Диссертация (1143937), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Тогда каждому источнику потерь будет соответствовать коэффициентпотерь ζ, а внутренней мощности – внутренняя эффективность ηt-s. Для увеличениядостоверности, в одномерную модель были внесены уточнения по коэффициенту скоростисопла φ по результатам трехмерного численного расчета.Диаграмма включает следующие источники потерь:ζφ – коэффициент потерь процесса расширения в выходном сопле;ζут – коэффициент потерь от утечек рабочего тела через уплотнение;ζc2 – коэффициент потерь с выходной скоростью;ζтр – коэффициент потерь дискового трения.Для удобства данные, представленные на диаграмме, приводятся также в таблице 3.3. Вней указаны также параметры работы сопла ЦбРТ.121Таблица 3.3 – Баланс потерь натурной ЦбРТu2/C00,10,20,40,60,70,8ζφ, %5,36,48,211,915,817,8ζут, %11,611,310,49,18,37,4ζc2, %66,552,736,324,819,215,8ζтр, %ηt-s, %0,50,70,73,36,513,116,129,044,451,050,145,93,003,173,524,154,685,381,321,351,421,521,601,680,970,9720,9630,950,9430,945,66,58,110,312,014,0πсоплаM2wφα2*, град.100%90%80%70%ηt-s60%ζφζтр50%ζc240%ζут30%ηt-s20%10%0%0,10,20,40,60,70,8u2/C0Рисунок 3.13 – Диаграмма потерь и эффективности натурного ЦбРТРассмотрим детально вклад каждого источника потерь в определение эффективностиЦбРТ.
Коэффициент потерь процесса расширения в сопловом аппарате изменяется от примерно5% до 11,9% в диапазоне от 3000 об/мин (u2/С0=0,1) до предельной частоты вращения 16 000об/мин (u2/С0=0,6). При этом, коэффициент скорости сопла φ, оцененный по результатамчисленного моделирования, изменяется от 0,97 до 0,95. Уменьшение φ на 2% приводит к роступотерь в процессе расширения в 2,8 раза и уменьшению внутреннего КПД на 6,6%.
Это122соотносится с результатами, полученными ранее в работе А.С. Наталевича [25], несмотря на то,что кинематика рассматриваемых машин существенным образом отличается. На диаграммепотерь отмечается ускорение роста потерь процесса расширения в сопловом аппарате придостижении u2/С0=0,4.
Очевидно, рост потерь объясняется ростом потерь от нестационарности,которые на данной диаграмме фактически включены в ζφ.Потери дискового трения пропорциональны кубу окружной скорости и в связи с этимпренебрежимо малы до u2/С0=0,4. Затем наблюдается активный рост потерь, составляющих длярежима максимальной эффективности около 3% в общем балансе потерь.Потери с выходной скоростью являются доминирующими во всем диапазоне допустимыхчастот вращения ЦбРТ. Составляя чуть более 60% на расчетном режиме с частотой вращения3000 об/мин, потери с выходной скоростью уменьшаются с увеличением оборотов, чтообъясняется стремлением вектора выходной скорости к положению параллельно оси вращения.Угол выхода потока в абсолютном движении в зависимости от характеристического числаприведен в таблице 3.3.
Как видно, во всем диапазоне допустимых частот углы потока оченьмалы и не превышают 15 градусов для положения максимальной эффективности при u2/С0=0,6.Это связано с высоким перепадом и высокой скоростью на выходе из сопла в относительномдвижении. Достижение оптимального u2/С0 по условию осевого выхода потока очевиднопроисходит при больших скоростях вращения, однако находится в нереализуемой с точкизрения обеспечения статической прочности области. Также, точка оптимума u2/С0 по условиюосевого выхода потока не является оптимальной с точки зрения достижения максимальноговнутреннего КПД из за существенно возрастающих в области u2/С0> 0,4 потерь дисковоготрения и потерь процесса расширения в сопле.Доля потерь от утечки рабочего тела уменьшается с ростом частоты вращения.
Результатявляется закономерным, учитывая рост расхода через каналы ЦбРТ с увеличением u2/С0 ипринятое предположение об отсутствии зависимости расхода утечки от частоты вращения.Путем обобщения вышеизложенного, могут быть выделены следующие основные потериЦбРТ во всем диапазоне частот вращения. Для низких частот вращения определяющимиявляются потери с выходной скоростью и потери с утечками рабочего тела.
Для высоких частотвращения к ним также добавляются потери в процессе расширения в сопле ЦбРТ.С целью увеличения эффективности ЦбРТ таким образом могут быть сформулированытри группы мероприятий:1.Сверхзвуковое профилирование сопла ЦбРТПолученные коэффициенты скорости сопла находятся в диапазоне 0,95…0,97 вдиапазоне допустимых частот вращения и могут быть увеличены.
Как показано в123работах B. Stratford [103], Barber R.E. [63], К.Б. Родина [35], вполне могут бытьреализованы сопла с коэффициентами скорости 0,96…0,98 при высоких числахМаха до 2,5. Анализ баланса потерь показывает, что изменение коэффициентаскорости сопла ЦбРТ на 2% вызывает изменение внутреннего КПД на 6,6%.Тем не менее, целесообразность сложного профилирования сопел ЦбРТ остаетсяоткрытым вопросом. Необходимость технологической простоты машин находитсяв явном противоречии с реализацией сложных сверхзвуковых сопл Лаваля.Решение этого противоречия лежит в экономической плоскости и определяетсябалансом увеличения стоимости производства и увеличения эффективности ДГА.Высокие потери от нестационарности вносят свой склад в низкую эффективностьсопл.
