Экспериментальная установка для исследования газодинамического взаимодействия роторных и статорных лопаточных венцов в осевых турбомашинах

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к испытаниям осевых турбомашин газообразных двигателей и газотурбинных установок. Технической задачей данного технического решения является повышение эффективности проводимых физических экспериментов по исследованию нестационарного течения в трехвенцовой ступени осевой ступени осевого компрессора, содержащей статор-ротор-статор. Технический результат достигается тем, что заявляемая экспериментальная установка для исследования газодинамического взаимодействия роторных и статорных лопаточных венцов в осевых турбомашинах имеет широкую механизацию для изменения геометрических параметров и оснащена измерительными средствами, позволяющими получать пространственно-временную картину течения в турбомашине, при этом установка содержит мерный коллектор расхода воздуха, входной ресивер, компрессор, выходной дроссель, газосборник, приводной электромотор, измерительные приборы, причем компрессор выполнен с цилиндрической проточной частью и содержит систему венцов статор-ротор-статор, при этом лопатки статоров консольно закреплены на втулочном корпусе компрессора, втулочный корпус компрессора содержит проставки, которые формируют переднюю часть втулочного корпуса компрессора, корпус входного статора, диск ротора, корпус выходного статора, и проставки, которые формируют заднюю часть втулочного корпуса компрессора, а в наружном корпусе компрессора, в части расположения венцов ротор-статор выполнено прозрачное окно для выполнения лазерной анемометрии потока. 3 ил.

 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к испытаниям осевых турбомашин газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.

Совершенствование осевых турбомашин газотурбинных двигателей и газотурбинных установок лимитируется проблемами, которые связаны с пульсациями давления в рабочем тракте газотурбинных двигателей, излучаемым ими шумом и потерями, вызванными взаимодействием роторных и статорных лопаточных венцов. Основная причина заключается в том, что недостаточно достоверных экспериментальных данных, которые позволяли бы получать ясное представление о физическом механизме нестационарного взаимодействия последовательно расположенных неподвижных и вращающихся лопаточных венцов в осевой турбомашине и разработке средств контроля и управления нестационарностью течения с целью улучшения газодинамических характеристик турбомашины.

Известно, что в многоступенчатых турбомашинах каждый лопаточный венец работает в условиях нестационарных, периодических возмущений потока на входе и на выходе вследствие следов за лопатками предшествующего венца и потенциальных возмущений, распространяющихся вверх по потоку от лопаток последующего венца. Величины этих возмущений и соответствующий отклик лопаточного венца зависят от осевых зазоров, чисел лопаток и взаимного окружного расположения предшествующего и последующего венцов, Saren, V.E., Some Ways of Reducing Unsteady Blade Loads Due to Blade Row Hydrodynamic Interaction in Axial Flow Turbomachines, Second International Conference EAHE, Pilsen, Czech Republic, 1994, pp.160-165. и Saren, V.E., Relative Position of Two Rows of an Axial Turbomachine and Effects on the Aerodynamics in a Row Placed Between Them, Unsteady Aerodynamics and Aeroelasticity of Turbomachines, Elsevier, 1995, pp.421-425.

Для исследования эффектов нестационарного взаимодействия венцов необходимы специально оборудованные стенды, которые имеют механизацию для изменения геометрических параметров и оснащены измерительными средствами, позволяющими получать пространственно-временную картину течения в турбомашине.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является экспериментальный стенд, Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. "Теория и расчет авиационных лопаточных машин", 2-е изд. перераб. и доп. М., Машиностроение, 1986 г., стр.320-321, предназначенный в основном для проведения технического эксперимента по определению интегральных характеристик турбомашины.

Основным недостатком данного технического решения является то, что данный стенд не имеет широкую механизацию для изменения геометрических параметров и не оснащен измерительными средствами.

Технической задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности проводимых физических экспериментов по исследованию нестационарного течения в трехвенцовой ступени осевого компрессора, содержащей статор-ротор-статор.

Технический результат достигается тем, что заявляемая экспериментальная установка для исследования газодинамического взаимодействия роторных и статорных лопаточных венцов в осевых турбомашинах имеет широкую механизацию для изменения геометрических параметров и оснащена измерительными средствами, позволяющими получать пространственно-временную картину течения в турбомашине, при этом установка содержит мерный коллектор расхода воздуха, входной ресивер, компрессор, выходной дроссель, газосборник, приводной электромотор, измерительные приборы, причем компрессор имеет цилиндрическую проточную часть, содержит систему венцов статор-ротор-статор и втулочную часть, лопатки статорных венцов закреплены на втулочной части компрессора, при этом на ней перед входным статором и за выходным статором установлены проставки, которые формируют переднюю часть втулочного корпуса компрессора и его заднюю часть, причем каждый статор имеет электропривод с дистанционным управлением, фотоэлектрические следящие устройства статоров, размещенные во втулочной части корпуса компрессора, а в наружном корпусе компрессора в зоне расположения венцов ротор-статор, выполнено прозрачное окно для выполнения лазерной анемометрии потока.

