Экспериментальные исследования малогабаритной вихревой турбины с сопловым аппаратом

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛОГАБАРИТНОЙ ВИХРЕВОЙ ТУРБИНЫ С СОПЛОВЫМ АППАРАТОМ

В. Г. Чебан, магистр

ДГМИ, г. Алчевск

Повышение надежности и долговечности гидравлического оборудования напрямую зависит от качества применяемых рабочих и смазочных жидкостей. Своевременная очистка этих жидкостей не только благоприятно сказывается на работоспособности оборудования, но и увеличивает срок использования собственно рабочей и смазочной жидкостей. Для этой цели в гидравлическом оборудовании должен быть предусмотрен постоянно действующий встроенный очиститель.

Наилучшим образом для этой цели подходит роторный гидродинамический очиститель, обладающий надежностью в работе, простотой в управлении и несменяемым в течение всего срока работы очистителя фильтроэлементом. В данном очистителе для создания условия саморегенерации сетки за счет гидродинамического эффекта предусмотрено вращение фильтроэлемента.

Вращательное движение фильтроэлемента в основном обеспечивалось применением в конструкции очистителя асинхронного короткозамкнутого электродвигателя. Однако в связи с необходимостью расширения области применения роторных очистителей для полностью гидрофицированных машин, для машин, работающих во взрыво- или пожароопасных средах, или в условиях, которые могут быть опасны для человека, применение электрической энергии становится нецелесообразным или же недопустимым.

Поэтому в настоящее время появилась актуальная проблема создания для роторного гидродинамического очистителя компактного, безопасного и надежного гидропривода.

Этим требованиям удовлетворяет привод на базе вихревой турбины (ВТ).

При анализе существующих конструкций вихревых машин был остановлен выбор на ВТ с боковым расположением канала круглого сечения и рабочим колесом (РК) с плоскими радиальными лопатками. Для повышения энергетических показателей турбины в ее конструкции предусмотрено применение соплового аппарата, который, как показывает опыт [1], существенно влияет на работу ВТ и ее характеристики.

Существующие методики расчета ВТ не дают возможности предварительного определения их параметров, тем более при работе на вязких рабочих жидкостях (РЖ).

Поэтому после проведения ряда теоретических исследований возникла необходимость в проведении экспериментальных исследований, целью которых является, с одной стороны, подтверждение правильности принятой модели рабочего процесса ВТ [2], а с другой стороны, определение влияния различных геометрических и динамических параметров на эффективность ее работы.

Перед экспериментом были поставлены следующие задачи:

1 Получить скоростные и механические характеристики ВТ.

2 Исследовать влияние основных геометрических параметров ВТ на эффективность ее работы.

3 Изучить влияние вязкости РЖ на работу ВТ.

Для исследования вихревой машины была спроектирована и изготовлена экспериментальная модель ВТ (рис. 1) и создан стенд для ее исследования (рис. 2).

На рис.1 представлена модель ВТ с боковым каналом круглого сечения.

Турбина (см. рис. 1) состоит из РК 1, посаженного на вал 2. РК расположено внутри разъемных корпусов 3 и 4. В корпусе 3 выполнены рабочий канал и окна для подвода и отвода рабочей жидкости. Во входное окно корпуса 3 устанавливается сопло (на рис. 1 оно не показано). Между входным и выходным окнами расположен отсекатель. Вал 2 сидит на двух шарикоподшипниках 5 и 6. Подшипники установлены в корпусах 7 и 8 с крышками 9 и 10.

В качестве источника гидравлической энергии для ВТ 1 (рис.2) служит насос 2, приводимый в движение от электродвигателя 3. Задвижки 4, 5 и 6 служат для изменения величины расхода РЖ, подаваемой на ВТ.

Устройство для измерения момента на валу ВТ состоит из колодочного тормоза 7, соединенного с пружинными весами 8. Частота вращения выходного вала определяется с помощью механического тахометра 9.

Расходомерное устройство состоит из стандартного расходомера 10, установленного на сливном трубопроводе, и механического секундомера 11.