При увеличении скорости истечения из сопла потери ожидаемо вырастут. Всвязи с этим, мероприятия по увеличению эффективности сопл существеннотеряют свой эффект без принятия мер по стабилизации потока в области выхода израбочего колеса и уменьшения нестационарности.2.Использование диффузора для уменьшения потерь с выходной скоростью истабилизации параметров потока на выходе из рабочего колесаВыходнойдиффузортрадиционноиспользуетсявтурбостроениидляиспользования выходной кинетической энергии потока.
В применении к ЦбРТфункция диффузора становится двоякой: помимо восстановления статическогодавления, он помогает стабилизировать параметры потока на выходе из ЦбРТ. Этодостигается за счет плавного изменения скорости течения на выходе из рабочегоколеса и снижения взаимодействия активного и пассивного потоков, характерногодля работы ЦбРТ с выходным патрубком.В применении к ЦбРТ ввиду особенностей течения эффективность диффузорасущественно уменьшается. Данные, представленные в работе Носова, гдеисследовались ЦбРТ с входом потока в радиальном направлении совместно срадиальными безлопаточными диффузорами, показывают КПД диффузора (повыражению 2.25) в диапазоне0,15…0,256.
Для рассматриваемого натурноговарианта ЦбРТ с осевым выходом необходимо проектировать осевой диффузор.Очевидно, его эффективность будет даже несколько ниже вариантов с радиальнымдиффузором ввиду малых углов выхода потока из рабочего колеса в абсолютном6КПД диффузора, выражение (2.24), это доля выходной кинетической энергии, которая может бытьпревращена в потенциальную, т.е. в увеличение располагаемого перепада на колесо124движении и гиперболичности течения в этом случае [18, 19]. Первичная оценкацелесообразности мероприятия по проектированию осевого диффузора длянатурного ЦбРТ может быть выполнена на основе известного баланса потерь.
Знаяколичественные значения потерь мощности и энергии, и задаваясь КПД диффузора0,1 – 0,15, можно оценить возможный прирост внутренней работы и мощности. Нарежиме максимальной эффективности u2/С0=0.6 прирост мощности прогнозируетсяв размере 5…7%, а прирост внутреннего КПД в размере 2,5…3,7%.3.Совершенствование бесконтактных и применение контактных уплотненийдля сокращения расхода утечки рабочего телаДоля потерь от утечки рабочего тела составляет в общем балансе от 9 до 12% вдиапазоне допустимых частот вращения. Такие значения определяются большимперепадом на уплотнение ввиду реактивного типа машины.Совершенствование бесконтактных уплотнений представляется целесообразнымввиду их низкой стоимости и применимости к большим частотам вращения. Длябольшего снижения расхода утечки следует проработать вопрос возможностиприменения контактных уплотнений в составе ЦбРТ.
Важным при этом являетсяобеспечение возможности их работы при высоких частотах вращения.Используя описанный выше подход, легко количественно оценить эффективностьмероприятий по снижению расхода утечки ЦбРТ. Так, при снижении расхода на20% от текущих значений, прирост внутреннего КПД составит до 1.5% на режимемаксимальной эффективности.1253.4.Выводы по Главе 3В данной главе описаны результаты расчетной апробации использования ЦБРТ всоставе ДГА по валидированным методикам одномерного и трехмерного расчета.Получены характеристики ЦбРТ и описаны их характерные особенностиОбоснована нелинейность моментной характеристики и немонотонность кривыхмощности в зависимости от u2/С0.
Определена предельно допустимая частотавращения по условию прочности для базового варианта.Описан режим течения базового варианта натурной ЦбРТ с выходнымпатрубком. Выявлены негативные особенности течения, такие как высокаянестационарностьпроцессанавыходеизрабочегоколесаивысокаянеравномерность режимных параметров, в частности, расхода на выходе.Выполнен анализ основных источников потерь в ЦбРТ во всем диапазонедопустимых частот вращения. Построена диаграмма потерь и эффективности.Количественно оценен вклад всех источников потерь в общий баланс потерь иэффективности ЦбРТ.На основе анализа баланса потерь сформулированы мероприятия подальнейшему совершенствованию ЦбРТ.
Показано, что уменьшение φ сопла на2% приводит к росту потерь в процессе расширения в 2,8 раза в диапазоне0,1 < u2/С0 < 0,6, таким образом, повышение коэффициента скорости сопла можетсущественно увеличить эффективность. Однако усложнение технологическойпроцедурыизготовлениятребуетэкономическогообоснованиявкаждомконкретном случае. Увеличение коэффициента скорости сопла нецелесообразнобез стабилизации течения на выходе из рабочего колеса ввиду существенныхпотерь от нестационарности.Вклад выходного диффузора в увеличение эффективности ЦбРТ оценивается вразмере до 3,5% на режиме максимальной эффективности.Мероприятия по уменьшению расхода утечки являются существенными дляповышения эффективности ЦбРТ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
