Изучение распределения давления на поверхности лопатки

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Лабораторный практикум

для студентов специальности

1-43 01 06 «Энергоэффективные технологии

и энергетический менеджмент»

Минск 2010

УДК [621.65+621.63+621.51] (076.5)

ББК 31.56я7

31.76я7

Э 65

Лабораторный практикум содержит теоретический материал и практические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Энергопреобразующие машины» для студентов специальности 1-43 01 06 «Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент».

Лабораторный практикум составлен в соответствии с учебным планом специальностей и программой дисциплины.

Рекомендован методической комиссией факультета гуманитарного образования и управления и одобрен учебно-методическим управлением БНТУ.

Составитель:

А. Г.Рекс

Рецензенты

В.В.Кузьмич

С.Ю.Яновский

«ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩИЕ МАШИНЫ»

для студентов специальности

1-43 01 06 "Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент"

Составитель:

РЕКС Александр Георгиевич

Формат 60х84 1/16. Бумага тип.№2. Офсет.печать

Усл.печ.л. Тираж 100. Зак.

Издатель: Белорусский национальный технический университет

Лицензия . 220013, Минск, пр. Независимости, 65

Лабораторная работа № 1

Цель работы: Изучить механизм появления усилия, действующего на лопатку турбины. Построить и изучить эпюры давления на поверхности симметричного профиля турбинной лопатки.

Общие сведения

Принцип действия нагнетательных устройств, турбин основан на процессе обмена энергией между газовым либо жидкостным потоком и лопатками устройства. Эффективность работы устройств во многом определяется формой профиля лопаток.

В зависимости от назначения имеется большое разнообразие форм профилей. На рис. 1.1 изображено 3 характерных типа профилей. Форма первого профиля, относительно нетолстого и мало изогнутого, с закругленной передней кромкой, типична для компрессорных и гидротурбинных лопаток. Второй и третий профили, довольно толстые и достаточно изогнутые, характерны для лопаток реактивных и активных ступеней паровых турбин.

Профили лопаток характеризуются следующими основными геометрическими характеристиками: хордой, средней или осевой дугой, максимальной толщиной и вогнутостью.

Хордой называется отрезок b прямой, соединяющей две наиболее удаленные точки профиля А и В (рис. 1.2).

Обычно форма профиля задается относительными координатами и в зависимости от , где – расстояние от носика профиля, отнесенное к длине хорды b, и – ординаты соответственно верхнего и нижнего обводов профиля, отнесенные к длине хорды b.

Средней линией называется геометрическое место точек, равноотстоящих от верхнего и нижнего обвода вдоль направления, перпендикулярного к хорде:

.

Расстояние от верхней до нижней части контура профиля в каком-либо сечении, перпендикулярном к хорде, называется абсолютной толщиной с профиля. Толщина профиля переменна вдоль хорды.

Относительной толщиной профиля называется отношение максимальной толщины к длине хорды .

Отношение максимальной ординаты средней линии к длине хорды называется относительной вогнутостью

.

Как правило, окончательная отработка формы профилей лопаток производится экспериментально.

Описание гидродинамики процесса обтекания профиля лопатки представляет собой сложную задачу и основано на использовании теории решеток профилей.

Пусть направление движения потока идеальной жидкости со скоростью w₀ на большом расстоянии от профиля совпадает с осью ох, давление на бесконечности – р₀ (рис. 1.3). Тогда при обтекании профиля лопатки распределение давлений и скоростей потока на поверхности профиля можно определить на основании уравнения Бернулли

,

где w и p соответственно скорость и давление потока в некоторой точке поверхности профиля. Откуда

.

Величина называется динамическим давлением.

Коэффициентом давления называется безразмерная величина

либо .

Величина коэффициента давления в каждой точке профиля определяется скоростью потока в этой точке. В точке А скорость потока равна нулю и давление в этой точке превышает давление р₀ в потоке на бесконечности на величину (). В области утолщения профиля скорость потока возрастает, коэффициент давления (т. е. разрежение) (см. рис. 1.3). В кормовой части профиля давление вновь увеличивается. При обтекании тела идеальной жидкостью давление в т. В становится равным давлению в т. А.

При обтекании профиля потоком вязкой жидкости или газа существуют потери энергии, обусловленные вязкостью и связанные со срывом вихрей потока с поверхности лопатки. Из-за этого в потоке реальной жидкости давление в точке В меньше, чем в точке А.

Если профиль имеет несимметричную форму либо расположен под углом a к набегающему потоку, то распределение давлений на верхнем (выпуклом) и нижнем (вогнутом) обводах профиля оказывается неодинаковым. Скорость потока на верхней (выпуклой) части профиля больше, чем на нижней (вогнутой). В соответствии с уравнением Бернулли давление на верхней части имеет меньшую величину, чем давление на нижней части профиля.

Несимметричность распределения давления по обводу лопатки приводит к появлению результирующей силы R, воздействующей на лопатку. Эта сила воздействия потока на лопатку определяется суммой всех сил, действующих на каждый элементарный участок поверхности лопатки.

Проекция силы сопротивления R на направление потока среды на бесконечности называется силой лобового сопротивления F_x; проекция силы R на направление, перпендикулярное потоку, называется подъемной силой F_у.

