных испытаний и расчетов.
В итоге разработан и апробирован комплексный метод гидродинамического проектирования кавитационных труб насосного типа, обеспечивающий решение всех проектных задач при разработке установки с характеристиками, отвечающими потребностям судостроения на современном этапе (максимальная скорость V0 потока в рабочем участке не менее 15м/с, фоновый шум на скорости V0=6M/C В рабочем участке не более 90дБ в третьоктавной полосе частот, неоднородность потока не более 0.5%, турбулентность 0. К0.2%, минимальное число gh кавитации на оси рабочего участка с высотой сечения 2h0 не более ——). о На базе результатов, полученных в настоящей работе, разрабатывался рабочий проект универсальной кавитационной трубы Индийского испытательного центра, удовлетворяющей заданным требованиям и имеющей высокие спецификационные параметры. Установка введена в эксплуатацию в 2001 году. Натурные испытания установки подтвердили эффективность разработанных решений и достоверность методов прогноза ожидаемых характеристик. Результаты работы также использовались при разработке ряда эскизных проектов по запросам Заказчиков.
Методы гидродинамического проектирования элементов установки
Номенклатура решаемых экспериментальных задач определяет требования к потоку в рабочем участке. Соблюдение всех критериев моделирования, требуемых при проведении испытаний кавитирующего движителя, взаимодействующего с корпусом, не представляется возможным, поскольку они не все согласуются между собой. Имеющиеся систематические результаты исследований кавитационных явлений в различных установках показывают, что на установках со свободной поверхностью, где имеется возможность моделирования по числу Фруда( Fn), результаты оказываются не согласованными с натурными данными ввиду значительного масштабного эффекта, вызванного малыми значениями скоростей обтекания корпуса и движителя. Хотя закрытый рабочий участок не дает возможности моделирования волнообразования на поверхности, масштабные эффекты, тем не менее, могут быть сведены к минимуму за счет испытаний при высоких числах Рейнольдса Rn.
При испытаниях надводных судов в закрытом рабочем участке даже при малых коэффициентах загрузки сечения рабочего участка невозможно избавиться от влияния стенок. Течение жидкости вблизи экрана, заменяющего свободную поверхность, вносит значительную погрешность в измеряемую величину сопротивления независимо от того, закреплен ли экран на испытываемой модели или он составляет часть верхней стенки рабочего участка. Поэтому истинное значение сопротивления не может быть получено в такой установке для использования в расчетах ходкости. Однако полученная величина может быть использована при определении коэффициентов взаимодействия с корпусом как некавитирующего, так и кавитирующего движителя.
В то же время, высокие значения Rn позволяют снизить масштабные эффекты при всех видах испытаний по измерению кавитации и шума. Поскольку движитель является наиболее критичным элементом как надводного, так и подводного корабля с точки зрения шума, кавитации и вызванных ей явлений, то выбор параметров течения в рабочем участке следует осуществлять, рассматривая условия работы испытываемых движителей. Опираясь на систематические исследования по корреляции модельных и натурных данных, следует принять ([19] или [35]), что в модельных испытаниях в КТ как и в опытовых бассейнах, должно быть обеспечено v где VA - скорость набегающего потока, С0 7 - длина хорды на 0.7R, J - значение поступи, V - коэффициент кинематической вязкости. В то же время во многих построенных ранее и успешно эксплуатируемых кавитационных трубах при испытаниях обеспечиваются значительно более низкие значения Rn вставляющие порядка 0.5-106. Формальным обоснованием допустимости использования результатов, полученных в этих условиях, считается тот факт, что для большинства этих установок степень турбулентности потока в рабочем участке є0 составляет около 1%, что значительно выше, чем в бассейнах или в натурных условиях. Известно, что повышенная степень турбулентности потока значительно снижает число Rn, соответствующее переходу в пограничном слое от ламинарного режима течения к турбулентному [40]. Это способствует тому, что уже при числах Rn от 0.5-106 и выше безразмерные интегральные характеристики гребного винта, также как и коэффициент упора и коэффициент момента становятся независимыми от числа Rn. Во всяком случае, для рабочих сечений модели винта удается избежать отрывных явлений, приводящих к кризису сопротивления. Несоответствие в корневых сечениях, где при таком моделировании число Rn падает до опасных кризисных пределов, не может оказывать заметного влияния на кривые действия гребного винта вследствие малой доли, вносимой этими сечениями в суммарные характеристики.
