Autor:
ŠKORPÍK, Jiří, ORCID: 0000-0002-3034-1696
Datum vydání:
Září 2022
Název:
Aerodynamika profilových mříží
Název on-line zdroje:
Transformační technologie (transformacni-technolgie.cz; turbomachinery.education; fluid-dynamics.education; engineering-sciences.education)
ISSN:
1804-8293
Copyright©Jiří Škorpík, 2006-2022 |
Základní pojmy aerodynamiky profilových mřížíAerodynamika osamocených profilůOdporVztlakAerodynamika profilové mříže vychází z definic aerodynamických veličin používáných při popisu aerodynamiky osamocených profilů [Škorpík, 2022]. To znamená, že u profilu zařazeného do profilové mříže lze také rozlišovat odpor a vztlak, které lze vypočítat podle stejných vzorců jako v případě osamocených profilů, s tím rozdílem, že místo nátokové rychlosti se vychází ze střední aerodynamické rychlosti v mříži, takže odpor je ve směru této střední rychlosti a vztlak kolmý na tuto rychlost, viz Rovnice 1. 1: Vzorce pro odpor a vztlak lopatky v lopatkové mříži (b) řez rovinnou lopatkovou mříží; (b) vzorce pro výpočet odporu a vztlaku přímé lopatky v rovinné lopatkové mříži; (c) vztahy mezi rychlostmi a silami působící na přímou lopatku. D [N] odpor; L [N] vztlak; F [N] výsledná síla působící na lopatku; ρ [kg·m-3] hustota pracovní tekutiny; Wm [m·s-1] střední aerodynamická rychlost v mříži; c [m] tětiva profilu; γ [°] úhel nastavení profilu v mříži; b [m] šířka lopatkové mříže; l [m] délka přímé lopatky; CD, CL [1] součinitel odporu a vztlaku profilu v profilové mříži; s [m] rozteč. θ, a-označení os v soustavě souřadnic.Součinitel vztlakuSoučinitel odporuAerodynamický tunelJapikse,1997Aerodynamické součinitelé C profilů v mříži jsou měřeny v aerodynamických tunelech rovinných lopatkových mříží, viz Obrázek 2 pro různou kombinaci rychlostí a nátokových úhlů. Lopatková mříž v aerodynamické tunelu je tvořena několika (5 až 7) přímými lopatkami vloženými do průtokového kanálu šikmo tak, aby proud pracovní tekutiny odpovídal směru relativní rychlosti ve skutečné lopatkové mříži. Vstupní a výstupní průřez tunelu odpovídá průtočným průřezům testované lopatkové mříže. Konstrukce aerodynamického tunelu kompresorových lopatkových mříží jsou uvedeny např. v [Japikse, 1997, s. 11-7] a pro turbínové lopatkové mříže [Japikse, 1997, s. 6-22]. 2: Aerodynamický tunel pro měření lopatkových mříží |
Kanál aerodynamického tunelu na výtoku je tvořen pohyblivými stěnami, kterými se ovlivňuje rychlostní pole na okrajích mříže a umožňuje naklápění vstupních a výstupních kanálů pro změnu nátokového úhlu. W1, 2 [m·s-1] rychlost před a za mříži; p1, 2 [Pa] tlak před a za mříži.