На практике для характеристики профилей вводятся коэффициент подъемной силы С_у , коэффициент сопротивления С_х :

; .

На основании анализа эпюр распределения давления на поверхности профиля можно рассчитать усилие, действующее на этот профиль.

Эпюра давления по обводу профиля строится следующим образом. В масштабе вычерчивается контур профиля с отметкой точек замера давления. Из этих точек замера проводятся перпендикулярно к поверхности профиля линии, длина которых соответствует величине давления р в этих точках. Плавная кривая линия, соединяющая концы отрезков, соответствующих давлениям, называется эпюрой давления по обводу профиля.

Эпюры коэффициента давления на верхней и нижней сторонах симметричного профиля при углах атаки, равных соответственно 0 и 60, представлены на рис. 1.4 и рис. 1.5. Для симметричного профиля при угле атаки a = 0 имеет место симметричное распределение коэффициента давления относительно оси ох. Эпюры распределения коэффициента давления на верхней и нижней сторонах профиля совпадают (рис. 1.4, а и рис. 1.5, а). Результирующая подъемная сила F_x = 0. При увеличении угла атаки симметрия распределения нарушается (рис. 1.4, б и рис. 1.5, б). Резко возрастает разрежение на верхней стороне профиля. За счет этого создается основная часть подъемной силы.

Рис. 1.4

Рис. 1.5

Величина подъемной силы пропорциональна сумме площадей положительной и отрицательной частей эпюр. При дальнейшем увеличении угла атаки подъемная сила возрастает. Однако существует некоторое предельное значение угла атаки, при котором подъемная сила максимальна. При дальнейшем увеличении угла атаки наступает отрыв пограничного слоя, нарушение плавности обтекания профиля на его задней кромке, образование вихревых дорожек в следе, что приводит к быстрому уменьшению подъемной силы.

Уменьшение подъемной силы сопровождается значительным ростом лобового сопротивления. Величина силы лобового сопротивления пропорциональна разности площадей эпюр распределения давления вдоль оси оу. При малых углах атаки удобообтекаемый профиль имеет малый коэффициент сопротивления. При превышении предельного угла атаки наблюдается увеличение лобового сопротивления, что с учетом уменьшения подъемной силы приводит к резкому снижению качества профиля К = С_у/С_х.

Экспериментальная установка

Работа выполняется на аэродинамической трубе 1 (рис. 1.6). Поток воздуха создается осевым вентилятором, электродвигатель которого запитан от источника постоянного тока. Установка необходимой скорости воздуха в рабочей части трубы производится за счет регулирования силы тока питания электродвигателя. В рабочую часть аэродинамической трубы устанавливается исследуемый профиль лопатки 2.

По обводу симметричного и несимметричного профилей выполнены дренажные отверстия для измерения распределения давления вдоль поверхности. Контур симметричного профиля и координаты точек измерения приведены на рис. 1.6, б и в табл. 1.1. Поворотный механизм обеспечивает установку профиля под различными углами атаки. Давление на поверхности лопатки измеряется микроманометром 3, имеющим переключатель на 8 положений.

Рис. 1.6

Таблица 1.1

Точки
		0,12	0,5	0,83	1,0	0,87	0,65	0,35
		0,06	0,09	0,04		-0,03	-0,06	-0,07

Порядок выполнения работы

1. Изучить экспериментальную установку, методики выполнения измерений.

2. Установить в рабочую часть аэродинамической трубы дренированный профиль лопатки под углом атаки a = 0^о.

3. В отсутствие потока воздуха в трубе отметить начальное показание микроманометра l₀.

4. Включить блок питания аэродинамической трубы. Установить необходимое значение скорости воздушного потока в рабочей зоне путем задания тока питания вентилятора аэродинамической трубы.

5. Величину статического давления р₀ принять равным атмосферному давлению (т.е. соответствующему начальному показанию микроманометра).

6. Измерить динамическое давление потока воздуха . Для этого необходимо снять показание микроманометра l в точке 1 при угле атаки a = 0⁰.

7. Измерить давление в контрольных точках поверхности лопатки. Для этого необходимо снять показания микроманометра l при различных положениях переключателя микроманометра. Результаты измерений записать в табл. 1.2.

8. Выполнить измерения при углах атаки a = 0^о, a = 6^о, a = 12^о, a = 18^о.

Таблица 1.2

Угол атаки a	№ точки измерения	Показания микроманометра	р – р0, Па
l0, мм	l, мм
	…

Обработка экспериментальных результатов

1. Вычислить динамическое давление на бесконечности по формуле

,

где r_спирта = 809,5 кг/м³ – плотность спирта в микроманометре ,

l – l₀ – разность показаний микроманометра, м, (в данной формуле l - показание микроманометра в точке 1 при угле атаки a= 0^о).

k – синус угла наклона трубки микроманометра, k = 0,2.

2. Разность давлений р – р₀ в контрольных точках поверхности профиля определить по формуле

,

где l – показание микроманометра в контрольных точках поверхности профиля (м).

3. Вычислить коэффициенты давления в каждой точке профиля.

4. Построить эпюры распределения коэффициента давления вдоль профиля.

5. Проанализировать полученные результаты.

Лабораторная работа № 2