Однако при моделировании таких явлений, как нестационарное взаимодействие движителя с корпусом, когда локальные характеристики имеют ту же степень важности, что и интегральные, следует стремиться максимально приблизить модельные Rn к натурным или, по крайней мере, выполнять условие (1). Это тем более необходимо в том случае, когда установки с обращенным движением проектируются таким образом, чтобы степень турбулентности потока в рабочем участке была значительно ниже 1%, что необходимо для обеспечения низких уровней фонового шума в рабочем участке. В современных установках используются системы регулирования турбулентности, позволяющие достичь гкО.1%, что приближает их по этому параметру к условиям испытаний в бассейнах и в натуре. Обобщая сказанное, следует принять необходимым обеспечение в универсальной кавитационной трубе условия Rn0 7 5 106.
Следует оговориться, что при испытаниях движителя за корпусом локальные характеристики и динамика их изменения не могут быть полностью смоделированы не только по причине недостаточно высоких чисел Rn, но и из-за невозможности одновременного моделирования по числу Fn испытываемой модели. Необходимость выполнения последнего привела бы к неприемлемому росту размеров рабочего участка. Поэтому, например, при кавитационных испытаниях движителя за корпусом динамикой изменения числа кавитации вследствие переменности гидростатического давления в точке на лопасти за оборот гребного винта вынужденно пренебрегают, проводя испытания на модели при постоянном во времени числе кавитации, соответствующем натурному значению в верхнем положении лопасти, наиболее близком к поверхности.
Необходимо иметь ввиду, что размер модели гребного винта нецелесообразно рассматривать меньшим 0.2 м, поскольку при меньших размерах сложно обеспечить приемлемую точность обработки моделей. Относительная ширина лопасти Со.7 составляет примерно 0.25 -4- 0.5 величины диаметра гребного винта. Рассмотрение указанных условий позволяет сделать вывод, что при диаметрах испытываемых движителей от 0.25 м следует иметь возможность получать в рабочем участке скорость 15 18 м/с.
При масштабах испытываемых моделей, лежащих в диапазоне приблизительно от 25:1 до 10:1 это приводит к требованию использовать при испытаниях модель корпуса длиной приблизительно 6-г 12 м, что соответствует масштабам и размерам моделей, испытываемых в опытовом бассейне. Таким образом, одни и те же модели могут быть использованы для испытаний в трубе и в бассейне, что помимо экономии средств на подготовку эксперимента, снижает погрешность при использовании результатов испытантий, полученных на разных установках в случае использования отличных моделей. Принимая во внимание размер испытываемых моделей, длина рабочего участка должна составлять порядка 12 м. Характерная площадь поперечного сечения испытываемой модели указанных размеров составляет 0.2 -f- 0.4 м2. Учитывая, что согласно рекомендациям МКОБ [3] загрузка сечения не должна превышать 10%, площадь поперечного сечения рабочего участка должна составлять порядка 4 м..
Проектирование диффузора. Определение оптимальной величины угла расширения и коэффициента раскрытия, рекомендации для выбора формы
Действие диффузора, как гидравлического устройства, состоит в торможении потока и восстановлении статического давления, при этом указанная функция должна осуществляться при выполнении условия минимизации гидравлических потерь.
Применение диффузоров в кавитационных трубах замкнутого типа обеспечивает решение следующих задач:
1. Повышение давления и снижение скорости потока в тех участках канала трубы, где имеется опасность возникновения кавитации.
2. Снижение скорости потока в диске импеллерного насоса трубы для обеспечения оптимального режима его работы по коэффициенту полезного действия и по отдалению кавитации.
3. Снижение скорости потока в возможно большей части обратного канала для уменьшения гидравлических потерь, а также для увеличения времени воздействия и величин повышенного давления, способствующих улучшению растворительной способности обратного канала трубы.
