УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛОКИНГ ЭФФЕКТОВ

Полезная модель относится к испытательной технике, а конкретно к установке для исследования клокинг эффектов осевых турбомашин авиационных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.
Дальнейшее совершенствование осевых турбомашин газотурбинных двигателей и установок требует получения достоверных экспериментальных данных по нестационарному взаимодействию последовательно расположенных неподвижных и вращающихся лопаточных венцов. Эти данные позволяют достичь более ясного представления о физическом механизме нестационарного взаимодействия лопаточных венцов и помочь в разработке средств контроля и управления не стационарностью течения с целью улучшения газодинамических характеристик осевых турбомашин.
В многоступенчатых турбомашинах каждый лопаточный венец работает в условиях нестационарных периодических возмущений потока на входе и выходе вследствие следов за лопатками предшествующего венца и возможных возмущений, распространяющихся вверх по потоку от лопаток последующего венца. В зависимости от величины и вида этих возмущений, а также от их взаимного окружного смещения в лопаточном венце, расположенном между окаймляющими венцами, происходит периодическое изменение условий течения с соответствующим изменением пульсаций потока и его газодинамических характеристик (клокинг эффект).
Величина клокинг эффекта зависит от геометрических параметров - осевых зазоров между венцами, числа лопаток и взаимного окружного расположения предшествующего и последующего венцов.
Вследствие вышеизложенного для исследования нестационарного взаимодействия венцов и клокинг эффектов по отношению к статорным и роторным лопаточным венцам используют установки со специально оборудованными многоступенчатыми компрессорами, которые имеют механизацию для изменения указанных геометрических параметров и оснащены измерительными средствами, позволяющими получить пространственно-временную картину течения.
Известна установка для экспериментального определения характеристик осевого многоступенчатого компрессора, включающая последовательно расположенные профилированный входной воздухозаборник, коллектор для измерения расхода воздуха, входной ресивер, исследуемый многоступенчатый компрессор, выходной дроссель для регулирования, расхода воздуха и выхлопной трубопровод. Компрессор приводится электродвигателем через мультипликатор, повышающий число оборотов до требуемых для привода компрессора (Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. «Теория и расчет авиационных лопаточных машин», 2-ое изд. перераб. и доп. М., Машиностроение, 1986 г., стр.320-321). Недостатком данного технического решения является отсутствие широкой механизации для изменения окружных положений статорных и роторных лопаточных венцов, что позволяет на этой установке определять только интегральные характеристики исследуемых турбомашин.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является установка для исследования газодинамического взаимодействия роторных, и статорных лопаточных венцов (клокинг эффекта) в осевых турбомашинах (патент на изобретение России №2255319 с приоритетом от 18 ноября 2003 г.). Эта установка включает в себя входной воздухозаборник, коллектор для измерения расхода воздуха, входной ресивер, исследуемый многоступенчатый компрессор, выходной дроссель, выхлопной трубопровод и измерительные приборы, причем приводимый электродвигателем компрессор собран роторного и статорного лопаточных венцов, а каждый из статорных венцов имеет электропривод с дистанционным управлением и с фотоэлектрическим следящим устройством, позволяющим поворачивать статорный венец в окружном направлении на требуемую величину угла. Недостатком данной установки является использование в качестве объекта исследования компрессора, составленного только из трех венцов, и позволяющего изменять взаимное окружное положение только статорных венцов, что ограничивает исследовательские возможности только выявлением влияния клокинг положения статоров на течение в компрессоре.
Технической задачей заявляемой полезной модели является расширение возможностей исследования клокинг эффектов в осевых турбомашинах.
Техническим результатом является возможность изменения взаимного окружного положения как статорных, так и роторных лопаточных венцов Это позволяет получить информацию как о раздельном, так и совместном влиянии на работу компрессора клокинг положения роторных и статорных лопаточных венцов.
