Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей (1049253), страница 22
Текст из файла (страница 22)
2.66. Парный вихрь в каналах колеса центробежного насоса Вблизи поверхностей, ограничивающих лопатку цо высоте, скорость течения меньше и повышение давления на корыте лопатки у этих поверхностей также меньше, чем в середине канала. Следовательно, на частицы газа, находящиеся у корыта лопатки вблизи ограничиваюгцих торцевых поверхностей !сечения 11 — !1 и !11 — !!!), в радиальном направлении действует перепад давлений, церемещающий их по направлению к ограничивающим поверхностям.
Из-за неразрывности течения вдоль ограничивающих поверхностей начинается движение пограничного слоя газа от корыта лопатки к спинке. Этот движущийся пограничный слой тормозится основным потоком и набухает вблизи спинки лопатки (см. рис. 2,65, где справа условно показана толщина пограничного слоя). В свою очередь, движущийся вдоль ограничивающей стенки пограничный слой оттесняет пограничный слой на спинке лопатки к середине канала. В результате расширившийся пограничный слой срывается с поверхности спинки в виде двух жгутов. Такой характер движения пограничных слоев приводит к появлению в межлоцаточном канале двух разнонаправленных вихревых течений, называемых парным вихрем. Парный вихрь является паразитиым вихревым течением. Отметим, что рассмотренная картина течения является упрощенной моделью сложного цространственного течения в межлоцаточных каналах и применяется для большей наглядности.
Затрата энергии на эти вихревые течения довольно велика. На рис. 2.65 справа нанесена примерная картина изменения КПД струек ц и угла выхода потока Цй. Наибольшие потери наблюдаются в пограничном слое на спинке лопатки. Так же увеличивается выходной угол потока, что объясняется отрывом пограничного слоя.
Чем меныце высота лопатки и чем больше ее ширина, тем большая часть основного потока занята парным вихрем и тем больше относительная доля потери энергии. 106 Потери иа парный вихрь резко возрастают, когда парные вихри смыкаются между собой. При этом потери начинают зависеть от относительной высоты лопатки. Это наступает при отношении 6,7бп = ! ...
1,5. Вследствие этого короткие лопатки турбин ТНА ЖРД приходится делать достаточно узкими. Потери на парный вихрь связаны с наличием градиента давления поперек межлопаточного канала. Поэтому все факторы, способствующие увеличению перепада давлений па лопатке, одновременно способствуют увеличению потерь на вторичные течении. Такими факторами являются, например, увеличение кривизны профиля, характеризуемой углом 180 — ф,„+ 1),,), шага и положительных углов атаки. В межлопаточных каналах насосов также возникает парный вихрь — паразитное вихревое движение, вызванное влиянием стенок, ограничивающих канал по высоте или по ширине. Кориолисовы силы инерции увеличивают интенсивность парного вихря. На рис. 2.66 показан парный вихрь в поперечном сечении межлопаточного канала центробежного насоса.
Парный вихрь уносится основным потоком. 2. Потери, связанные с перетеканием через радиальный зазор. Характер вторичных течений при наличии радиального зазора усложняется. Газ перетекает через радиальный зазор с корыта, т. е. из полости большего давления, на спинку лопатки 1рис. 2.67). Здесь струи перетекающего газа под действием парного вихря и основного потока закручиваются, образуя непарный вихрь. Целесообразно иметь закрытый радиальный зазор, т. е. применять бандажи для перекрытия межлопаточного канала на периферии 1см. рис. 2.65) и закрытые колеса центробежных насосов. 3. Веерные потери, возникающие в длинных лопаточных венцах в связи с тем, что оптимальный шаг лопаток 1густота) выбирается лишь для какого-либо одного расчетного сечения.
Веерные потери можно снизить, применяя лопатки с переменной хордой, например для осевых машин — с увеличивающейся по радиусу хордой. 4. Потери, связанные с диффузорностью меридионального сечения лопаток. Для плавного очертания проточной части лопаточных машин часто приходится использовать рабочие лопатки с диффузорным меридиоиальным сечением 1рис. 2.68). Введение диффузорности приводит к дополнительным потерям. Продувка неподвижных лопаток показала, что вторичные потери зависят от угла расширения меридионального сечения ).. На рис. 2.68 приведены данные испытаний лопаток с бандажом при Х~ = Х„ = Х, при относительном шаге решетки йй = 0,65; при угле входа 11, = 35; при степени реактивности решетки р = = 0 ...
0,15. Пограничный слой у ограничивающих поверхностей в направлении течения газа вследствие днффузорности утолщается, и возможно отрывное течение. 107 Ьзг а,га а а,а г,а а„гга„ Рис. 2.87. Схема перетекания жид кости (газа) в лопатках без бандажа Рис. 2.68. Зависимость коэффициента вторичных потерь ьят от Ьлгалз при различных углах расширения ыеридионального сечения Х Дополнительные потери — это потери, существующие помимо профильных и концевых. К дополнительным потерям относятся: 1. Потери, связанные с нестационарностью потока. Потери возникают вследствие выравнивания неравномерных полей скоростей и давлений в потоке газа, вытекающего из решетки.