На фиг. 1 изображена общая схема экспериментальной установки для исследования газодинамического взаимодействия роторных и статорных лопаточных венцов в осевых турбомашинах.

На фиг.2 схематично изображена трехвенцовая компрессорная ступень экспериментальной установки.

На фиг.3 схематично изображено расположение приемников давления в меридиональном (вверху) и цилиндрическом (внизу) сечениях компрессорной ступени установки.

Общая схема экспериментальной установки для исследования газодинамического взаимодействия роторных и статорных лопаточных венцов в осевых турбомашинах, схематично изображенная на фиг.1, содержит приводной электромотор 1, например, мощностью 800 кВт, промежуточный вал 2, газосборник 3, выходной дроссель 4, исследуемый компрессор 5, входной ресивер 6, входной дроссель 7 и мерный коллектор 8 расхода воздуха.

Компрессор 5 заявляемой экспериментальной установки на фиг.2 и 3 схематично изображен в виде трехвенцовой компрессорной ступени 28, которая состоит из статора 10, являющегося входным направляющим аппаратом, ротора 11, являющегося рабочим колесом, и статора 12, который является выходным направляющим аппаратом, все это представляет собой типичную среднюю ступень дозвукового осевого компрессора с относительным диаметром втулки =0,8, проточная часть которой цилиндрическая, с осевым входом и выходом потока, и имеет расход воздуха G_пр=31 кг/с, а коэффициент напора =0,32. Для размещения большого числа измерительных приборов компрессорная ступень 28 имеет большие размеры, например наружный диаметр D_к=1,2 м, высоты и длины хорд лопаток - 120 мм, максимальные толщины профилей – 12 мм. Для уменьшения потребляемой энергии, повышения надежности работы и измерений нестационарных параметров потока компрессорная ступень 28 имеет относительно низкую частоту вращения, например n_пр=2000 об/мин (окружная скорость U_кпр=125 м/с).

Лопатки статоров 10 и 12 консольно закреплены на втулочном корпусе 27 компрессорной ступени 28, при этом радиальные зазоры между лопатками и периферийным корпусом составляют, например, 0,6 мм. Для изменения взаимного расположения статорных венцов 10 и 12 и измерения окружного (шагового) распределения измеряемых параметров потока статоры 10 и 12 оснащены независимыми электроприводами 13 и 14, фотоэлектрическими системами 15 и 16 для фиксирования окружного положения статоров 10 и 12 и размещены во втулочной части 27 компрессорной ступени 28. Минимальная величина дискретизации окружного положения статоров 10 и 12 составляет, например, 0,5° (1/20 шага лопаток статоров). Изменение осевых зазоров между статором 10 и ротором 11 и между ротором 11 и статором 12 достигается с помощью перестановки со входа на выход (или с выхода на вход) кольцевых проставок 17 и 18, которые формируют втулочную часть 27 компрессорной ступени 28, что позволяет изменять осевые зазоры, например, от 5 до 90 мм у втулки (от 0,05 до 0,95 осевой проекции ротора 11). В исходной сборке компрессорная ступень 28 имеет одинаковые числа лопаток статоров 10 и 12, например Z_ВНА=Z_НА=36 при числе лопаток ротора 11 Z_PK=38. Конструкция компрессорной ступени 28 позволяет изменять число, а также форму лопаток статорных венцов 10 и 12. В наружном корпусе компрессора 5 выполнено прозрачное окно 19, через которое обеспечивается измерение скорости потока внутри и вне венцов ротора 11 и статора 12 с помощью двухкомпонентной лазерной системы 20. Засеивание потока микрочастицами масла при лазерных измерениях производят с помощью пульверизатора 21.

При испытаниях компрессорной ступени 28 измеряют частоту вращения ротора 11, давление и температуру потока перед мерным коллектором 8. Давление и температуру потока на входе в компрессорную ступень 28 контролируют их измерениями в нескольких точках во входном ресивере 6. Также во входном ресивере 6, например, диаметром и длиной 3 м, выполняющим функцию реверберационной камеры, производят измерение микрофоном (на фигуре не показан) излучаемого шума. Точку измерения шума выбирают по результатам предварительных измерений звукового поля в ресивере 6 при использовании стандартного генератора широкополосного шума.

