Методика эксперимента
Методика эксперимента. Стенды и принципы
измерений, обработки и обобщения опытных данных
Моделирование сотовых уплотнений
Задача исследования течения в уплотнениях сотового типа является весьма сложной как с точки зрения происходящего физического процесса, так и математического его описания, поскольку относится к классу задач с пространственными, отрывными течениями.
Аналитическое решение такой задачи выявляет значительные трудности, поскольку требует решения полной системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса. Поэтому задачу по оптимизации геометрических параметров сотового уплотнения приходится решать экспериментально.
В связи со сложностью натурного эксперимента приходится применять модельные установки, используя требования современной теории газодинамического подобия.
Воспроизведение в модели идентичного физического процесса, что и в натурных условиях, весьма проблематично. Очень малые величины радиальных зазоров и ячеек сотового уплотнения обуславливают значительное увеличение геометрических размеров модели. Поэтому влияние пограничного слоя на процесс, протекающий в уплотнении работающей турбины, будет более существенным, чем в увеличенной модели.
Изучение пространственной структуры потока в объеме сотовой ячейки посредством траверсирования соответствующими приборами также вынуждает увеличивать размеры ячейки.
Отметим также, что изучение воздействия нестационарных процессов в пространстве ячейки (пульсации потока, резонансные явления) возможно лишь в границах их качественного влияния на течение в уплотнении.
Рекомендуемые материалы
Считаем, что процессы, воспроизводимые в модели и происходящие в натуре, относятся к одному и тому же классу физических явлений – струйному течению с отрывными явлениями и возможным влиянием пульсационных колебаний газа.
Выбор плоской модели в ряде опытов обусловлен невозможностью моделирования диаметра вала, что привело бы в модели к росту метража. В то же время, как показано в ряде работ, аэродинамические свойства плоской настильной струи вполне совпадают со свойствами струи, движущейся через кольцевую щель с параметрами D/d > 70.
Отметим также, что тождественность краевых условий на плоской модели тоже не соблюдается, так как в натуре одна из стенок уплотнения (поверхность вала) движется. Но, как отмечалось в первой главе, влиянием фактора вращения вала на величину протечки через уплотнение допустимо пренебречь при окружной скорости, характерной для исследованных ступеней.
Основной задачей моделирования сотовых уплотнений является определение их гидродинамического сопротивления, связанного с величиной утечки.
Полная теория подобия требует тождественности критериев Re, M, Pr, Eu, Sh, а также показателя адиабаты k. Практически выполнялось равенство чисел Eu при работе уплотнения в области автомодельности по Re (Re > Reкр = 8700).
Экспериментальные стенды, измерительные схемы и приборы
В наших опытах выбрано направление исследования течения газа в сотовых уплотнениях исходя из его физической сущности, определения пространственной структуры потока в ячейках сот и прилегающем канале.
Экспериментальное оборудование, разработанное и построенное для решения поставленных задач, состоит из стендов, позволяющих исследовать процессы в сотовых уплотнениях как в статических условиях, так и на динамических моделях (в составе турбинной ступени).
Общая схема статической установки для исследования пространственной структуры потока в различных моделях сотовых ячеек и определения расходных характеристик пакетов сотовых уплотнений показана на рис.2-1.
Установка снабжается воздухом от группы вентиляторов типа ВВД-11. В успокоительном ресивере (1), служащем для гашения пульсаций давления и выравнивания поля скоростей на входе в модель, установлены стабилизирующие устройства (2) и (3). Расходомерное сопло (6) Æ40 мм установлено в горизонтальном трубопроводе. Длина прямого участка перед соплом и после него выдержана в соответствии с существующими нормами. Для обеспечения безотрывного входа потока в трубопровод предусмотрен обтекатель (5), расположенный на выходе из ресивера. В экспериментах имела место высокая стабильность заданных параметров (напора и температуры) потока перед моделью.
Рабочие участки установки (7) сменные, соответствующие различным задачам исследования и конструкциям уплотнений.
Измерительная схема (рис.2-1) предусматривает определение температуры воздуха на входе лабораторным ртутным термометром (4), давления до и после мерного сопла, а также давления на входе и выходе из рабочего участка (8) и (9).
Рабочие участки для различных конструкций уплотнений, а также для исследования отдельных элементов сотового уплотнения будут представлены для каждого конкретного случая.
Траверсирование потока в пространстве модели сотовой ячейки производилось при помощи пятиканального полуориентируемого аэродинамического зонда.
Пятиканальный зонд, изготовленный в лаборатории кафедры «Турбины и теплоэнергетика» БГТУ, имеет наружный диаметр приемного насадка 2,4 мм. Многолетний опыт использования пятиканального конического полуориентируемого пневмонасадка в лаборатории показал его хорошие аэродинамические, прочностные и эксплуатационные качества. Поэтому все опыты по траверсированию потока выполнены с применением именно этого прибора.
Пятиканальный зонд использовался также для траверсирования потока за кольцевой решеткой направляющих лопаток с целью определения влияния величины зазора в направляющем аппарате на эффективность работы турбинной ступени. Схема экспериментального стенда для таких исследований представлена на рис.2-3.
Над торцами лопаток установлен передвижной козырек, при помощи которого изменялся радиальный зазор. На козырьке выполнены ребра, которые имитируют промежуточные вставки между дисками ротора турбины. На входе в пакет лопаток измерялось полное давление и температура, а также выполнены обтекатели для плавного входа воздуха в лопатки.
Измерительное сечение на выходе из решетки удалялось от выходных кромок на расстояние 18 мм, где пульсации потока ослаблялись, а градиенты скоростей и давлений не столь резкие. Критерием достаточности этого расстояния служило хорошее совпадение результатов повторных измерений.
Лекция "29 Сырная седмица" также может быть Вам полезна.
Для измерений потока перед решеткой использовалась обычная трубка полного напора. На выходе из решетки использовался пятиканальный зонд, который при помощи специального координатника перемещался в плоскости выходного сечения лопаток.
Конструкция стенда позволяет исследовать поток за направляющим аппаратом при изменяющемся радиальном зазоре для различного конструктивного выполнения торца лопаток, в том числе и для сотового уплотнения.
Экспериментальные исследования сотового уплотнения в составе турбинной ступени проводились на динамическом стенде, представляющем собой модель одноступенчатой газовой турбины.
Исследование пульсационных явлений в канале с сотовой стенкой производилось при помощи измерительного комплекса, включающего малоинерционные датчики давления с преобразователями типа «Сапфир», обеспечивающего непрерывное преобразование избыточного давления в точках пространства сотовой ячейки в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.
Использование усилителя и шлейфового осциллографа позволяло фиксировать на фотопленке амплитудно-частотную характеристику пульсаций давления в ячейке сотового уплотнения.
Экспериментальные исследования, проведенные на статическом аэродинамическом стенде, имели целью сравнение по минимуму расхода теплоносителя различных пакетов сотовых уплотнений разнообразной конструкции при изменении зазора в щелевом канале.
