УДК 622

УДК 622.002.5
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.
1
10
9
5
6
2
3
7
8
4
Рисунок 1 - Схема экспериментальной модели
р4
р1
3
7
6
р3
4
р2
5
9
1
2
12
13
8
10
11
Рисунок 2 - Схема экспериментального стенда
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 ( z  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) (   35 , 45, 55); диаметр выходного сечения сопла ( dc  6 мм, 8мм, 10мм).
Неизменными в процессе испытаний оставались следующие геометрические параметры ВТ: диаметр
центра тяжести сечения канала dц.т  98 мм (см. рис. 3б); диаметр меридионального сечения проточной
части D  12 мм; угол наклона лопаток (угол между осью лопаток и плоскостью, перпендикулярной к оси
вращения колеса) л  90 ; угол установки лопаток (угол между кромкой лопатки и направлением,
совпадающим с радиусом РК, проведенного через лопатку) у  0 ; толщина лопатки   2 мм;
радиальный зазор  р  0, 3 мм; торцевой зазор т  0, 15 мм.
Эти параметры выбраны в результате анализа известных исследований в области вихревых машин [1, 3,
4].
а)

t
б)

dц.т = 98
а
d = 116
Рисунок 3 - Схема установки сопла (а) и элемент рабочего колеса (б)
На рис. 47 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  t = 0,95-1,11; относительная площадь сопла 
Fc = 0,50-0,89; угол установки сопла  = 40-45; относительное расстояние от выходного сечения сопла до
кромок лопаток РК    0, 5 .
200
, c-1
1 - a = 4 мм
2 - a = 6 мм
3 - a = 8 мм
2
1
160
140
3
120
100
15
20
25
30
z
40
Рисунок 4 - Зависимость угловой скорости РК от количества лопаток при Q= 70
л/мин, dc = 8 мм,  = 55
250
, c-1
190
160
130
100
6
7
dc, мм
8
10
Рисунок 5 - Зависимость угловой скорости РК от диаметра сопла при Q = 60
л/мин, z = 24,  = 35
180
, с-1
1
1 - z = 18
2 - z = 24
3 - z = 36
2
160
150
140
3
130
120
35
40
, град
45
55
Рисунок 6 – Зависимость угловой скорости РК от угла установки сопла при Q =
70 л/мин, dc = 8 мм
75
0,5
N2, M2,
Вт Нм
45
20

M
,

0,3
12
N
30
0,2
8
15
0,1
4
0
0
15
20
25
30
z
0
40
Рисунок 7 - Зависимость момента, мощности и КПД на валу ВТ от числа лопаток
при Q = 75 л/мин, dc = 8 мм,  = 100 с-1,  = 45
ВЫВОДЫ
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.
1
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
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.
1.