Определение коэффициента вязкого трения для расчета дисковых гидротурбин

Внедрение: 2015 г.

Учеными из Казахстана разработана методика и изготовлен специальный стенд с применением Установки измерительной LTR-U-1 для определения коэффициента вязкого трения  в зазорах между дисками гидротурбины в зависимости от скорости потока жидкости. Полученные данные имеют практическую ценность для инженерных расчётов гидротурбин.  

Приведём краткую справку о конструкции гидротурбины. Ротор гидротурбины 1 (рисунок 1)  состоит из набора плоских дисков 2 толщиной d радиусом R, собранный в пакет, жестко установленный на валу. Вода из диффузора 4 под напором Н и с расходом Q подается через щелевое отверстие 5 шириной C и высотой h, попадая в зазоры между дисками величиной b, раскручивает ротор турбины за счет сил вязкого трения (в отличие от традиционных турбин, в которых вращение ротора турбины обеспечивается за счет сил реакции потока воды, воздействующего на лопасти турбины как на преграду). Вода, передавшая кинетическую энергию ротору турбины, выводится через центральное отверстие радиусом r по направлению оси Z.
 

Рисунок 1. Схема дисковой гидротурбины.

Стенд для определения коэффициента вязкого трения на малых скоростях представлен на рисунке 2. Он состоит из рамы, на которой установлен мотор-редуктор с частотой вращения 100 об./мин выходного вала, на котором установлен ведущий блок из 7 звездочек разного диаметра, цепной передачи с устройством для натяжения цепи, второго ведомого блока из 8 звездочек, шестерни и рейки, на которой крепится тензометрическая балка. Пакет из нескольких пластин дисков закреплялся при помощи тонкой нити к тензометрической балке и погружался в емкость с водой. Конструкция зубчато-реечной передачи такова, что при совершении шестерней полутора оборотов рейка перемещается на 35 мм, и после этого шестерня выходит из зацепления с рейкой и последняя останавливается. Пакет собирался из пяти пластин размером 0,1х0,15 м из того же материала, что диски гидротурбины, а именно из алюминия толщиной 1,2 мм. Зазор между пластинами b = 0,002 м определялся толщиной шайб.

Рисунок 2. Стенд для определения коэффициента вязкого трения на малых скоростях.

Тензометрические измерения производились при помощи системы сбора данных LTR-U-1, укомплектованной модулем LTR212, с применением ПО LGraph2. Первоначально производилась тарировка тензометрической балки при помощи грузов в 10, 20 30 граммов. По графику тарировки в программе LGraph2 определялся коэффициент пересчета в ньютонах на вольт [H/B].
Пакет из пластин погружали в воду. Затем цепь устанавливалась в зацепление определенных пар ведущего и ведомого блоков звездочек. Для замера силы трения в экспериментах использовалась тензометрическая балка. Далее включался двигатель и при помощи системы сбора данных LTR-U-1 в программе LGraph2 записывался график изменения силы гидравлического трения, которая отображалась на графике в вольтах. При помощи коэффициента пересчета определялась сила вязкого трения в ньютонах. Таким образом, производились замеры при различных сочетаниях ведущей и ведомой звездочек. Для определения скорости вычислялось время полутора оборотов шестерни в секундах в соответствии с передаточным отношением задействованных пар звездочек. Затем определялась скорость как частное пути (0,035 м) и время полутора оборотов шестерни в секундах.

Для определения коэффициента вязкого трения на средних скоростях использовался тот же экспериментальный стенд, только двигатель  не имел редуктора (рисунок 3).

Рисунок 3. Стенд для определения коэффициента вязкого трения на средних скоростях.

Далее были определены коэффициенты вязкого трения на более высоких скоростях. При этом использовался тот же экспериментальный стенд (рисунок 3). Эксперименты проводились аналогично описанным выше, но использовалась приводная звездочка с числом зубьев 28.

Проведенные экспериментальные исследования зависимости коэффициента вязкого трения от скорости потока воды позволили установить нелинейный характер этой зависимости.

Рисунок 4. График экспериментальной зависимости коэффициента вязкого трения от скорости потока воды..

Полученные экспериментальные зависимости коэффициента вязкого трения в зависимости от скорости течения жидкости пригодны для расчета дисковых гидротурбин, в которых используются диски из алюминия.

Работа выполнена в рамках гранта Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан (номер госрегистрации 0113РК00415).

Источники:

• Лысенко В.С. Анализ мощности дисковой гидротурбины // Успехи современного естествознания. Технические науки. – 2014. - № 4. – С. 109 – 113.
• Лысенко В.С., Кулжабаев Б.Д. Экспериментальное определение коэффициента вязкого трения для расчета дисковых гидротурбин // Современные наукоемкие технологии. Технические науки. – 2015. - № 7. – С. 60 – 65.

Разработчик: Лысенко В.С. (Казахский национальный педуниверситет им. Абая, Алматы), Кулжабаев Б.Д. (ТОО Университет «АЛМАТЫ», Алматы)