Нарушение осевой симметрии течения в решетках, которое может иметь место при нерасчетных режимах или технологических погрешностях изготовления решеток и при несимметричности подводящих н отводящих каналов приводит к заметному увеличению этих потерь. Рабочая решетка обтекается неравномерным потоком из-за наличия кромочных следов с периодичностью, зависящей от числа направляющих лопаток и частоты вращения рабочего колеса (см. рис. 2.64), что также приводит к потерям энергии. 2. Потери, связанные с враьцением решетки. При вращении могут возникнуть потери от перетекания в рабочей решетке, возникающего под действием инерционных сил, На жидкость, текущую по решетке в относительном движении, действуют центробежная и кориолисова силы инерции.
В осевых машинах кориолисова сила инерции действует в радиальном направлении (см. рис. 2.31), Вращение рабочих лопаток может изменить профильные и вторичные потери ввиду влияния центробежных и кориолисовых сил инерции на пограничный слой. Введем коэффициенты, оценивающие потери в лопаточных решетках. Обычно потери в лопаточных решетках оцениваются отношением полного давления на выходе из решетки к полному давлению на входе в нее, которое называется коэффициентом полного давления и = Роз41Рзз 12.
176) В турбинах потери в решетках принято определять скоростными коэффициентами. В сопловых решетках скоростной коэффи- 108 циент для струйки представляет собой отношение действительной скорости истечения к адиабатпой: ср == с,(с„,. (2.178) В рабочих решетках скоростной коэффициент для струйки— это отношение действительной скорости на выходе к адиабатной: ф !с2 !саад. (2.! 77) При неравномерном' потоке скоростной коэффициент — это отношение осредненной действительной скорости к скорости при отсутствии потерь. Между коэффициентами а и !р или ф имеется следующая связь: ь ! С л, .!з — ьць-» А+!(.
р ) ~ал (2 178) а (~"с,) ь †! ( с,) где и (Х,,„д) = р,(р„, и и (Х,,) =-- р,!рм; а !'Х (2.179) в(х ) А †! ! — — Х ь+! ~а Коэффициент потерь в решетке может быть определен по формуле ~, = 1 — с~!7с„д — — 1 — <р . (2.180) Коэффициент полезного действия решетки Ч=1 ". =т. (2.181) Профильные потери могут быть определены продувкой или проливкой плоских решеток.
Сумма профильных и вторичных потерь для осевых машин определяется продувкой или проливкой кольцевых решеток. Все потери в решетках могут быть определены только путем измерения полей полных давлений на работающей машине, что всегда связано со значительными трудностями. Значение профильных потерь для выбранной решетки турбин определяется по атласам 13 ). Потери в подводах и отводах. Потери в подводящих и отводящих каналах можно свести к двум видам потерь: потерям от трения и потерям от местных сопротивлений. П о т е р и о т т р е н и я в сложных подводящих и отводящих каналах можно определить как потери в трубопроводах произвольной формы путем нахождения потерь в эквивалентном трубопроводе округлого сечения с таким же гидравлическим диаметром, как у каналов.
Гидравлический диаметр находится по известной формуле В, =- 4с'/Г1, (2. 182) где Р— площадь поперечного сечения канала; П вЂ” периметр сечения канала. !09 Тогда потеРи тРениЯ в канале, опРеделЯемые отношением Лро/Р при р = — сопз1 или М ( 0,2 ... 0,4 будут равны ДРо Рос Ры )„1 ссо Р р 0гсо 2 (2.183) где с,р — средняя скорость течения; ( — длина канала; р — средняя плотность; О„,п - — средний гидравлический диаметр.
Для каналов Х зависит от числа Ке и шероховатости стенок канала. При Рте ) 5 1О' (Ке - со Х)„!т) для гладких стенок Х =- ! = 0,316/Ксо' ' и для шероховатых стенок Х = (1,74+ 2 1я 21, ) где й — абсолютная шероховатость. Потери от местных сопротивлений — это потери на местное изменение площадей сечений, потери на смешение струй, потери на поворот потока и потери, сввзанные с диффузностью канала. Например, в центробежных насосах к местным потерям можно отнести потери иа поворот в случае коленообразного или полуспирального подвода и потери на смешение при выходе потока из колеса в спиральный отвод. Потери на местные сопротивления оценивают по общей формуле Ьро'р = $св!2, (2.184) где $ — коэффициент местного сопротивления; с — характерная скорость течения в канале (обычно перед местным сопротивлением).
Конкретные значения коэффициентов местных сопротивлений находят опытным путем. Опытные данные систематизируют в справочниках. Для лопаточиых машин ЖРД коэффициенты местных потерь будут приведены при изложении конкретного материала по насосам и турбинам ЖРД. Оценку потерь в каналах можно производить также с помощью коэффициентов полного давления, см. формулу (2.175). 2.12.2.2. Дисковые потери Потери от дискового трения. При вращении диска колеса лопаточной машины затрачивается дополнительная мощность, назовем ее мощностью дисковых потерь.
Иногда дисковые потери относят к механическим. При вращении диска жидкость (газ) в зазоре также начинает вращаться в результате действия сил трения. Наличие окружной составляющей скорости приводит к появлению радиальных течений жидкости в зазоре. Примерный вид линии тока в меридиональной плоскости радиального колеса показан на рис. 2.69. Эпюра окружных составляющих скорости потока в сечении 7 — I (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