Aerodynamický tunelZkroucené lopatkyMachovo čísloPoužívají se i aerodynamické tunely pro měření zkroucených lopatek, kde se provádí měření i po délce lopatek. Dokonce se používají i aerodynamické tunely, ve kterých lze měřit aerodynamiku celého stupně při rotaci. Konstrukce takového zkušebního zařízení je uvedena např. v [Japikse, 1997, s. 6-23]. Poslední speciální skupinou aerodynamických tunelů jsou nadzvukové aerodynamické tunely, ve kterých se zkoumá i vliv efektů spojených se stlačitelností a s nadzvukovými rychlostmi, více v článku Machovo číslo a efekty při proudění vysokými rychlostmi [Škorpík, 2023c]. Součinitel odporuZakřivení prouduOdtržení prouděníNátokový úhelAerodynamická charakteristika profiluNaměřená aerodynamická data jsou publikována v grafické podobě, viz Obrázek 3. Na obrázku je jasně patrné, že součinitel odporu CD má nějaké minimum a zakřivení proudu Δβ nějaké maximum. To je dáno tím, že stabilní proudění lopatkovou mříží je jen v určitém intervalu nátokových úhlů i. Mimo tento interval docházi k odtržení proudění od profilu – v případě velkého nátokového úhlu na sací straně profilů – nebo od určité záporné hodnoty nátokového úhlu na přetlakové straně profilů. 3: Aerodynamická charakteristika profilu v lopatkové mříži Δβ [°] úhel zakřivení proudu; i [°] nátokový úhel nátokové rychlosti W1 – index opt označuje optimální nátokový úhel, kdy lopatky dosahují maximální hodnoty vztlaku vzhledem k hodnotě odporu, index n označuje navržený jmenovitý nátokový úhel – jedná se o takový úhel, kterému odpovídá zakřivení proudu přibližně 0,8·Δβmax – zde ještě má lopatková mříž dostatečné rezervy pro změny provozních parametrů, anichž by docházelo k odtrhávání proudu od profilu. a-stabilní oblast proudění bez odtrhávání mezní vrstvy od profilu; b-oblast odtržení na sací straně lopatky; c-oblast odtrhávání na přetlakové straně lopatky. |
Lopatkový kanálHowell, A. R.Carter, A. D. S.Lieblein, S.Japikse,1997Lopatkové kánaly v lopatkových strojích svůj tvar a velikost po délce mění, tak jak se mění profil a rozteč lopatek, které tyto kanály vymezují. Zejména u zkroucených lopatek dochází velkým změnám nejen geometrických ale i aerodynamickým parametrům proudění, takže pro aerodynamické výpočty je nutné mít k dispozici velké množství měření. Měření aerodynamických veličin pro kombinaci tolika proměnných je časově i finančně nákladné a proto byly vyvinuty výpočtové metody predikce změny aerodynamických veličin profilů při změně některých parametrů, např. metoda Howelova, Carterova, Liebleinova...[Japikse, 1997, s. 5-14]. Tyto metody mají užitek především při snaze snížit potřebné množství měření při drobných změnách na profilu. V článku je následně popsáno jak z měření určit jednotlivá aerodynamická data a také jak využít aerodynamickou charakteristiku profilu, při návrhu profilové mříže lopatkového stroje. Tlaková ztráta profilové mřížePři proudění jakýmkoli kanálem lze indikovat tlakovou ztrátu, která vzniká zejména vnitřním tření pracovní tekutiny. V případě lopatkových kanálů, respektive lopatkových mříží je tlaková ztráta Lp definována jako rozdíl, o který se musí tlak za mříží p2 snížit, aby rychlost za mříží W2 byla stejná jako rychlost W2is při proudění mříží beze ztrát při výstupním tlaku p2is, viz Rovnice 4. Přičemž stav před mříží je předpokládán stejný pro oba případy. 4: Tlaková ztráta profilové mříže Lp [Pa] tlaková ztráta; p2is [Pa] tlak za mříží při proudění beze ztrát; p2 [Pa] tlak za mříží při dosažení stejných rychlostí před a za mříží W1, 2.Profilová ztráta profilové mřížeProfilovými ztrátami profilové mříže se rozumí nežádoucí transformace energie (disipace energie) v pracovní tekutině, které vnikají při průtoku profilovou mříží. Mezi profilové ztráty patří zejména ztráty vnitřním třením, ztráty při odtržení proudění od profilu, ztráty při víření za odtokovou hranou a ztráty v rázové vlně při proudění vysokými rychlostmi. Suma těchto ztrát vytváří celkovou profilovou ztrátu mříže. |
