¿Qué es Aerodinámica de maquinaria de turbina?

Una de las ramas de la dinámica de fluidos, que estudia principalmente el movimiento del gas en la turbomáquina y la interacción entre el gas en movimiento y la turbomáquina. Hay ruedas móviles y ruedas estáticas dispuestas alternativamente dentro de la turbina, que pueden producir o introducir potencia activa, y la trayectoria del flujo de gas tiene una forma complicada.

Por lo tanto, al estudiar este tipo de movimiento de gas, es necesario considerar: el flujo relativo y el flujo absoluto en la rueda móvil y la rueda estática, así como su correlación, conversión y convergencia mutuas; la interferencia mutua entre la corriente principal y capa límite, incluida la excitación en condiciones transónicas Interferencia entre ondas y capas límite, condiciones límite específicas de la turbomáquina, como las condiciones periódicas.
El sistema de coordenadas cilíndricas ( r , , z ) se usa generalmente para describir el campo de flujo de gas dentro de la turbomáquina, es decir, parámetros como velocidad, presión, densidad y temperatura se consideran funciones de r , , zy tiempo. t .

Si el sistema de coordenadas se consolida con la rueda en movimiento, lo que se observa en el sistema de coordenadas es el movimiento del fluido de trabajo relativo a la rueda en movimiento, este sistema de coordenadas se llama sistema de coordenadas relativas. Si el sistema de coordenadas está consolidado con el suelo, se denomina sistema de coordenadas absoluto. Estos dos sistemas de coordenadas se pueden convertir entre sí.
Dentro de la turbomáquina, el flujo real de gas es muy complejo, con propiedades tridimensionales e inestables, y el fluido de trabajo en sí es un gas real compresible y viscoso.

Las ecuaciones que describen este flujo incluyen ecuación de continuidad, ecuación de movimiento de gas compresible viscoso, ecuación de energía y ecuación de estado del gas real. Todavía existen dificultades matemáticas para resolver con precisión este tipo de aproximación preliminar de ecuaciones diferenciales parciales no lineales con cuatro variables independientes. Por esta razón, debemos intentar simplificar el problema de manera razonable.
Antes del siglo XX, el flujo de gas en las turbomáquinas se diseñó y calculó de acuerdo con la teoría del flujo unidimensional. En 1839, AJCB de Saint-Venant y L. Wanzel derivaron por primera vez la ecuación de flujo isentrópico unidimensional del gas compresible en la boquilla. En 1894, el ingeniero sueco CGPde Laval obtuvo una patente para la boquilla de contracción-expansión (más tarde llamada boquilla Laval) y la utilizó para turbinas de vapor.

La teoría del flujo bidimensional nació en 1920. Al principio, las palas del compresor axial (es decir, el compresor) se diseñaron de acuerdo con la teoría del ala aislada, y luego se corrigió la influencia de las palas adyacentes. Para mejorar el rendimiento mecánico de la turbina, a principios del siglo XX se desarrolló el modelo de avión en cascada. A mediados del siglo XX, era posible calcular el flujo potencial en una cascada con cualquier perfil de forma y determinar la forma de la pala de acuerdo con una distribución de presión superficial razonablemente prescrita.
Suponiendo que el gas fluye en un flujo simétrico y constante en un espacio sin aspas, y la velocidad parcial radial del gas es cero, el campo de flujo tridimensional en la turbomáquina se puede descomponer artificialmente en el cambio radial de los parámetros de flujo en el espacio sin aspas. y un cilindro Flujo bidimensional en el avión. Sin embargo, esta hipótesis tiene propiedades aproximadas obvias, especialmente para turbomáquinas con una relación de cubo pequeña y un gran ángulo de expansión meridional del canal. Para acercar el modelo de flujo a la realidad, se debe desarrollar la teoría de flujo tridimensional de la turbomáquina.
En 1905, H. Lorenz propuso la teoría del flujo, es decir, la teoría de las palas infinitas. Esta teoría asume que el número de palas tiende a ser infinito y el grosor de las palas tiende a ser infinitamente delgado. De esta manera, la forma de cada superficie de flujo opuesta entre dos palas adyacentes es consistente con la superficie central de la pala, y la cantidad de cambio en la dirección circunferencial se aproxima a cero. El efecto de la pala real se considera introduciendo un campo de fuerza de masa imaginario.

