Устройство для моделирования пространственных вихревых течений в проточной части турбомашин Советский патент 1981 года по МПК G06G7/44 

1

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и предназначено для изучения течений в про точной части центробежных компрессоров и других типов лопаточных машин.

Известны устройства для моделирования потока в отдельных или в двух последовательно расположенных элементах проточной части турбомашин {

Для этих устройств рассматриваются лишь случаи с таким набором характерных параметров, при которых относительная глубина проникновения электромагнитного поля в проводящую среду значительно больше единицы. Кроме того, известные устройства позволяют исследовать трехмерный характер потока лишь приблизительно на основе неточных эквивалентных схем (например, замена трехмерной среды стопой листового электропроводного материала) .

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для моделирования проточной части турбомашин. Исследуемая модель в данном устройстве выполнена из проводящей среды в виде профилированной пространственной электролитической ванны или сплошной токопроводящей среды переменной толщины. Система токопроводящих электродов и тороидальный трансформатор моделирует потенциальный циркуляционный поток на выходе из рабочего колеса центробежного компрессора. Тороидальные трансформаторы, установленные в прорезях профилей лопаточной решетки исследуемой модели , моделирует циркуляционные пото10ки вокруг этих профилей. Измерение напряженности и построение изопотенциальных линий производится с помощью контактных датчиков, соединенных с блоком регистрации 2.

15

С помощью указанного устройства можно решать ограниченный класс задач, т.е. моделировать течение только в отдельных или совместных двух элементах проточной части турбомашин.

20

Цель изобретения - расширение класса решаемых задач путем учета взаимодействия элементов проточной части турбомашин при их совместной работе и повышение точности моделирова25ния.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для моделирования пространственных вихревых течений в Проточной части тур0омашины, содер30жащее физическую модель проточной

части турбомашины, состоящую из объемных моделей элементов проточной части турбомашины и замкнутый соленоид, расположенный по пути рабочего потока, выводы которого подключены к первому выхбду блока питания, второй выход которого соединен с одним уходом измерительного блока, другие входы которого подключены к соответствующим выходам коммутатора, а выхо измерительного блока соединен со входом цифропечатающего блока, введены стержневые задатчики магнитного поля, токопроводящий стержень, индукционные датчики, а объемные модели элементов проточной части турбомашины выполнены из диамагнетика, на верхнюю поверхность которого нанесен металлизированный слой, стержневые задатчики магнитного поля закреплены перпендикулярно к плоскости объемной модели рабочего колеса, причем стержневые задатчики первой группы магнитного поля расположены равномерно по плоскости объемной модели рабочего колеса, стержневые задатчики второй группы магнитного поля расположены по внешней окружности объемной модели рабочего колеса, стержневые задатчики третьей группы магнитного поля расположены по одном в каждой лопатке всех объемных моделей лопаточных аппаратов и рабочего колеса, а все стержневые задатчики магнитного поля соединены каждый одним вьшодом с диамагнетиком, токопроводящий стержень расположен по оси объемной модели рабочего колеса и соединен одним выводом с диамагнетиком, другие выводы стержневых задатчиков магнитного поля и токопроводящего стержня соединены соответственно с другими выходами блока пиisRiHH, а индукционные датчики установлены в воздушных полостях объемных моделей и подключены соответственно своими выходами по входам коммутатора.

Пр.1 этом стержневые задатчики магнитного поля и замкнутый соленоид питаются от блока питания ультразвуковой частоты. Стержневые задатчики магнитного поля, расположенные равномерно в зоне рабочего колеса, моделируют вихревое магнитное поле, магнитн ая индукция которого соответствует линейной скорости в относительном движении, задатчики, распложенные по одному в лопатках всех лопаточных элементов, моделируют вокруг них циркуляционный поток для выполнения условия Чаплыгина-Жуковского, а расположенные по периметру основного диска колеса - циркуляционную составляющую потока закрутки на входе.

Установленные равномерно по наруной окружности модели рабочего колеса стержневы-.-. задатчики магнитного

пОля служат для согласования относительного вращательного течения в зоне рабочего колеса с относительным течением в зоне неподвижных лопаточных элементов проточной части турбомашины.