Ztráta vnitřním třenímLaminární prouděníTurbulentní prouděníZtráty vnitřním třením v mezní vrstvě jsou nevyhnutelné kvůli vnitřnímu tření pracovní tekutiny. Charakteristickým rysem lopatkových kanálů je jejich malý rozměr a vysoká rychlost, takže mezní vrstva se obvykle plně nevyvine a zůstává laminární, přičemž v jádru proudu mohou být turbulence, pokud před lopatkových kanálem bylo vyvinuté turbuletní proudění. Více o přechodech proudění mezi turbulentním laminárním v článku Vnitřní tření tekutiny a vývoj mezní vrstvy [Škorpík, 2023]. Reynoldsovo čísloOsamocený profilK predikci druhu mezní vrstvy v okolí profilu je důležité tzv. Reynoldsovo číslo, které je mimo jiné přímo úměrné délce tětivy c, takže pro stejné rychlosti mají profily s malou délkou tětivy malou hodnotu Reynoldsova čísla a naopak. To je také důvod proč se uvádějí aerodynamické součinitelé osamocených profilů pro velká Reynoldosva čísla – očekává se jejich aplikace jako profily křídel letadel, kde je velmi velká délka tětivy, ale například u lopatek lopatkových strojů je řádově měnší. Drsnost povrchuTření v mezní vrstvě je ovliněno i kvalitou povrchu (drsnost) lopatky. Drsnost povrchu lopatky nelze příliš ovlivnit, protože pracovní tekutiny lopatkových strojů obvykle obsahují nečistoty, byť v malé koncentraci, a ty reagují s povrchem lopatky (ulpívají na povrchu nebo ho poškozují) a určují jeho drsnost především při delším provozu, viz Obrázek 5. 5: Změna drsnosti obtékaného povrchu v čase (a) na počátku vysoká drsnost; (b) na počátku nízká drsnost. Ra [μm] drsnost povrchu; t [h] doba provozu. Při výrobě je nutné zvážit, jestli se vyplatí výroba velmi hladké lopatky, když se po čase její povrch stane drsnější.Ztráta odtržením prouděníMechanismus odtržení proudění od profilu je už popsán v článku Aerodynamika profilů [Škorpík, 2022]. Kromě energetické ztráty, následkem odtržení může být kolaps průtoku lopatkovou mříží a kmitání lopatek. Difuzorová mřížU difuzorových profilových mříží dochází k odtržení vždy, viz také článek Proudění plynů a par difuzory [Škorpík, 2023b]. Rozsah odtržení lze ovlivnit zejména tvarem profilu a nátokovým úhlem, respektive vhodným rozvržením změn tlaku podél profilu, viz Úloha 1. |
Ztráta vířením za odtokovou hranouOdtokové hrany lopatek nejsou ostré především z pevnostních důvodů, takže mezi proudy od sací a přetlakové stranách lopatek je mezera, ve které vznikají drobné víry kvůli odlišným rychlostí těchto proudů, viz Obrázek 6. Přičemž víry jsou typickým jevem zvyšující entropii tekutiny. 6: Vířením za odtokovou hranou Ztráta v rázových vlnáchKritické Machovo čísloRychlost proudění se podél profilu mění, takže i když před mříží nedosahuje proudění rychlosti zvuku, tak v mříži této rychlosti dosáhnout může nebo ji dokonce překonat při určité nátokové rychlosti, kterou označujeme jako kritického Machovo číslo profilové mříže. Při následném poklesu rychlosti zpět na podzvukovou může, za jistých podmínek, vzniknout rázová vlna. Podrobnosti o proudění v profilových mříží vysokou rychlostí jsou uvedeny v kapitole Aerodynamika profilových mříží ve stlačitelném prostředí v [Škorpík, 2023c]. Celková profilová ztrátaCelkovou profilovou ztrátu mříže lze vyjádřit i jako entalpii, o kterou se musí snížit izoentropický rozdíl entalpií za mříži, aby rychlost na výstupu byla stejná jako v případě proudění beze ztrát, viz Obrázek 7. 7: Profilová ztráta v lopatkové mříži (a) situace v konfuzorové mříži; (b) situace v difuzorové mříži. h [J·kg-1] entalpie; s [J·kg-1·K-1] entropie; ps [Pa] celkový tlak; Lh [J·kg-1] profilové ztráty. Index is označuje změny stavu při proudění beze ztrát. |