Собственно диффузор представляет собой коническую трубу с постоянным, как правило, по длине углом расширения аь Диффузоры с криволинейной образующей применяются для плавного сопряжения рабочего участка с коническим диффузором.
Гидравлические потери в диффузоре складываются из потерь на трение и потерь давления, связанных с расширением потока, составляющих приблизительно равные части общего сопротивления диффузора при обычно применяемых углах расширения.
Большинство диффузоров кавитационной трубы работает в ненапряженных условиях, при значительно более низких скоростях потока и высоких числах кавитации, чем в рабочем участке. Исключением к сказанному является главный диффузор с участком сопряжения, располагающийся между рабочим участком и первым поворотным коленом. Здесь скорость потока и число кавитации на входе в участок сопряжения такие же, как ив рабочем участке, поэтому важно обеспечить безотрывное обтекание и отсутствие кавитации на элементах участка сопряжения и диффузора. Для выполнения этих условий должно быть обеспечено плавное сопряжение участков за счет криволинейной формы участка сопряжения. Для того, чтобы избежать кавитации на стенках участка сопряжения и диффузора, требуется, чтобы давление на стенке Рст было больше, чем давление упругости паров воды P j. Наиболее опасной в отношении кавитации является верхняя стенка. Криволинейность поверхности вызывает дополнительное понижение давления, пропорциональное, в первом приближении, кривизне. По указанным причинам наличие ненулевой кривизны на верхней стенке входного сечения участка сопряжения уменьшает запас по кавитации этого участка относительно рабочего участка и является нежелательным. Этого не избежать, если в конструкции трубы предусматривать симметричный относительно оси рабочего участка диффузор и участок сопряжения. Наиболее безопасным по кавитации должен быть диффузор с плоской верхней стенкой, являющейся продолжением верхней стенки рабочего участка. Общая длина главного диффузора (вместе с переходным участком) определяется из следующих соображений: при выбранном значении угла расширения, определенном по условиям безотрывного обтекания, диффузор должен обеспечить такое увеличение площади поперечного сечения, которое позволяет восстановить давление на участке до первого поворотного колена в достаточной степени, чтобы избежать кавитации в зонах местных разрежений, неизбежных в поворотном колене.
Поскольку величина возникающих разрежений зависит от конструкции колена, то выбор длины диффузора связан с выбором элементов колена, следующего за диффузором (Гое колено). Конструкция колена кавитационной трубы может представлять собой изогнутый по большому радиусу трубопровод с установленными внутри него одним или несколькими, изогнутыми также с большим радиусом, листами, направляющими поток. В современных конструкциях кавитационных труб используются также колена, имеющие плоскую решетку профилей, как правило, с постоянным шагом. Последняя конструкция наиболее целесообразна для выполнения основного назначения, заключающегося в повороте потока, поскольку позволяет распределить силу, вызывающую этот поворот, по всему объему потока (обратная реакция подъемных сил на профилях решетки).
Учитывая, что для поворотной лопатки характерна величина коэффициента разрежения 2- 3 при условии, что количество лопаток выбрано по условию Т/с « 0,5 (Т -шаг решетки, с - ширина лопасти) соответствующему минимальным гидравлическим потерям. При этом толщина лопаток 8, отнесенная к шагу решетки, может быть принята -0,3 [19]. Условие отсутствия кавитации поворотных лопаток дает минимальную величину степени расширения диффузора П! [19] как функцию выбранного угла расширения осі и перечисленных выше параметров колена:
При проектировании диффузора следует учитывать необходимость обеспечения отсутствия кавитации импеллера. Как показано в [25] неравномерность распределения скорости потока по сечению на выходе диффузора является одной из главных причин, определяющих окружную неравномерность поля скоростей в диске импеллера. В этой связи при проектировании диффузора следует отдавать предпочтение варианту с наиболее симметричным распределением скорости на выходе. И хотя соображение отсутствия кавитации на примьпсающих к рабочему участку элементах - конфузоре и диффузоре диктует, как бьшо показано на примере конфузора, необходимость применения горизонтальной неискривленной верхней стенки, необходимо рассмотреть и другие варианты диффузора (симметричный и, возможно, с горизонтальной нижней стенкой) по соображениям получения наиболее симметричного профиля скорости на выходе. Угол раскрытия диффузора должен обеспечивать безотрывность обтекания на всей его длине, которая, в свою очередь должна выбираться достаточной для снижения обеспечения условий отсутствия кавитации первого поворотного колена.
