РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
МАЛОГАБАРИТНОЙ ВИХРЕВОЙ ТУРБИНЫ
С БОКОВЫМ КАНАЛОМ
2.1. Рабочий процесс вихревой турбины с боковым каналом
Рассмотрим рабочий процесс вихревой турбины с боковым расположением канала. На основе анализа материала, изложенного в первом разделе, можно утверждать, что на процесс передачи энергии от жидкости к РК влияют три фактора, два из которых относятся к турбулентной, а третий к регенеративной теориям. Поэтому физическую модель рабочего процесса ВТ рассмотрим с учетом этих факторов и определим влияние каждого из них на процесс передачи энергии.
Созданию крутящего момента на РК вихревой турбины способствуют следующие факторы [8]:
- вязкостно-жидкостное трение, возникающее между потоком, движущимся в канале, и торцом РК;
- вязкостно-жидкостное трение, возникающее между потоком, движущимся в канале, и жидкостью, расположенной в межлопаточном пространстве РК. В результате этого в межлопаточном пространстве РК образуется поперечный вихрь, взаимодействующий с рабочей поверхностью лопатки;
- гидродинамическое изменение момента количества движения при внутренней циркуляции жидкости из кольцевого канала в РК и снова в канал (вихревое движение в меридиональной плоскости). При этом жидкость входит в РК на большем радиусе и выходит из него на меньшем.
При работе ВТ на номинальном режиме, т.е. при относительно малом отставании окружной скорости колеса от окружной скорости жидкости, находящейся в канале, роль первого фактора незначительна. Жидкостное трение влияет на величину момента только при режимах значительного отставания окружной скорости колеса от окружной скорости жидкости в канале (процесс разгона).
Принцип действия ВТ, по которому осуществляется передача энергии РК, состоит в следующем [4, 6, 8, 37]:
чтобы жидкость, проходя по каналу, передавала энергию РК, ее окружная скорость должна быть больше окружной скорости колеса. При этом жидкость движется по сложной спиралевидной траектории, захватывающей как область РК, так и боковой канал, и многократно взаимодействует с лопатками РК. Данное движение можно представить как наложение трех вращательных движений. Первое - вращение вокруг оси турбины с некоторой угловой скоростью , превышающей угловую скорость РК . Второе - вращение в меридиональном сечении проточной части вокруг некоторого центра, вдоль лопаток РК (продольный вихрь). Третье - поперечное вращение в меридиональной плоскости (поперечный вихрь), возникающее в результате взаимодействия потока жидкости, движущегося в канале, с жидкостью, находящейся в межлопаточном пространстве РК [38, 39, 44].
Схематически данное движение приведено на рис. 2.1.
Абсолютная скорость частиц жидкости является векторной суммой трех составляющих: окружной , меридиональной и радиальной .
Основными составляющими рабочего процесса ВТ являются наличие вращательного движения жидкости в меридиональной плоскости, вдоль лопаток РК, и наличие поперечного вихря в межлопаточном пространстве РК.
В межлопаточном пространстве РК имеет место интенсивный поперечный вихрь с осью в радиальном направлении, смещенный к напорной стороне лопатки [8, 38]. Он взаимодействует с лопаткой и вызывает повышение давления на ее рабочей поверхности.
Рис. 2.1 - Схема течения жидкости в проточной части ВТ
На интенсивность вихревого движения и, следовательно, на эффективность ВТ существенное влияние оказывают: тип проточной части и геометрические параметры, характеризующие как турбину в целом (отношение диаметра проточной части к диаметру РК, отношение площади входного и выходного патрубка к площади проточной части), так и отдельные ее элементы (углы установки и наклона лопаток РК и их число, углы наклона входного и выходного патрубков). Тип проточной части определяется расположением кольцевого (рабочего) канала в корпусе (с боковым, периферийно-боковым, периферийным внутренним или периферийным внешним каналом), количеством каналов (одно- и многоканальные), профилем меридионального сечения (прямоугольные, круглые, асимметричные).
Крутящий момент, возникающий на РК турбины, условно можно разложить на две составляющие: активный и реактивный моменты [45, 46].
Активный момент возникает при резком торможении потока жидкости в момент входа её в межлопаточное пространство РК.
Реактивный момент возникает при дальнейшем движении жидкости в межлопаточном пространстве вдоль лопаток РК турбины. При этом поток изменяет в нем свою скорость, как по величине, так и по направлению. Это приводит к появлению в потоке тангенциальных составляющих массовых сил (сил Кориолиса), которые действуют на лопатки относительно оси вращения РК вихревой турбины и создают крутящий момент на ее валу.
В зависимости от режима работы ВТ доля активной и реактивной составляющих момента меняется. При пуске (т.е. при большом скольжении) активная составляющая велика, а реактивная мала и, наоборот, по мере разгона турбинного колеса увеличивается доля реактивной составляющей момента с одновременным убыванием активной.
В процессе циркуляционного движения потока жидкости в межлопаточных каналах турбинного колеса возникают также потери энергии на трение и вихреобразование. При выходе жидкости из РК в проточную часть канала возникают дополнительные потери энергии при смешивании жидкости, выходящей из РК, с жидкостью, находящейся в канале, из-за разности их окружных скоростей.
При построении расчетной схемы для ВТ воспользуемся, как основой, существующими теоретическими и расчетными схемами гидродинамических муфт [45 - 49], так как имеющий в них место рабочий процесс, разработанный на основе струйной теории, очень близок к рабочему процессу ВТ. Однако, в связи с имеющимися различиями в конструкции (отсутствие насосного РК, наличие отсекателя между входным и выходным патрубками) и наличием некоторых особенностей при передаче энергии от жидкости к РК (уменьшение давления в потоке РЖ по длине кольцевого рабочего канала, значительно бо