Поставленная задача решается тем, что в установке для исследования клокинг эффектов в осевых турбомашинах, собранной из последовательно расположенных входного воздухозаборника, коллектора для измерения расхода воздуха, входного ресивера, исследуемого многоступенчатого компрессора, выходного дросселя, выхлопного трубопровода и оборудованной измерительными приборами, электродвигателем для привода компрессора и электроприводами с дистанционным управлением и с фотоэлектрическим следящим устройством для поворота статорных венцов в окружном направлении на требуемый угол, исследуемый компрессор собран из последовательно расположенных входного направляющего аппарата, рабочего колеса 1-ой ступени, направляющего аппарата 1-ой ступени, рабочего колеса 2-ой ступени и направляющего аппарата 2-ой ступени с одинаковым или кратным числом лопаток у направляющих аппаратов и с удвоенным числом лопаток рабочего колеса 2-ой ступени по сравнению с числом лопаток рабочего колеса 1-ой ступени, каждое из рабочих колес закреплено на отдельном валу и на их сторонах, обращенных друг к другу, выполнены внутренние шлицы, а механизм изменения взаимного окружного расположения лопаток рабочих колес включает поворачивающуюся вместе с валом рабочего колеса 1-ой ступени втулку с двумя радиальными отверстиями для размещения ключей, с направляющими штифтами и с болтами для соединения через дополнительную втулку с валом рабочего колеса 1-ой ступени, два ключа для поворота рабочих колес с ручками, с кольцевыми проточками для направляющих штифтов и с двумя впрессованными штифтами, втулку с двумя кольцевыми проточками под впрессованные в ключи штифты, протянутую от места расположения ключей до промежутка между рабочими колесами трубчатую тягу со стопорными кольцами, препятствующими ее перемещению в осевом направлении относительно втулки с кольцевыми проточками, неперемещаемую в осевом направлении относительно тяги рессору с подобранным в соответствии с числом лопаток колес количеством передних и задних наружных шлицев увеличенной протяженности для сцепления с соответствующими внутренними шлицами рабочих колес и с надетыми на стержни пружинами для восстановления сцепления после выполнения требуемого окружного смещения рабочих колес относительно друг друга и перемещаемые внутри рессоры в осевом направлении дисковые упоры для пружин.
Дополнительно сущность технического решения поясняется описанием и чертежами, на которых:
на фиг.1 показано меридиональное сечение заявляемой установки, собранной и подготовленной для выполнения очередного испытания исследуемого компрессора,
на фиг.2 в увеличенном масштабе представлено меридиональное сечение механизма изменения взаимного окружного расположения лопаток роторных венцов, подготовленного для выполнения окружного смещения одного рабочего колеса относительно другого на требуемый угол.
В устройстве, за непоказанными на фиг.1 входным воздухозаборником и коллектором для измерения расхода воздуха, имеющими традиционную конструкцию, расположены входной ресивер 1 и исследуемый многоступенчатый компрессор 2. После выходного кольцевого канала 3 размещены непоказанные на фиг.1 выходной дроссель для регулирования расхода воздуха и выхлопной трубопровод, отводящий из установки нагнетаемый компрессором воздух. Исследуемый компрессор 2 собран из последовательно расположенных входного направляющего аппарата 4, рабочего колеса 1-ой ступени 5, направляющего аппарата 1-ой ступени 6, рабочего колеса 2-ой ступени 7 и направляющего аппарата 2-ой ступени 8. Числа лопаток у направляющих аппаратов 4, 6 и 8 выбраны одинаковыми или кратными. Число лопаток рабочего колеса 2-ой ступени 7 принято увеличенным в 2 раза по сравнению с числом лопаток рабочего колеса 1-ой ступени 5. Такой выбор чисел лопаток связан с тем, что при одинаковом или кратном числе лопаток следует ожидать максимальных величин клокинг эффектов. Рабочее колесо 1-ой ступени 5 соединено со своим валом 9, опирающимся на шариковый 10 и роликовый 11 подшипники, которые расположены во входной части неподвижного корпуса 12 компрессора 2. Рабочее колесо 2-ой ступени 7 скреплено со своим валом 13, опирающимся на шариковый 14 и роликовый 15 подшипники, которые расположены в выходной части неподвижного корпуса 12 компрессора 2. На сторонах рабочих колес 5 и 7, обращенных друг к другу, выполнены внутренние шлицы 16 на рабочем колесе 1-ой ступени 5 и 17 на рабочем колесе 2-ой ступени 7, благодаря которым через рессору 18 с ответными шлицами осуществляется соединение обоих рабочих колес 5 и 7. Через шлицы 19 на валу 13 рабочего колеса 2-ой ступени 7 и присоединенный к этим шлицам непоказанный на фиг.1 вал приводится во вращение ротор исследуемого компрессора 2 непоказанным на фиг.1 электродвигателем.
Механизм 20 изменения взаимного окружного расположения лопаток рабочих колес 5 и 7 в подготовленной для испытания установке дополнен двумя стопорами 21, препятствующими выходу рессоры из зацепления с рабочими колесами 5 и 6 во время вращения, и покрывной втулкой 22.