В трубе постоянного сечения, имеющей плавный входной конфузор, профиль скорости, практически равномерный во входном сечении, претерпевает изменения за счет развития пограничного слоя на стенках и на достаточно большом удалении от начала трубы приобретает неизменный вид так называемого «стабилизированного профиля», описываемого параболической или степенной зависимостью (в зависимости от Rn)
В диффузорах формирование «стабилизированного профиля» происходит более интенсивно. Длина начального участка, на котором происходит размывание однородного ядра потока и завершение смыкания пограничного слоя, тем меньше, чем больше угол раскрытия диффузора. Сам профиль скорости в конце этого участка более неравномерный для больших углов раскрытия в диффузоре (см. рисунок 24). Рассматривая различные диффузоры следует сравнивать их при одном значении раскрытия, представляющем собой отношение площади выходного сечения к входному п — Z-L .
Рекомендации к проектированию элементов кавитационной трубы с учетом необходимости уменьшения неоднородности поля скоростей в диске импеллера
Ошибочное определение гидравлических потерь на стадии разработки проекта, выявленное уже в процессе натурных испытаний, может повлечь за собой необходимость перепроектирования всей насосной установки, включающей электродвигатель импеллерного насоса и собственно импеллер. В этой связи важным вопросом является выбор корректного метода определения гидравлических потерь. Существующие расчетные методы, применяемые к определению гидродинамического сопротивления, не являются достаточно надежными. Так, например, при проектировании трубы Гамбургского бассейна HYKAT выполнялись расчеты течения с использованием модели вязкой жидкости Навье-Стокса, которая уточнялась и отрабатывалась на специально созданной физической модели проточного канала трубы (аэродинамической), имеющей масштаб 1:5 по отношению к натурной установке. Затем она использовалась для выполнения расчетов при значениях параметров течения равных натурным значениям. Как показали натурные испытания, ошибка в определении ожидаемых гидравлических потерь установки оказалась весьма значительной (до 30% по данным [34]). Последнее привело к тому, что выбранный электродвигатель оказался избыточным по мощности, а импеллер пришлось использовать, установив шаг, отличный от проектного и не пришлось перепроектировать только благодаря тому, что изменение шага было предусмотрено конструкцией по иным причинам. В то же время в трубе Тейлоровского бассейна LCC, имеющей очень схожую конструкцию, но несколько большие размеры и коэффициент поджатия, прогнозируемая величина потерь была фактически подтверждена испытаниями. Прямое использование модельных данных для случая течения внутри каналов также невозможно без пересчета, в первую очередь, из-за отличия чисел Рейнольдса модели и натуры. Кроме того, устоявшейся практики использования и методики пересчета с модельных условий на натурные для такого рода установок не существует. Наиболее надежным представляется использование систематических данных по определению гидравлических потерь отдельных типовых элементов, составляющих гидравлический тракт, с их последующим суммированием для определения общего коэффициента потерь трубы. Гидравлические потери принято характеризовать коэффициентом потерь д представляющим собой отношение величины потерь к скоростному напору в сечении с наибольшей скоростью. В соответствии с принципом наложения коэффициент потерь для каждого из участков представляется в виде суммы коэффициента потерь трения д и коэффициента местных потерь дм. Коэффициент потерь трения зависит от шероховатости стенок и протяженности выбранного участка. Коэффициент местных потерь, возникающих из-за нарушения нормального течения потока при обтекании препятствий, отрыве от стенки и вихреобразовании, определяется формой выбранного участка. Для определения д и дм могут быть использованы систематизированные данные по гидравлическим потерям отдельных элементов [36].