На фиг.3 схематично показано, что стационарные величины статических давлений по тракту компрессорной ступени 28 на периферии и втулочной части 27 измеряют с помощью приемников 22 давления. Полные давления и температуры измеряют с помощью вставных гребенок 24, например, в семи точках по радиусу в сечениях перед статором 10, в межвенцовых зазорах и на выходе из компрессорной ступени 28. Нестационарные величины статических давлений измеряют с помощью малоинерционных датчиков (на фигуре не показаны) на корпусе ротора 11, например, в шести точках 25 и на среднем радиусе на спинке и корытце двух соседних лопаток статора 12 в двенадцати точках 26. Пульсации полного давления измеряют вставными, перемещаемыми по радиусу насадками 23, которые оснащены малоинерционными датчиками, в сечениях за ротором 11 и за статором 12. Лазерным анемометром 20 измеряют осевую и окружную составляющие скорости потока в любой точке, доступной для прохода лазерного луча через прозрачное окно 19, выполненное в наружном корпусе компрессорной ступени 28.

Экспериментальная установка для исследования газодинамического взаимодействия роторных и статорных лопаточных венцов в осевых турбомашинах работает следующим образом.

На заданном режиме работы по частоте вращения и расходу воздуха при некотором начальном взаимном окружном положении статоров 10 и 12 производят одновременное окружное смещение их в выбранное число точек, в пределах их общего шага, например от 0 до 1 через 1/10 шага, и производят запись всех измеряемых параметров. Затем последовательно изменяют взаимное окружное положение статоров 10 и 12 на выбранную величину, например, от 0 до 1 через 1/10 их общего шага лопаток, путем смещения статора 12 относительно статора 10, и повторяет процедуру одновременного прошагивания статоров 10 и 12. Полученные массивы измеренных параметров обеспечивают информацию о величине окружной (шаговой) неравномерности потока и ее изменении вследствие изменения взаимного окружного расположения статора 10 и статора 12.

Сбор экспериментальной информации производят в автоматизированном режиме на базе аналого-цифровых преобразователей и персональных ЭВМ. Алгоритмы и программы вторичной обработки измеренных параметров позволяют определить локальные и интегральные параметры потока в абсолютном, в системе статоров 10 и 12, и относительном, в системе ротора 11, движении для анализа осредненных по времени и нестационарных характеристик компрессорной ступени 28 и ее элементов.

Результаты экспериментальных исследований на заявляемой экспериментальной установке и сравнение их с расчетом, Saren V.E., Savin N.M., Krupa V.G. (2000) Experimental and Computional Research of a Flow Structure in a Stator-Rotor-Stator System of an Axial Compressor, The 9th Internaional Symposium on Unsteady Aerodynamics, Aeroacoustics and Aeroelasticity of Turbomachines (ISUAAAT), Lyon, France, September 4-8, pp.494-502, показывают, что основной механизм изменения характеристик турбомашины при взаимном окружном смещении статоров связан с изменением условий нестационарного течения в роторе.

Таким образом, применение данной экспериментальной установки позволяет достоверно определять пространственно-временную картину при вариации основных параметров, влияющих на нестационарность течения в компрессоре. Такие данные необходимы для тестирования имеющихся расчетных моделей нестационарного течения, определения физического механизма нестационарного взаимодействия последовательно расположенных неподвижных и вращающихся лопаточных венцов в турбомашинах и разработки средств контроля и управления нестационарностью течения с целью уменьшения газодинамических потерь, пульсаций потока и излучаемого шума турбомашин.

Экспериментальная установка для исследования газодинамического взаимодействия роторных и статорных лопаточных венцов в осевых турбомашинах, содержащая мерный коллектор расхода воздуха, входной ресивер, компрессор, выходной дроссель, газосборник, приводной электромотор, измерительные приборы, при этом компрессор выполнен цилиндрическим, имеет систему венцов статор-ротор-статор и втулочную часть, отличающаяся тем, что лопатки статорных венцов закреплены на втулочной части компрессора, при этом на ней перед входным статором и за выходным статором установлены проставки, формующие переднюю часть втулочного корпуса компрессора и его заднюю часть, причем каждый статор имеет электропривод с дистанционным управлением, фотоэлектрические следящие устройства статоров, размещенные во втулочной части корпуса компрессора, а в наружном корпусе компрессора в зоне расположения венцов ротор-статор выполнено прозрачное окно для выполнения лазерной анемометрии потока.