De esta forma se puede obtener la solución del flujo de aire sobre la superficie limitante del flujo que coincide con la superficie central de la pala. A principios de la década de 1950, el científico chino Wu Zhonghua mejoró la teoría del flujo y propuso una teoría general del flujo tridimensional en turbomáquinas. Esta teoría introduce los conceptos de dos tipos de superficies de flujo relativo, S 1 y S 2 , y deriva las ecuaciones básicas de los dos tipos de superficies de flujo respectivamente. A través de la combinación apropiada y la aplicación alternativa de estos dos tipos de superficies de flujo, una práctica tridimensional

El problema de flujo se descompone en dos problemas de flujo bidimensionales relacionados a lo largo de las superficies de flujo opuestas de S 1 y S 2 (ver figura). De hecho, generalmente se asume que la superficie de la corriente S 1 es una superficie en espiral arbitraria, y solo se toma una superficie central de la corriente llamada S 2m en la familia de superficies de la corriente S 2 . Esto da una aproximación preliminar del flujo tridimensional.

La teoría general del flujo tridimensional de turbomáquinas se propuso para el flujo subsónico puro y el flujo supersónico puro. De hecho, dado que la turbomáquina de alta velocidad generalmente tiene flujo transónico, es decir, hay regiones subsónicas y supersónicas en el campo de flujo, y hay superficies de choque y superficies sónicas cuyas formas, números y posiciones se desconocen. Por lo tanto, el flujo transónico es una de las direcciones de investigación de la aerodinámica de turbomáquinas.
Es la segunda dirección de investigación para resolver directamente el problema de flujo tridimensional bajo la condición de la forma geométrica del canal de la pala.
Para la influencia de la viscosidad del fluido, los métodos semi-empíricos se utilizan generalmente en ingeniería para corregir. Además, la interacción entre la capa límite en el perfil de la pala y la capa límite de la pared anular en la carcasa o el cubo, así como el flujo principal de la capa límite, producirán el fenómeno llamado "flujo secundario", que tiene un impacto en el rendimiento de la turbomaquinaria No hay un impacto pequeño. Por lo tanto, la investigación sobre el flujo viscoso en turbomáquinas es la tercera dirección.
Bajo ciertas condiciones de trabajo que no son de diseño, la maquinaria turbo, especialmente los turbocompresores, a menudo sufren de eficiencia reducida, condiciones de trabajo fluctuantes e incluso daños en las piezas. La pérdida de rotación, la sobretensión, la interferencia entre las palas móviles y las palas estacionarias, la distorsión del campo de flujo de entrada, el aleteo de las palas, etc. pertenecen a esta categoría de fenómenos. El llamado puesto giratorio se refiere a la disminución en la relación de presión y la eficiencia debido a la separación del flujo de aire en la fila de paletas del compresor.

Surge se refiere al fenómeno de que hay una pulsación del flujo de aire a lo largo de la dirección axial en el compresor, por lo que la relación de presión y la eficiencia se reducen en gran medida. La interferencia entre las palas en movimiento y las palas estacionarias se refiere a los efectos inestables de las filas de palas estacionarias y giratorias en el campo de flujo. La distorsión del campo de flujo se refiere a la influencia de la falta de homogeneidad del campo de flujo de entrada en las propiedades mecánicas de la turbina.

Las palas largas de última etapa de los compresores y las grandes turbinas de vapor vibran ligeramente debido a la aeroelasticidad cuando aumenta la velocidad y la masa (peso) disminuye, y absorben energía del flujo de aire circundante. Esta energía refuerza la amplitud de las palas y la amplitud aumentada. aumenta la energía absorbida por el flujo de aire, y la vibración autoexcitada formada alternativamente de esta manera se llama aleteo.

Todos estos fenómenos están estrechamente relacionados con la inestabilidad del campo de flujo. La cuarta dirección de investigación de la aerodinámica de turbomáquinas es el flujo inestable en turbomáquinas.
Además, con la aplicación generalizada de turbomáquinas en aviación, maquinaria y otros sectores industriales, la escala de investigación experimental y el nivel técnico de la aerodinámica de turbomáquinas ha ido aumentando día a día.

Algunos países industrializados ya cuentan con equipos experimentales, como bancos de prueba giratorios con potencia de hasta decenas de miles de kilovatios y velocidades de rotación de hasta decenas de miles de revoluciones por minuto, así como equipos experimentales como túneles de viento en cascada planos y anulares, y uso extensivo de medición de velocidad láser, observación visible y medición eléctrica de métodos de prueba no eléctricos y el sistema de procesamiento de datos correspondiente. Estos estudios experimentales mejorarán continuamente las características aerodinámicas de las turbomáquinas y harán que la teoría sea más perfecta.