Проектирование конфузора, хонейкомба, рабочего участка ведется исходя из обеспечения заданных параметров течения в рабочем участке. Далее можно в нулевом приближении оценить гидравлические потери всей трубы по формуле, предложенной в [19] в зависимости только от выбранного поджатая конфузора По: (52)
Используя определенное таким образом ориентировочное значение коэффициента гидравлических потерь, можно выбрать в первом приближении диаметр импеллера по принципам, изложенным в разделе 2.2.7.3. Выбранный диаметр импеллера является определяющим размером для обратного канала. Далее, используя принципы, изложенные в разделах 2.2.4 и 2.2.5, следует выбрать форму и размеры диффузора и поворотных колен. После этого следует выполнить детальный расчет гидравлических потерь в первом приближении и вновь уточнить диаметр импеллера и, соответственно, примыкающих к нему участков. Последующие изменения, которые могут быть внесены в размеры отдельных участков, учитываются изменением их коэффициентов потерь, как отдельных арифметических слагаемых общего коэффициента потерь, при этом соответствующим образом может уточняться оптимальный диаметр импеллера.
При возможности, если конструкция вновь создаваемой установки является близкой к существующим прототипам, для которых имеются данные натурных испытаний, целесообразно оценить возможную погрешность используемых для расчета формул, выполнив контрольный расчет для этих прототипов и сравнив с имеющимися фактическими данными. Применительно к обсуждаемой в настоящей работе конструкции универсальной навигационной трубы, наиболее близкими прототипами являются кавитационные трубы HYKAT, LCC, КТ ИИЦ. В конце настоящего параграфа приведены результаты расчета для этих установок, выполненные с использованием данных [34] и формул и данных [36]. Как видно из сравнения полученные результаты достаточно близки к фактическим данным (погрешность не превышает 10 %).
Степень турбулентности и неоднородности потока в рабочем участке трубы КТ ИИЦ
Эксплуатационные качества кавитационной трубы принято характеризовать паспортной диаграммой эксплуатационных режимов. Применительно к спроектированной с использованием положений настоящей работы кавитационной трубе КТ ИИЦ такая диаграмма приведена на рисунке 66. Приведенная диаграмма характеризует достижимые в данной установке значения основных варьируемых параметров — скорости Vo и давления Ро в рабочем участке. Здесь также приведены заданные требования.
Область допустимых режимов, составляющая полезную площадь диаграммы, ограничена кривыми предельных режимов.
Кривая I соответствует максимальной скорости потока в рабочем участке, обеспечиваемой спроектированной конструкцией импеллера при выбранной мощности электродвигателя или при наличии запаса по мощности- при номинальных оборотах. Как видно из приведенной диаграммы максимальная скорость оказалась близкой к заданной с незначительным превышением. Причиной расхождения является небольшой запас, принятый при расчете расходно-напорной характеристики насоса, а также незначительная неточность в оценке гидравлического сопротивления. Ограничительная линия II , соответствующая минимальной скорости потока, определяется возможностью устойчивого поддержания заданной минимальной скорости системой автоматического регулирования.
Ограничительная линия III соответствует наибольшему давлению, достижимому по условиям прочности корпуса трубы.
Наиболее специфичными для кавитационных труб являются границы допустимых эксплуатационных режимов по характеристикам кавитации различных элементов трубы. Эти границы соответствуют либо началу, либо определенным стадиям развития кавитации в различных участках трубы. В зависимости от места расположения очага кавитации ее последствия в различной степени ограничивают возможность выхода за пределы указанной зоны рабочих режимов.