Poměrná profilová ztráta mřížeK vyjádření aerodynamické kvality profilové mříže se používá veličina zvaná poměrná profilová ztráta profilové mříže ξh, která je definována jako poměr mezi profilovou ztrátou mříže a celkovou disponibilní entalpii pracovní tekutiny při průtoku mříží, viz Vzorec 8. Hodnoty poměrné profilové ztráty profilových mříží nepřekračují jednotky procent. 8: Poměrná profilová ztráta lopatkové mříže (a) konfuzorový lopatkový, nebo rovnotlakový lopatkový kanál; (b) difuzorový lopatkový kanál. ξh [1] poměrná profilová ztráta profilové mříže.Ztráty lopatkových mřížíV lopatkových mříží nevznikají pouze profilové ztráty, ale také ztráty vznikající při pohybu (rotaci) mříží, konečnou délkou lopatek – ztráty vznikající u okrajů lopatek. Souhrnně se ztráty na reálných lopatkových mříží nazývají ztráty lopatkových mříží. Výpočet sil působící na lopatku v rovinné lopatkové mřížiSíla na lopatkuIdeální proudění vs. proudění reálné tekutinyPři identifikaci jednotlivých složek sil působící na lopatku v rovinné lopatkové mříže se vychází z toho, že při reálném proudění se změní tlak (klesne) na výstupu z mříže, tak aby rychlosti a rychlostní trojúhelníky byly stejnéo jako při proudění beze ztrát. To znamená, že podle věty o změně hybnosti tekutiny budou stejné i složky síly působící ve směru θ (tzv. obvodový směr), protože ty jsou funkcí pouze změn složek rychlostí v tomto směru, a naopak se zvýší složky sil působící ve směru a (tzv. axiální směr). Z těchto předpokladů lze zakreslit jednotlivé složky síly působící na lopatku v rovinné lopatkové mříži, tak jako na Obrázku 9. 9: Rozklad sil působící na přímou lopatku určité délky v rovinné lopatkové mříži (a) konfuzorová mříž; (b) difuzorová mříž. βm [°] úhel střední aerodynamické rychlosti v mříži; F [N] síla působící v daném směru; ε‾ [°] klouzací úhel. |
Součinitel vztlakuSoučinitel odporuProfilová ztrátaTlaková ztrátaRovnice pro výpočet součinitele vztlaku a odporu a profilovou ztrátu profilové mříže (Rovnice 10) lze odvodit na základě předchozího obrázku a z tlakové ztráty. Tyto rovnice lze použít i obráceně k výpočtu tlakové ztráty na základě aerodynamických veličin. Přičemž Rovnice 10d pro součinitel vztlaku pro případ proudění beze ztrát CL,is je odvozena z požadavku na zakřivení proudu a Rovnice 10b pro CL,is je odvozena ze skutečných hodnot aerodynamických součinitelů–pravé strany těchto rovnic se u dobře navržené profilové mříže rovnají. 10: Rovnice pro výpočet aerodynamických veličin profilové mříže CL,is [1] součinitel vztlaku pro případ proudění bez profilových ztrát; σ [1] hustota lopatkové mříže. Orientace kótování úhlů nátokové a výtokové rychlosti β1, β2 je stejná jako orientace úhlů βm na Obrázku 9. Odvození rovnic je v Příloze 5.Přenositelnost aerodynamiky rovinné mříže na aerodynamiku diagonálních a radiální lopatkových mřížíTransformační rovniceNožička, 1967Japikse,1997V Úloze 2 je předvedená aplikace aerodynamických dat získaných při měření na rovinné lopatkové mříži na axiální lopatkovou mříž, ale tato data mohou být aplikována i na radiální a diagonální lopatové mříže. V takovém případě se tvar lopatek nerovinných mříží musí transformovat bod po bodu na rovinné mříže. Na Obrázku 11 je příklad transformace tvaru kruhové lopatkové mříže na rovinnou pomocí transformačních rovnic. Podobným způsobem lze transformovat i diagonální lopatkovou mříž [Nožička, 1967, s. 84], [Japikse, 1997, s. 7-24]. Stejně tak se musí transformovat tlakové a rychlostní pole naměřené na rovinné lopatkové mříži zpět do kruhových souřadnic postupem odvozeným v [Nožička, 1967, s. 84]. Tyto tranformační rovnice jsou odvozeny za zjednodušujícího předpokladu potenciálního proudění. |