В процессе испытаний с помощью манометров измеряется статическое давление на входе и выходе ВТ (манометры р1 и р₄) и в двух меридиональных сечениях по длине проточной части, расположенных симметрично относительно входного и выходного каналов и отнесенных друг относительно друга на 180 (манометры р₂ и р₃).

С помощью ртутного термометра 12 производится контроль температуры РЖ в резервуаре 13.

В процессе испытаний изменялись (см. рис. 3а): число лопаток РК (18; 24; 36); расстояние от выходного сечения сопла до плоскости, проведенной через кромки лопаток РК (а = 4мм; 6мм; 8мм); угол установки сопла (угол между осью сопла и ее проекцией на плоскость, перпендикулярную к оси вращения колеса) (, 45, 55); диаметр выходного сечения сопла (мм, 8мм, 10мм).

Неизменными в процессе испытаний оставались следующие геометрические параметры ВТ: диаметр центра тяжести сечения канала мм (см. рис. 3б); диаметр меридионального сечения проточной части мм; угол наклона лопаток (угол между осью лопаток и плоскостью, перпендикулярной к оси вращения колеса); угол установки лопаток (угол между кромкой лопатки и направлением, совпадающим с радиусом РК, проведенного через лопатку); толщина лопатки мм; радиальный зазор мм; торцевой зазор мм.

Эти параметры выбраны в результате анализа известных исследований в области вихревых машин [1, 3, 4].

Рисунок 3 - Схема установки сопла (а) и элемент рабочего колеса (б)

На рис. 47 приведены некоторые зависимости, полученные в результате обработки экспериментальных данных по исследованию ВТ при работе на РЖ с кинематической вязкостью = 16,9мм²/с.

После обобщения и анализа результатов эксперимента можно определить наиболее рациональные геометрические параметры малогабаритной ВТ с сопловым аппаратом: относительный шаг установки лопаток РК = 0,95-1,11; относительная площадь сопла

= 0,50-0,89; угол установки сопла = 40-45; относительное расстояние от выходного сечения сопла до кромок лопаток РК .

Рисунок 4 - Зависимость угловой скорости РК от количества лопаток при Q= 70 л/мин, = 8 мм, = 55

Рисунок 5 - Зависимость угловой скорости РК от диаметра сопла при = 60 л/мин, = 24, = 35

Рисунок 6 - Зависимость угловой скорости РК от угла установки сопла при = 70 л/мин, = 8 мм

Рисунок 7 - Зависимость момента, мощности и КПД на валу ВТ от числа лопаток при = 75 л/мин, = 8 мм, = 100 с^-1, = 45

Выводы

1 ВТ с боковым расположением канала круглого сечения и сопловым аппаратом может быть использована в качестве привода роторного очистителя.

2 В результате экспериментальных исследований доказана целесообразность применения в конструкции малогабаритной ВТ соплового аппарата, повысившего ее КПД на 5-7 %.

3 Снижение вязкости РЖ приводит к повышению выходных параметров ВТ. Для малогабаритных ВТ рекомендуется РЖ с вязкостью не более 20 мм²/с.

4 В ходе экспериментальных исследований получены результаты, которые можно использовать в качестве практических рекомендаций при проектировании ВТ.

SUMMARY

In a paper the results of experimental study of the small-sized rotational turbine with the nozzle device are reduced, which one can be used for perfecting rotational turbines or method of applications of their account.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ванеев С.М. Разработка и исследование вихревого пневмопривода с внешним периферийным каналом и сопловым аппаратом дис…канд.техн.наук: 05.04.06. - Москва, 1986.

2. Чебан В.Г. Рабочий процесс вихревой турбины // Сборник научных трудов ДГМИ. - Алчевск: ДГМИ, 2000. - Вып. 12. - С.92-97.

3. Байбаков О.В. Вихревые гидравлические машины. - М.: Машиностроение, 1987. - 197с.

4. Сергеев В.Н. Разработка пневмопривода вихревого типа с внутренним периферийным каналом и исследование влияния газодинамических и геометрических параметров на его эффективность дис…канд.техн.наук: 05.04.06. - Москва, 1984.