Введение к работе
Актуальность проблемы. Турбины мощностью от десятков ватт до нескольких киловатт и диаметром до 100 км, называемые обычно малоразмерными, широко применяются в качестве приводных двигателей в энергоузлах космических и подводных аппаратов, в гелиевых и водородных турбодетендерах, в агрегатах наддува ДВС, в пневмоинсг-руыенте и в других высокооборотных механизмах.
Одним из путей повышения к.п.д. таких турбин является совершенствование их проточной части. Однако проектирование сопловых аппаратов (СА) к рабочих колес (РК) затруднено вследст*ке отсутствия универсальных методов расчета и недостаточным объемом экспериментальных данных. Конструкция ступеней малоразмерных турбин (МРТ) имеет ряд специфических особенностей (малый средний диаметр, большая тангенциальная протяженность лопаток, увеличенная относительная толщина кромок и т.д.), что не позволяет распространять на них известные методы проектирования решеток без соответствующей доработки.
Другим путем повышения эффективности МРТ является применение специальных кинематических схем, однако в литературе имеются данные в основном по исследованию только осевых двухвенечшх турбин, а также ступеней с повторным подводом газа, возможности которых ограничены.
Таким образом, исследование основных характеристик МРТ и разработка методов их расчета, рациональный выбор схемы ступени и совершенствование элементов проточной части представляет собой актуальную задачу, имеющую важное практическое значение.
Объектом данного исследования являются ступени осевых МРТ, а также турбины специальных схем.
Целью диссертационной роботы является повышение энергетической эффективности МРТ на основе всестороннего изучения физической картины течения газа в турбине, разработка математической модели течения в решетках РК и поиска конструктивных методов снижения потерь энергии, рационального выбора схемы ступени.
Определены следующие задачи исследования: .
разработка типоразыерного ряда сопловых и рабочих решеток МРТ со сравнительно высокой эффективностью и принципов конструирования турбин рассматриваемого класса;
разработка на основе математической теории эксперимента (ЫТЭ) метода тасчета потерь в лопатках РК;.
- повышение эффективности и надежности МРТ на базе применен^ специальных кинематических схем.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с помощью обобщения результатов других авторов, экспериментального исследования МРТ, теоретического и статистического анализа полученных ребультатов. Планирование и обработка результатов исследований выполнены методами М'1Э, расчеты проводились с применением стандартных программ математического обеспечения.
Научная новизна. I. Разработан метод экспериментального определения интегральных аэродинамических характеристик решеток СА и РК в условиях работающей ступени, обеспечивающий повышенную точность результатов.
-
Применение метода визуализации потока позволило выявить особенности течения газа в межлопаточных каначах турбинных решеток, необходимых для их аэродинамического совершенствования.
-
На основе экспериментальных исследований и визуализации потока разработан ноеый типоразмеркый ряд аэродинамически совершенных профилей СА и РК.
-
Разработана математическая модель для определения коэффициента потерь энергии в рабочем колесе и угла выхода потока.
-
На основе проведенных исследований проведены работы по повышению эффективности и надежности турбопривода путем применения специальных кинематических схем.
Достоверность научных результатов обоснована: статистической обработкой экспериментальных данных с оценкой погрешности измерения и адекватности результатов; сравнением полученных результатов с данными других авторов.
Практическое значение -работы. I. На базе разработанного закона профилирования сопловых и рабочих решеток МРТ спроектирован и изготовлен типоразмерный ряд осевых ступеней с широким диапазоном измерения конструктивных и режимных параметров. Их эффективность по сравнению с традиционными ступенями повышена на величину: ^» I5...20SS.
-
На базе МТЭ получена математическая модель РК малоразмерной ступени для определения коэффициента потерь энергии.
-
Разработана серия ступеней специальных кинематических схем для малогабаритных пневмомапшн,' выпускаемых крупными сериями. Применение таких турбин позволило повысить к.п.д. при Ct/Cujm 0,15... 0,3 на величину &#; = 15...1 при этом параметр М/Сиз . соответствующий холостому ходу, снижен на 30...46.
4. Создан типоразмерный ряд пневмоинструмента, конструкции которого защищены патентами и авторскими свидетельствами.
Личный вклад автора. Все материалы были получены либо автором, либо при его непосредственном участии.
Автор защищает: методологию экспериментальных исследований малоразмерных турбин, полученные результаты, разработанные типо-размерные ряды профилей СА и РК и методы повышения эффективности малоразмерных турбин путем применения специальных кинематических схем.
Реализация в промышленности. Результаты исследований исполь~ зованы в работах по созданию малогабаритных турбомашин. Созданный типоразмерный ряд пневмомашин с турбоприводом внедрен на предприятиях машиностроительного комплекса. Машины экспонировались на международной выставке в Польше, в Лицезионторге, на ЩЩ СССР (автор награвден бронзовой медалью) и внедрены на ПО "/'Машиностроительный завод", ПО "Теплообменник", телевизионном заводе, Ш5 "Шев-тур" Волго-Камском институте технологии судостроения (Н.Новгород), заводе "Контур" (Чебоксары), Арзамасском приборостроительном заводе, Институте сверхтвердых материалов АН Украины (г. Киев).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа", Горький,:.1966 г.; Российской научно-технической конференции "Повышение эффективности и надежности судовых энергетических установок", Владивосток, 1985 г.; научно-технической конференции Волго-Камского правления , НТО имени академика А.Н.Крылова "Актуальные задачи теории и практики отечественного судостроения", Горький, 1987 г.; на заседании секции Научного совета ГШТ СССР "Разработка методов и средств активной диагностики топочного процесса, снижения вредных выбросов в атмосферу и повышения надежности работы энергетических агрегатов", Горький, 1983 г.; Всесоюзной межвузовской конференции по газотурбинным-и комбинированным установкам, М., 1991 г.; Российском симпозиуме по трибологии с мёздународным участием, Самара, 1993 г.; научно-технической сессии по проблемам газовых турбин, Рыбинск, 1993 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 10 статей, получено 8 патентов, авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, , шести глав и заключения. Общий объем работы составляет 20S стра-
ниц, в том числе 163 рисунков, 3 таблиц. Список использованных источников включает 100 наименований.