11: Transformační rovnice tvaru kruhové profilové mříže na rovinnou r [m] poloměr lopatkové mříže.Transformace aerodynamických veličin osamocených profilů na aerodynamické veličiny profilových mřížíAerodynamika osamoceného profiluAerodynamická interferenceAbbott, 1959Při návrhu profilových mříží s málo prohnutými profily levných kusových strojů, kde si nelze dovolit aerodynamický výzkum profilové mříže, lze využít dostupné osamocené profily k sestavení profilové mříže. Výhodou je, že jsou snadno dostupná aerodynmická data z měření velkého množství osamocených profilů, viz například [Abbott and Doenhoff, 1959]. Nevýhodou je, že lze očekávat, že aerodynamické součinitele osamoceného profilu budou mít jinou hodnotu, než tyto součinitele stejného profilu, ale zařazeného v profilové mříži. To je dáno jednak aerodynamickou interferencí sousedících profilů a jednak rozdílnou definicí aerodynamických součinitelů – v případě osamocených profilů jsou vztažena k nátokové rychlosti, v případě profilových mříží ke střední aerodynamické rychlosti v mříži.
Součinitel vztlakuWeiningův součinitelLakshminar., 1996Wang and Kruyt, 2022Změnu součinitele vztlaku profilu po vložení do profilové mříže lze přibližně stanovit pomocí Weiningova součinitele. Weiningův součitel je definován jako podíl součinitele vztlaku profilové mříže složené z plochých desek CL a součinitele vztlaku osamocené ploché desky CLisolated, který je označován písmenem K, viz Vzorec 12 [Lakshminarayana, 1996, s. 212]. Tento poměr je odvozený pro ploché desky, ale pro přibližnou změnu aerodynamických součinitelů málo prohnutých profilů se běžně používá při návrhu profilových mříží [Wang and Kruyt, 2022]. |
12: Weiningův součinitel CLisolated [1] součinitel vztlaku osamocené desky. Vzorec má platnost přibližně do hodnoty 1/σ= 0,7, od této hodnoty lze vycházet z grafu uvedeného v [Lakshminarayana, 1996, s. 212]. Od hodnoty 1/σ=2,5 je součinitel K blízký hodnotě 1.
Větrné turbínyVrtuleMimo Weinigova součinitele existují i jiné způsoby jak určit součinitel vztlaku profilu v mříži, jestliže jsou známy jeho parametry při jeho měření jako osamoceného profilu. Tyto způsoby se používají při výpočtu lopatkových mříží větrných turbín a vrtulí, více v článku Aerodynamika větrných turbín. Součinitel odporuJestliže nebude docházet k odtrhávání proudu od profilu, lze očekávat, že sounitel odporu profilu v mříži CD bude velmi blízký hodnotě, která by byla naměřena v případě, že by byl profil měřen jako osamocený, a proto se nijak nepřepočítává. Takže aerodynamický výpočet takto navržené profilové mříže lze začít tak, že z hodnot součinitele vztlaku a odporu profilu lze podle Rovnice 10 pro součinitel vztlaku CL a navržený úhel střední aerodynamické rychlosti βm vypočítat součinitel vztlaku CL,is atd., viz Úloha 4. Základní profilV případě profilů s vytvořených prohnutím základního profilu (obvykle profily s prohnutím větším než u osamocených profilů) lze při výpočtu sil na lopatku vycházet z vlastností výchozího základního profilu. Výpočet vychází z předpokladu, že po prohnutí se příliš nezmění součinitel odporu CD profilu, takže na základě výpočtu odporu profilu v mříží D lze stanovit i další hodnoty sil podle Obrázku 9. ÚlohyÚloha 1:
Popište, která z uvedených profilových mříží (viz obrázek) bude pravděpodobně citlivější na održení proudu od profilu. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 1.
