О численном расчете гидромеханического клапана без подвижных элементов
Важным элементом ряда систем современных теплоэнергетических установок являются устройства типа клапанов, обладающие свойством преимущественно односторонней проводимости рабочей среды. Основное требование, предъявляемое к таким устройствам, — конструктивная простота и надежность в эксплуатации. Перспективным направлением работ является создание клапанов, в которых управление течением рабочей среды осуществляется путем гидромеханического взаимодействия потоков среды при отсутствии подвижных деталей.
В статье приводится теоретический анализ рабочих процессов в клапане гидромеханического действия нового типа.
Клапан состоит из изогнутого корпуса 1, по оси которого установлен обтекатель 2. На корпусе и обтекателе неподвижно закреплены лопатки 3, образующие систему межлопаточных каналов. Кромки 4 лопаток отогнуты. Часть изогнутого канала не заполнена лопатками и образует свободный канал.
В основе работы клапана лежит его преимущественная проводимость в одном направлении, являющаяся следствием существенно различного характера течения газа в двух противоположных направлениях потока. При движении газа от входа к выходу гидравлическое сопротивление потоку будет меньше, чем при его движении в обратном направлении. Качественно движение газа по свободному каналу в этом случае иллюстрируется эпюрой скоростей в сечении клапана Б — Б.
При движении газа в обратном направлении (от выхода к выходу) вследствие изогнутости клапана на частицы газа в свободном канале действуют центробежные силы, поэтому часть газа, захватываемая кромками лопаток, поступает в межлопаточный канал и затем вытесняется оттуда в свободный канал, направляемая кромками лопаток. Так как кромки лопаток ориентированы в этом случае против потока, то газ, выходя из межлопаточного канала, в свою очередь, частично запирает основной поток в свободном канале, заставляя вступать газ в сложное спиралеобразное течение.
Наложение основного потока газа на встречный поток в свободном канале образует в нем течение газа, характеризуемое ^эпюрой тангенциальных скоростей.
Из сравнения эпюр (см. рис. 2 и 3) видно, что среднее значение тангенциальной скорости в свободном канале, определяющее величину расхода газа через клапан, в обратном направлении меньше среднего значения этой скорости в прямом потоке. Описанная выше конструкция элементов клапана позволяет получить в нем эффект преимущественно односторонней проводимости газа.
Эффективность клапана оценивается с помощью коэффициента Кдффу равного отношению массовых расходов жидкости через клапан в прямом и обратном направлениях при одинаковом перепаде давления.
Основные обозначения в статье: р — давление жидкости; р — плотность жидкости; V — абсолютная скорость жидкости; а — угол, отсчитываемый от луча, проходящего через левый торец клапана; 0 — угол, отсчитываемый от горизонтального луча, проходящего через свободный канал в меридианальном сечении клапана; — радиус обтекателя; г2 — радиус канала клапана в меридианальном сечении; Я — радиус кривизны клапана; 0х, 02 — углы выходной и входной кромок лопаток в меридианальном сечении; р1( р2 — углы установки лопаток на выходе в свободный канал; V, — соответственно меридианальная и тангенциальные составляющие скорости; б — толщина лопаток на входе; оск — угловой размер клапана; Ар — перепад давления на участке между левым и правым торцом клапана; г — число лопаток в клапане. Обратный ток
Нестационарное пространственное движение газа через решетку клапана весьма сложно. Теоретическое описание такого течения является трудной задачей. Поэтому при проведении численного расчета был использован широко применяемый в теории газовых машин подход, основанный на исследовании упрощенной модели течения с последующим анализом влияния не учитываемых факторов, в данном случае вязкости жидкости и др.
Примем следующие допущения: жидкость идеальна и несжимаема, движение жидкости стационарно, параметры потока по ширине свободного канала меняются мало, движение жидкости в межлопаточном канале одномерное, краевые эффекты у левого и правого торца клапана не влияк5т на течение жидкости.
Эти потери обусловлены действием в исследуемом потоке жидкости ряда факторов, наиболее существенными из которых являются вязкость жидкости, периодическая не стационарность и высокая турбулентность течения на входе в межлопаточные каналы. В соответствии с принятой в теории лопаточных газовых машин методикой, приведенной в литературе, можно привести следующую классификацию потерь в рассматриваемой решетке. Группа А1 Профильные
А1. На трение в пограничном слое
А2. Вихревые при отрыве на профиле
АЗ. Кромочные Группа Б
Концевые Группа В
Волновые (в данном случае не учитываются, так как величина скорости жидкости значительно меньше местной скорости звука) Группа Г
Вызванные не стационарностью и высокой турбулентностью течения Группа Д
Вызванные вторичными течениями жидкости, возникающими из-за кривизны межлопаточного канала в^меридианальном ^ сечении, которые включают:
Д1. На трение
Д2. Внхревые в зонах отрыва
В связи со сложностью процессов в решетке клапана, отсутствием в настоящее время экспериментальных данных о величинах составляющих потерь в ее элементах, а также ввиду трудности расчета потерь при исследовании решеток турбомашин в настоящей работе оценка
С помощью учитываются потери групп А (за исключением АЗ), Б, Г и Д.
Коэффициент характеризует величину кромочных потерь в решетке (группа АЗ).
На основании рекомендаций [6—8] принято ?к=?ко +3,1-10“* / + 3,М0-4 С, где I = р2 — ?2 — угол атаки; у2 — угол потока на входе в межлопаточный канал; ?Ко — коэффициент потерь при I = 0.
Скорость в начальной части канала ух, входящая в формулу (8), определяется по формуле
Решая (9), находим необходимую для расчета параметров потока величину Прямой ток
При прямом токе расход газа через межлопаточные каналы принимается малым и в дальнейших расчетах не учитывается. Течение жидкости в этом случае можно рассматривать как последовательное перетекание из камеры в камеру. Определение параметров потока в камеру можно производить, используя схему «затопленной» струи по методу, изложенному в литературе.
Поскольку шаг решетки лопаток сравнительно небольшой, можно использовать зависимости для начального участка струи.
Полученные выше зависимости были положены в основу численного расчета гидромеханического клапана без подвижных элементов на ЭЦВМ, некоторые результаты которого приведены на рис. 4 и 5.
Расчеты показывают, что эффективность клапана существенно зависит от его геометрических параметров, а также от величины гидромеханических потерь в меж-лопаточных и свободном каналах. При этом Кэфф может достигать значений порядка 30 ... 50 при практически осуществимых величинах потерь в элементах клапана, что говорит о реальной возможности создания гидромеханического клапана без подвижных частей, удовлетворяющего требованиям газораспределительных органов энергоустановок.