Введение к работе
Актуальность проблеми. Турбины.мощностью от десятков ватт до нескольких киловатт и диаметром до 100 ми, называемые обычно микротурбпнэми (LIT) широко применяются в качестве приводных двигателей в энергоузлах космических и подводных аппаратов, в бортовых источниках питания и системах ориентации ракет, в гелиевых и водородных турбодетандерах, в агрегатах наддува ДВС, в пневиоинструненте и других высоко оборотных механизмах. Несмотря на малые величині мощности, требования высокой эффективности предъявляются к LIT практически во всех указанных выше областях их применения. В ряде случаев достаточно высокий уровень к.п.д. таких турбин является необходимым условием работоспособности всей установки в целом (например, в криогенных турбодетандерах, в энергетических установках космических аппаратов, в некоторых видах пневмоинструмента). Большое значение повышение к.п.д. МТ имеет для агрегатов массового применения, особенно неавтономных (работающих от внесшего источника скатого газа),вследствие значительного влияния гидравлических характеристик подводящей оис-темы на параметры турбопривода в целом.
К характерным особенностям МТ можно отнести малые величины мощности и объемного расхода газа, малую относительную выооту и большую окружную протяженность сопловых я рабочих лопаток, большие относительные радіальнне и осевые зазоры в ступени, налу» величину скоростной характеристики U/Coi . Отмеченные факторы обусловливают существенные отличия рабочего процесса в Ш по сравнению с,большими турбинами, а такнсе пониженную эффективность малоразмерной ступени.
К настоящему времени различными исследователями накоплен большой теоретический и экспериментальный материал, позволивший им провести определенные обобщения и сформулировать некоторые общие принципы оценки эффективности малоразмерных турбоприводов уке на стадии их проектирования. Однако ряд вопросов, связанных в первую очередь с изучением физической картины течения в иикроре-иетках, включая расчетные и экспериментальные исследования распределения локальных параметров в меклопаточних каналах, изучен явно недостаточно. Слабо развита методология исследований аэродинамических характеристик лопаточных решеток МТ, противоречивы известные данные о потерях в СА и РК, не разработана физически обоснованная система представлений о механизме их возникновения.
Наблюдается определенная методологическая разобщенность известных подходов к определению потерь от парциальное ти и, соот- ветственно, значительные расхождения результатов экспериментальных исследований. Отсутствует систематизация на уровне обобщений в виде логически сформированных принципов построения неавтономных турбоприводов.
Sto обусловливает актуальность дальнейших экспериментально-теоретических разработок комплексной проблемы создания эффективных малоразмерных турбоприводов различного назначения.
Целью диссертации является разработка основ построения неавтономных турбоприводов на базе синтеза высокоэффективных МТ различных кинематических схем. Для реализации поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
создать комплексную методологию исследований, направленную на изучение физической картины течений в микрорешетках, включающую совокупность экспериментальных, численных и визуальных методов исследований;
сформировать принципы построения профилей и решеток, создать на их основе типоразмерные ряда высокоэффективных кольцевых решеток СА, РК и ступеней МТ исследуемого класса;
разработать математические модели решеток СА и РК для созданных типоразмерных рядов малоразмерных ступеней;
разработать зависимости для потерь от парциальноети, отражающие влияние основных определяющих параметров на вентиляционные и краевые потери, выработать подходы к их снижению;
разработать принципы согласования параметров неавтономных турбоприводов с характеристиками подводящей оистемы и нагрузочных устройств.
Научная новизна. Диссертационная работа содержит совокупность ооновных научных полонений, выводов, предлоаений и рекомендаций, полученных в результате проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований типоразмерных рядов сопловых и рабочих решеток исследуемого класса ступеней МТ и турбоприводов в целом. Научную новизну составили:
- сформированные основы построения неавтономных турбоприво
дов рассматриваемого.класса на базе синтеза высокоэффективных МТ
различных кинематических схем и методов согласования параметров
турбопривода о характеристиками подводящей системы и нагрузоч
ных устройств;
- разработанные математические модели решеток СА и РК ис-
оледуемого типоразмер ного ряда, образованные совокупностью
уравнений регрессии, связывающих аэродинамические характеристи
ки решеток ( %c,JUCi 3 ) с их конструктивными и ре
жимными параметрами;
- комплексная методология исследований ступеней и решеток
МТ, направленная на изучение физической картины течения газа в
проточной части, включающая экспериментальные исследования ре
шеток и ступеней МТ на динамических установках, базирующиеся на
статистических методах математической теории планирования экс
перимента; впервые примененную в МТ ( с целью изучения механиз
ма течения газа в межлопаточных каналах решеток) визуализацию
потока по следам, оставляемым окрашенным газом на профильных по
верхностях и наружной цилиндрической образующей ступени; числен
ные расчеты течений в меклопаточных каналах, основанные на под
ходах метода крупных частиц Белоцерковокого - Давыдова, позво
лившие рассчитывать эпюры распределения локальных параметров по
тока (давлений, скоростей и др.) по меялопаточному каналу и
идентифицировать картины визуализации;
разработанные на основе численных и визуальных исследований течения газа в ступенях МТ принципы построения высокоэффективных решеток МТ, включающие в себя профилирование выходных участков мемопаточных каналов о удлиненными кромками, что позволило устранить отрывы потока от спинки профиля;
полученные на основе комплексных экспериментальных исследований зависимости вентиляционных и краевых потерь от основных определяющих параметрів, которые отражают особенности рабочего процесса в парциальных МТ, выявленные при визуальных исследованиях физических явлений на краях дуги подвода.
Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждена: использованием современных вероятностно-статистических методов планирования и проведения экспериментальных исследований, включающих статистическую обработку экспериментальных данных с оценкой погрешности измерений, однородности дисперсий, адекватности результатов; применением современных методов вычислительной математики, выполнением тестовых расчетов на различных экспериментальных и теоретических моделях; сравнением полученных результатов- с апробированными данными других авторов.
Практическая ценность работы заключается в:
создании на основе проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований широкого класса неавтономных турбоприводов различного назначения, экономичность которых повышена на 20...25^ по сравнению о известными образцами, применяемыми в промышленности;
разработке типоразмершх рядов кольцевых решеток и ступеней исследуемого класса с широким диапазоном конструктивных и регииных параметров, охватывающих область их изменения: для СА - ^/^ = 0,09...0,25} ^/2^=0,2...0,525 «1,г* 4... 20; дляРК- 4/<&=0.25...0,75; .^^=0,12...0,244} &г= -6...2бР; по сравнении о решетками, выполненными на оонове традиционных методов проектирования, аэродинамическая эффективность повышена в среднем: для СА на 15.,.20$; для РК на 10...
15%; :
создании обладающих высокой степенью информативности математических моделей лопаточных решеток иооледованного типораэ-мерного ряда, позюлягощих на этапе проектирования (в рамках численного эксперимента) выполнять исследование влияния ооноввых конструктивных и рекимннх параметров ступени на аэродинамические характеристики решеток;
созданном методе согласования параметров неавтономного турбопривода о гидравлическими характеристиками подводящей системы, позволяющем определять максимально достивимую мощность турбины при заданных характеристиках подводящей системы, а танке характеристики подводящей системы, необходимые для обеспечения заданной мощности турбопривода;
разработанных принципах согласования кинематических параметров НТ и нагрузочных устройств, включающих в себя создание специальных схем ступени, позволявших значительно (на 12... 15$ ) повысить к.п.д. в диапазоне U/CU3 « 0,15...0,3; разработку кинематических регуляторов числа оборотов; разработку газодинамических предельных ограничителей частоты вращения холостого хода РЯ турбопривода, позволивших снизить угонную частоту вращения на 15...20% без заметного сникения к.п.д. на номинальных режимах работы;
разработке конструктивных методов совершенствования парциальных МТ на основе специального проектирования проточной части СА и РК, позволивших повысить к.п.д. ступени на 5...20#;
создании комплекса экспериментального оборудования, 4
включающего установку для визуализации потока в проточной части ступени; динамическую установку, позволяющую исследовать характеристики решеток и раздельно определять потери в СА и РК с высокой степенью точности (систематические погрешности не превышают Q,Sfe) непосредственно в условиях работающей ступени;
- разработке специальных кинематических схем двухкоорди-
натных копировалъно-фрезерных устройств для изготовления всех
основных типов НТ (осевых, радиальных, радиалько-осеэых) и соз
дании на их основе-соответствующего технологического оборудова
ния.
Реализация в промышленности. Неавтономные турбоприводы, созданные л результате комплекса проведенных исследований, внедрены в различных отраслях промышленности:
в инструментальном производстве - высокоэффективные пневматические шлифовальные машины; производительность машин повышена в 2...3 раза по сравнению с применяемыми ротационными приводами, при этом чистота обработки повышается на L...Z класса; машины экспонировались на международных и Российских выставках, отмечены дипломами, автор награжден серебряной и бронзовой медалями ВДНХ;
в машиностроении - прецизионные высокооборотные шпиндели, применение в которых малоразмерных турбоприводов
обеспечило повышение точности обработки поверхностей до 0,5 мкм;
- в судостроении - турбохолодильники систем кондициониро
вания воздуха (на судах с газотурбинными установками).
Апробация- работы. Материалы диссертации докладе вались и об-суклались на конференции "Проблемы создания новой техники для освоения шельфа", Горький, 1986 г.; семинарах КТО имени академика А.К .Крылова, Ленинград, 1985 и 1988 гг.; конференции "Повышение эффективности и надежности судовых энергетических установок", Владивосток, 1985 г.; конференции по мккроэнергетике, Куйбышев, 1985 г.; конференции НТО имени академика А.Н.Крылова "Актуальные зздачи теории и прзктики отечественного судостроения", Горький, 1987 г.; секции научного совета ГКНТ по проблеме "Массо-и теплопереноо в технологических процессах", Горький, 1988 г.; конференции по газотурбинным и комбинированным установкам, М., 1991 г.; симпозиуме по трибологии о международным участием,Самара, 1993 г.; сессии по проблемам газовых турбин, Рыбинск, 1993г.;
Международной конференции "Метод крупных частиц: теория и приложения", М., февраль 1994 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более SO работ, в тон числе 15 патентов и авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Дисоертация состоит из введения, пяти глаз, заключения и приложений. Работа содержит 359 страниц основного текста, 282. рисунков, 2 Я таблиц. Список использованных источников включает "*68 наименований. Прилонение представлено на 81 страницах.