Исследуемый компрессор 2 оборудован механизмом 23 для поворота вокруг своей радиальной оси входного направляющего аппарата 4, механизмом 24 для поворота вокруг своей радиальной оси направляющего аппарата 1-ой ступени 6, механизмом 25 для поворота направляющего аппарата 2-ой ступени в окружном направлении на требуемый угол с непоказанными на фиг.1 электроприводом дистанционного управления и с фотоэлектрическим следящим устройством, а также необходимыми измерительными приборами 26.
Спереди вращающиеся детали исследуемого компрессора 2 закрыты крышкой 27 и коком 28, крепящимся болтом 29 и гайками 30.
Механизм 20 (фиг.2) изменения взаимного окружного расположения лопаток рабочих колес 5 и 7 включает: а) поворачивающуюся вместе с валом 9 рабочего колеса 1-ой ступени 5 втулку 31 с двумя радиальными отверстиями 32 для размещения ключей 33, с направляющими штифтами 34 и с болтами 35 для соединения через дополнительную втулку 36 с валом 9 рабочего колеса 1-ой ступени 5, б) два ключа 33 для поворота рабочих колес с расположенными перпендикулярно плоскости чертежа ручками 37, с кольцевыми проточками 38 для направляющих штифтов 34 и с двумя впрессованными штифтами 39, в) втулку 40 с двумя кольцевыми проточками 41 под впрессованные в ключи 33 штифты 39, г) протянутую от места расположения ключей 33 до промежутка между рабочими колесами 5 и 7 трубчатую тягу 42 со стопорными кольцами 43, препятствующими ее перемещению в осевом направлении относительно втулки 40 с кольцевыми проточками 41 и относительно рессоры 18, имеющей специально подобранное разное количество передних 44 и задних 45 наружных шлицев увеличенной протяженности для сцепления с соответствующими внутренними шлицами 16 и 17 рабочих колес 5 и 7 и стержни 46 с пружинами 47 для восстановления сцепления после выполнения требуемого окружного смещения рабочих колес 5 и 7 относительно друг друга, и е) перемещаемые внутри рессоры 18 в осевом направлении дисковые упоры 48 для пружин 47.
Установка работает следующим образом.
Для выполнения окружного смещения одного рабочего колеса относительно другого на требуемый угол, которое производят при неподвижном компрессоре 2 и без его переборки, используют механизм 20 изменения взаимного окружного расположения лопаток рабочих колес 5 и 7. При этом предварительно отсоединяют фланец входного ресивера 1, расположенный на уровне кока 28 (см. фиг.1), отодвигают в сторону против потока входной ресивер 1, отвинчивают гайки 30 и снимают кок 28, крышку 27 вместе с болтом 29, покрывную втулку 22 и стопоры 21.
В отверстия 32 (см. фиг.2) вместо стопоров 21 вставляют ключи 33, для чего в них имеется непоказанная на фиг.2 продольная проточка, по которой при вставлении ключа 33 скользит направляющий штифт 34 до достижения кольцевой проточки 38. При повороте ключей 33 вокруг их радиальных осей по часовой стрелке, если смотреть на верхний ключ 33 сверху, впрессованные в ключи 33 штифты 39 перемещают втулку 40, связанную с ней тягу 42 и рессору 18 в направлении против потока воздуха, что приводит к выходу из зацепления с рабочим колесом 2-ой ступени 7 наружных шлицев 45 рессоры 18 (см. нижнюю половину фиг.2). При этом из-за увеличенной протяженности шлицов 44 рессоры 18 она остается в зацеплении с рабочим колесом 1-ой ступени 5. Вращая ключи 33 в окружном направлении вокруг оси компрессора 2, можно повернуть рабочее колесо 1-ой ступени 5 относительно рабочего колеса 2-ой ступени 7 на требуемое число шлицев 45 рессоры 18, прилегающих к рабочему колесу 2-ой ступени 7, после чего пружины 47 восстановят сцепление рессоры 18 с обоими рабочими колесами 5 и 7. Поворачивая ключи 33 вокруг их радиальных осей по часовой стрелке и тем самым выводя из зацепления с рабочим колесом 1-ой ступени 5 наружные шлицы 44 рессоры 18 (см. верхнюю половину фиг.2), можно повернуть рабочее колесо 2-ой ступени 7 относительно рабочего колеса 1-ой ступени 5 на требуемое число шлицев 44 рессоры 18, прилегающих к рабочему колесу 1-ой ступени 5, после чего пружины 47 восстановят сцепление рессоры 18 с обоими рабочими колесами 5 и 7. После обеспечения окружного смешения одного рабочего колеса относительно другого на требуемый угол ключи 33 вынимают, а стопоры 21, покрывная втулка 22, крышка 27, кок 28 и входной ресивер 1 монтируют в порядке, обратном разборке.