Замкнутый соленоид, который может принимать форму, удобную для моделирования потока протекания во всех элементах проточной части, выполнен из отдельных объемных элементов, которые состыкованы друг с другом торцовыми поверхностями, при этом обмотка каждого элемента выполнена в виде витков, уложенных в плоскости, перпедикулярной оси каждого элемента, с шагом, прямо пропорциональным площади поперечного сечения объемного элемента. Соотношение между вихревой составляющей, циркуляционной составляющей потока закрутки на входе и потоком протекания устанавливается путем принудительного задания токов на стержневых задатчиках магнитного поля и на обмотках замкнутого соленоида и соответствует моделируемому режиму работы.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для моделирования пространственных вихревых течений и проточной части турбомашин; на фиг. 2 - то же, поперечное сечение; на фиг. 3 и 4 - элементы конструкции устройства.

Устройство содержит объемную модель 1 проточной части турбомашины, состоящую из моделей элементов протоной части турбомашины, включающих входную камеру 2, лопатки 3 входного направляющего регулируемого лопаточного аппарата 4, рабочее колесо 5 с лопатками б и покрывным диском 7, лопатки 8 выходного н правляющего лопаточного аппарата 9 и выходное устройство 10, стержневые зал атчики 11 - 15 магнитного поля, токопрово дящий стержень 16, соленоид 17 с обмотками 18 и индуктивным датчиком 19 блок 20 питания измерительный блок 21, коммутатор 22, цифропечатающее устройство 23, монтажный диск 24, индукционные датчики 25 вихревого магнитного поля с обмотками 26-28, индукционные датчики 29, контрольные датчики 30 и 31. Проводники с током содержат контакт-гайку 32, изолированную втулку 33 и цанговый контакт 34.

Устройство работает следующим образом.

Объемная модель устройства изготавливается из диэлектрика со стенками, покрытыми электропроводным материалом с помощью электродуговбго или плазменного аппарата.

Для создания вихревого магнитного поля стержневые задатчики 11 равномерно распределены по диску рабочего колеса и соединяются с ним при

помощи контакта-гайки 32, а от покрывного диска изолированы втулками 33 Для их монтажа в центральной части объемной модели установлен диск 24 из диэлектрика.

Циркуляционные потоки вокруг лопаток рабочего колеса, лопаток выходного направляющего лопаточного аппарата, лопаток входного направляющего регулируемого аппарата создаются соответственно стержневыми задатчиками 12 -.14, Лопатки 6 и 8 изолированы от покрывного диска диэлектриком , а проводники 12 и 13 с током расположенные в полостях лопаток б и 8, соединяются с диском рабочего колеса и выходного направляющего лопатОчного аппарата с помощью контакта-гайки 32 и изолированы от покрывного диска втулкой 33.

Питание устройства осуществляется от блока 20 питания ультразвуковой частоты. Стержневые задатчики магнитного поля соединяются с блоком питания при помощи цангового контакта 34. Кроме того, с блоком питания соединены точка, расположенная на оси рабочего колеса с помощью электропроводящего стержня 16, стержневые задатчики 15, расположенные по наружной окружности рабочего колеса.

В проточной части объемной модели установлен замкнутый соленоид 17, состоящий из нескольких объемных эле.ментов, на поверхностях которых уложены обмотки 18, выполненные плоскими параллельными витками. Для контроля величины потока протекания внутри замкнутого соленоида установлен индукционный датчик 19.

Измерение вихревого магнитного поля в одном из каналов, образованного лопатками 6 рабочего колеса 5, производится специальными индукционными датчиками 25, расположенными на стержневых задатчиках магнитного поля 11 и подключенными к измерительному блоку 21 через коммутатор 22. Составляющие вектора индукции (By, В, BZ) измеряются соответственными обмотка1ми 26 - 28 индукционного датчика 25. Измерение магнитного поля в воздушной плоскости выходного устройства 10 осуществляется индукционными датчиками 29, расположенными в плоскости поперечного сечения и подключенными к измерительному .блоку 21 через коммутатор 22.

Для согласования составляющих суммарного потока на языке выходного устройства 10 установлены контрольные датчики 30, подключенные к измерительному блоку 21 через коммутатор 22, а для согласования циркуляционных составляющих магнитного поля на концах лопаток 6,8 и 3 установлены контролирующие датчики 31, подключенные к измерительному блоку

21 через коммутатор 22. На выходе измерительного блока предусмотрено цифро-печатающее устройство 23.

Решение задачи обтекания элементов про очной асти объемной модели 1 производится в следующей последовательности.