|
Úloha 2:
Vypočítejte tlakovou a poměrnou profilovou ztrátu profilové mříže rotoru axiálního ventilátoru. Zvýšení tlaku v rotorové řadě lopatek je 500 Pa, relativní rychlost vzduchu na vstupu do rotorové řady lopatek je 46,7 m·s-1, na výstupu 35,4 m·s-1. Hustota pracovního plynu je 1,2 kg·m-3. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 2.
U [m·s-1] obvodová rychlost.
Postup řešení Úlohy 2. Popisek symbolů je v Příloze 2.Úloha 3:
Vypočítejte součinitel vztlaku a odporu profilu lopatek oběžného kola Kaplanovy turbíny z Úlohy 8 v článku Základní rovnice lopatkových strojů. Výpočet proveďte na středním poloměru lopatky. Počet lopatek je 6, délka tětivy lopatek na středním poloměru je 1,8 m a poměrná profilová ztráty mříže na vyšetřovaném poloměru je 2,5 %. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 3.
Postup řešení Úlohy 3. Popisek symbolů je v Příloze 3. |
Úloha 4:
Navrhněte parametry nátokové a výtokové rychlosti a zakřivení proudu a rozteč difuzorové profilové mříže sestavené z osamocených profilů typu NACA 65-410, jestliže je tato profilová mříž určena pro rotor axiálního ventilátoru s požadovaným zvýšením tlaku 500 Pa a nachází se na středním kvadratickém poloměru lopatek. Hustota pracovního plynu je 1,2 kg·m-3, střední kvadratický poloměr lopatek 1050 mm a otáčky ventilátoru jsou 325 min-1. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 4.
rm [m] střední poloměr lopatek.
Postup řešení Úlohy 4. Popisek symbolů je v Příloze 4.OdkazyŠKORPÍK, Jiří, 2022, Aerodynamika profilů, Transformační technologie, Brno, [online], ISSN 1804-8293. https://fluid-dynamics.education/aerodynamika-profilu.html.
ŠKORPÍK, Jiří, 2023, Vnitřní tření tekutiny a vývoj mezní vrstvy, Transformační technologie, Brno, [online], ISSN 1804-8293. https://fluid-dynamics.education/vnitrni-treni-tekutiny-a-vyvoj-mezni-vrstvy.html.
ŠKORPÍK, Jiří, 2023b, Proudění plynů a par difuzory, Transformační technologie, Brno, [online], ISSN 1804-8293. https://fluid-dynamics.education/proudeni-plynu-a-par-difuzory.html.
ŠKORPÍK, Jiří, 2023c, Machovo číslo a efekty při proudění vysokými rychlostmi, Transformační technologie, Brno, [on-line], ISSN 1804-8293. https://fluid-dynamics.education/machovo-cislo-a-efekty-pri-proudeni-vysokymi-rychlostmi.html.
ABBOTT, Ira, DOENHOFF, Albert, 1959, Theory of wing sections, including a summary of airfoil data, Dover publications, inc., New York, ISBN-10:0-486-60586-8.
JAPIKSE, David, 1997, Introduction to turbomachinery, Oxford University Press, Oxford, ISBN 0-933283-10-5.
LAKSHMINARAYANA, Budugur, 1996, Fluid Dynamics and Heat Transfer of Turbomachinery, John Wiley & Sons, Toronto, ISBN 0-471-85546-4.
NOŽIČKA, Jiří, 1967, Analogové metody v proudění, Academia, Praha.
WANG, Jie, KRUYT, Niels, P., 2022, "Design for High Efficiency of Low-Pressure Axial Fans With Small Hub-to-Tip Diameter Ratio by the Vortex Distribution Method" J. Fluids Eng., 144(8), https://doi.org/10.1115/1.4053555.
©Jiří Škorpík, LICENCE
|