Число шлицев 44 и 45 на рессоре 18 подбирается с таким расчетом, чтобы выполняя описанные выше окружные смещения рабочих колес 5 и 7 относительно друг друга, можно было достичь относительного смещения их лопаток на требуемый угол, равный выбранной доли углового шага между соседними лопатками рабочего колеса 1-ой ступени 5. Например, при числе лопаток рабочего колеса 1-ой ступени, равном 18, числе лопаток рабочего колеса 2-ой ступени, равном 36, и выбранной доли углового шага лопаток рабочего колеса 1-ой ступени, равной 1/10, можно принять число шлицев на рессоре, входящих в зацепление с рабочим колесом 1-ой ступени, равным 18×2=36 и число шлицев на рессоре, входящих в зацепление с рабочим колесом 2-ой ступени, равным 18×5=90. Угловой шаг между соседними лопатками рабочего колеса 1-ой ступени составляет 360°/18=20°, а десятая доля этого углового шага - 2°. Поворот рессоры на один из шлицев, входящих в зацепление с рабочим колесом 1-ой ступени, равен 360°/36=10°, а поворот рессоры на один из шлицев, входящих в зацепление с рабочим колесом 2-ой ступени, равен 360°/90=4°. Если в этом случае рессору вывести из зацепления с рабочим колесом 1-ой ступени, повернуть это колесо вокруг ее оси на один шлиц, выполненный в этом колесе, и вновь соединить с рессорой, то по сравнению с исходным положением относительное окружное смещение рабочих колес составит 10°. После этого следует вывести рессору из зацепления с рабочим колесом 2-ой ступени, повернуть это колесо вокруг оси в ту же сторону на два шлица, выполненных в этом колесе, и вновь соединить с рессорой. Тогда по сравнению с исходным положением относительное окружное смещение рабочих колес составит 10°-4°×2=2°, т.е. на выбранную величину доли углового шага между соседними лопатками рабочего колеса 1-ой ступени. Повторив эту процедуру 10 раз, рабочие колеса возвратятся в исходное положение.
Экспериментальное исследование клокинг эффектов на заявляемой установке осуществляют следующим образом. На заданном режиме работы исследуемого компрессора по частоте вращения его ротора и расходу воздуха производят изменение взаимного окружного расположения статорных венцов путем окружного смещения направляющего аппарата 2- ой ступени на выбранное число долей углового шага между его соседними лопатками, начиная от некоторого исходного положения. При каждом окружном положении направляющего аппарата 2-ой ступени производят запись измеряемых параметров. Затем, при остановленном компрессоре производят изменение взаимного окружного расположения рабочих колес 1-ой и 2-ой ступеней на выбранную долю углового шага между соседними лопатками рабочего колеса 1-ой ступени с помощью описанной выше процедуры, начиная от некоторого исходного расположения рабочих колес, а направляющий аппарат 2-ой ступени возвращают в исходное положение Компрессор запускают, выводят на первоначально заданный режим работы и повторяют операции изменения взаимного окружного расположения статорных венцов путем окружного смещения направляющего аппарата 2-ой ступени 8 на выбранное число долей углового шага между его соседними лопатками, начиная от исходного положения. Аналогичные действия с остановкой компрессора, изменением взаимного окружного расположения рабочих колес 1-ой и 2-ой ступеней на следующую выбранную долю шага лопаток рабочего колеса 1-ой ступени и последующим прошагиванием направляющим аппаратом 2-ой ступени повторяют до достижения взаимного окружного смещения рабочих колес 1-ой и 2-ой ступеней на полный шаг лопаток рабочего колеса 1-ой ступени. В результате таких испытаний на каждом заданном режиме будет получена информация как о раздельном, так и совместном влиянии на работу компрессора клокинг положения роторных и статорных венцов. Для получения такой информации потребуется на каждом режиме работы компрессора снять n·m точек, где n и m - выбранное количество долей угловых шагов рабочего колеса 1-ой ступени и направляющего аппарата 2-ой ступени. Например, при n=m=10 потребуется снять 10×10=100 точек.
Таким образом, изменяя взаимное окружное положение не только статорных, но и роторных лопаточных венцов получают информацию как о раздельном, так и совместном влиянии на работу компрессора клокинг положения роторных и статорных лопаточных венцов. Это позволяет достоверно определить пространственно-временную картину течения при вариации основных параметров, влияющих на нестационарность течения в компрессоре. Такие данные необходимы для верификации 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 турбомашины.