Задается необходимьлй режим работы устройства, для чего от блока питания подаются напряжения на обмотки замкнутого соленоида, моделирующего

o поток протекания, на задатчики 11, моделирующие вихревую составляющую (поток вытеснения), и на задатчики 12-14 моделирующие соответственно циркуляционные потоки вокруг лопаток

5 6 рабочего колеса 5, лопаток 8 выходного направляющего лопаточного аппарата 4 для выполнения условия Чаплыгина-Жуковского на выходных кромках всех лопаток.

0

При этом интенсивность вихревого магнитного поля контролируется индукционными датчиками 25, расположенными на элементах проводников с током 11. Интенсивность потока протекания

5 контролируется индукционным датчиком 19. Выполнение условия ЧаплыгинаЖуковского осуществляется по показаниям контролирующих индукционных датчиков 31.

Соотношение между вихревой состав0ляющей, циркуляционной составляющей и потоком протекания устанавливается путем регулирования токов в стержневых задатчиках 11 14 на обмотках замкнутого соленоида. Установление

5 плавного натекания потоков на лопаточные элементы турбомашины и на .язык выходного устройства соответствует моделируемому режиму .работы турбомашины.Операция по согласованию

0 потоков повторяется несколько раз методом последовательного приближения таким образом,чтобы на контролирующих индукционных датчиках 19 и 31 были нулевые показания.

Далее при помощи индукционных дат5чиков 25 и 29 и измерительной схемы устройства выявляется характер обтекания проточной части турбомашины и ее элементов.

0

Параметрами, характеризующими течение в проточной части турбомашины, являются относительные распределения скоростей и давлений в любой точке и по любому контуру проточной ча5сти и ее элементов, а также линии из.опотенциалей, по которым можно судить о структуре потока.

Кроме данной, на устройстве можно решать такие задачи, как определение

Q оптимального режима работы турбомашины, определение зоны ее экономической работы как на оптимальном, так и на режимах регулирования, обработка конструктивных элементов проточной части турбсйлашины, исследо5вание работы турсомашины в нестацйонарнсж режиме и т.д. Отличие в решении этих задач заключается лишь в последовательности задания принудительных токов и выполнения условия Чаплыгина-Жуковского применительно к различным элементам проточной части турбомашины. Таким образом, предлагаемое выпол нение устройства позволяет значитель но расширить класс решаемых задач при изучении аэрогидродинамического потока в проточной части лопаточных турбомашин. Решение поставленных задач на предлагаемом устройстве позволяет на проектирования новой машины повысить ее технико-экономические показатели, т.е. оптимизировать конструкцию отдельных элеме тов проточной части, повысить КПД создаваемой машины путем определения оптимального режима ее работы, улучшить качество и повысить надежность машины. Формула изобретения Устройство для моделирования пространственных вихревых течений в про точной части турбомашин, содержащее физическую модель проточной части турбомашиныу состоящую из объемных моделей элементов проточной части .турбомашины, и замкнутый соленоид, расположенный по пути рабочего пото ка, выводы которого подключены к пе вому выходу блока питания,второй вых которого соединен с одним входом измерительного блока, другие входы которого подключены к соответствующим выходам коммутатора, а выход измерительного блока.соединен со входом цифропечатающего блока, отличающееся тем, что, с целью расширения класса решаемых задач за счет учета взаимодействия элементов проточной части турбомашины при их совместной работе, в него введены стержневые задатчики магнитного поля, токопроводящий стержень, индукционные датчики, а объемные модели элементов проточной части турбомашины выполнены из диамагнетика, на внешнюю поверхность которого нанесен металлизированный слой, стержневые задатчики магнитного поля закреплены перпендикулярно к плоскости объемной модели рабочего колеса, причем стержневые задатчики первой группы магнитного поля расположены равномерно по плоскости объемной модели рабочего колеса, стержневые задатчики второй группы магнитного поля расположены по внешней окружности объемной модели рабочего колеса, стержневые задатчики третьей группы магнитного поля расположены по одному в каждой лопатке всех объемных моделей лопаточных аппаратов и рабочего колеса, а все стержневые задатчики магнитного поля соединены каждый одним выводом с диамагнетиком, токопроводящий стержень расположен по оси объемной модели рабочего колеса и соединен одним выводом с диамагнетиком, другие выводы стержневых задатчиков магнитного поля и токопроводящего стержня соединены соответственно с другими выходами блока питания, а индукционные датчики установлены в воздушных полостях объемных моделей, и подключены соответственно своими выходами ко входам коммутатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР 424178, кл. G Об G /44, 1972. 2.Авторское свидетельство СССР I 459781, кл. G 06 G 7/44, 1973 (прототип).

Фиг.1