Анализ большого числа кавитационных труб показывает, что как правило, наиболее критичными по кавитации являются переходные участки от конфузора КТ к рабочему участку и от рабочего участка к диффузору, где при максимальных в пределах трубы значениях скорости потока значения давления в потоке наименьшие. Вследствие этого, даже незначительные разрежения на стенках трубы, возникающие при обтекании криволинейной поверхности стенок в указанных зонах, могут приводить к возникновению кавитации на стенках. Этому явлению соответствует ограничительная кривая IV. Выйти за пределы указанной границы при возникновении такого вида кавитации практически невозможно, поскольку при достижении в этих участках давления паров воды дальнейшее снижение давления приводит к запиранию потока. Применение несимметричной конструкции конфузора и диффузора с плоской верхней стенкой и их рациональное проектирование может позволить сместить эту границу за пределы ограничительной линии, вызванной кавитацией самого рабочего участка. При проектировании трубы КТ ИИЦ по технологическим соображениям диффузор был сделан с отклонением от рекомендаций настоящей работы: верхняя стенка не была горизонтальной, а имела угол наклона примерно один градус и образующая диффузора была криволинейной в пределах переходного участка, стыкующегося с рабочим участком. Данное обстоятельство привело, как показали испытания на гидродинамической модели верхней части проточного канала, к возникновению кавитации на верхней стенке в начальной части диффузора раньше, чем в рабочем участке. Это проявилось и при проведении натурных испытаний, что привело к некоторому отклонению линии IV от заданной требованиями в сторону сужения площади диаграммы рабочих режимов. Второе обстоятельство, являющееся причиной указанного отличия, - не учет при задании значений минимально достижимого числа кавитации в рабочем участке гидростатического давления столба жидкости в камере над рабочим участком (то есть задание требований, в принципе не выполнимых в такой компоновке). Ограничительная линия V соответствует кавитации поворотных колен, точнее первого поворотного колена, работающего в наиболее неблагоприятных условиях. Достижение режимов за пределами этой кривой принципиально возможно, но сопровождается значительным увеличением шума, может приводить к появлению вызванных этой формой кавитации пузырьков воздуха в рабочем участке и повышенным возмущениям потока, поэтому целесообразно всемерно отдалять это явление. Благодаря рациональному проектированию диффузора и поворотного колена оказалось возможным сместить и эту границу за пределы других ограничительных линий, чему способствовало применение протяженного диффузора с максимально допустимым расширением, позволяющего значительно увеличить давление и снизить скорость на входе в поворотное колено в сравнении с рабочим участком, избегая кавитации в колене раньше чем в рабочем участке.
Импеллер трубы является наиболее напряженным элементом с точки зрения возникновения на нем кавитации, а также ее проявления - кавитационного шума. Поступь, при которой он работает в данной трубе, практически постоянна. Некоторое изменение поступи может происходить при проведении экспериментов на моделях со значительной загрузкой сечения рабочего участка. Однако критическое число кавитации, определенное по скорости и давлению в диске импеллера, слабо зависит от поступи и оказывается постоянной величиной.
В силу различного влияния гидростатического давления по отношению к давлению гидродинамическому числа кавитации в рабочем участке а0 и в секции импеллера ai оказываются существенно различными и по различному меняющимися. Поэтому с изменением давления в рабочем участке число кавитации потока а0, построенное по скорости и давлению в рабочем участке, при котором на импеллере начинается кавитация, претерпевает изменения. Это отражает ограничительная линия VI, соответствующая началу кавитации импеллера. Успешное проектирование импеллера, в значительной мере определяет эксплуатационные возможности кавитационной трубы, обеспечивая низкие фоновые значения шума благодаря отсутствию кавитации на импеллере. Как видно из приведенной диаграммы, кавитационные характеристики импеллера оказались лучше заданных требованиями.
Выполнение отдельных видов эксперимента возможно и за пределами ограничений VI вплоть до наступления второй стадии кавитации импеллера.
Помимо кавитации, возникающей на различных элементах КТ, возможно также явление, называемое газовой кавитацией потока, характеризующееся непрерывным ростом количества и размеров газовых пузырьков в потоке трубы, наблюдаемых в районе ее рабочего участка. На диаграмме рабочих режимов кавитационной трубы семейство линий a/as=const обозначено VI. Как говорилось, высота кавитационной трубы КТ ИИЦ не являлась достаточной, чтобы семейство линий oc/as=const могло оказаться за пределами диаграммы, поэтому имеются некоторые ограничения для достижения низких чисел кавитации на малых скоростях.
