книги / Центробежные компрессоры

При характерных значениях величин, взятых из примера для оп­ ределения Асср, отношение (4.5) примерно равно 1 , т. е. уве­ личения скорости вдоль а от передней к задней стороне лопат­ ки почти не происходит, в некоторых областях имеет место даже об­ ратное явление. Таким образом, характер течения вдоль передней и задней поверхностей лопаток не должен существенно разли-

Чаться, так как нормальные градиенты скорбсти весьма малы (или даже противоположны) по сравнению с имеющимися

в РК.

При работе ЛД с неосесимметричным выходным устройством картина обтекания становится существенно зависящей от угла 0. На рис. 4.4 показано изменение давления по углу 0 в сечении 4 —4 для одной из концевых ступеней, испытанных в ЛПИ и исследо­ ванных с помощью установки ЭМА. Расчетные и опытные зави­ симости при разных углах натекания качественно совпадают, хотя изучение этого вопроса на установке ЭМА носит несколько условный характер: не учитывалось взаимное влияние окруж­ ной неравномерности и напорной характеристики колеса (чем

Рис. 4.4. Распределение статического давления по окружности на выходе из ЛД в трапециевидную улитку

круче напорная характеристика РК, тем меньшей разницей в распределении расходов сопровождается различие в сопроти­ влении отдельных каналов).

Различие в обтекании отдельных лопаток невязким потоком при работе с улиткой также анализировалось на установке ЭМА. Диффузор имел 12 лопаток, угол на входе а лз = 20° и исследовался при а3, равном 16, 18 и 21°. Общей зако­ номерностью является неравномерная нагрузка на лопатки. Максимальные ско­ рости наблюдаются у носика задней стороны 12-й лопатки при 0 = 90° и сосед­ них с ней лопаток (приняты 0 = 0 в точке теоретического начала языка и 0Я = = 30°). На их передней стороне скорости минимальны по всей длине. Таким об­ разом, максимальная циркуляция наблюдается вокруг 12-й лопатки. При сравне­ нии эпюр в соответствии с порядковыми номерами лопаток при 0 > 90° видно, что относительные скорости на задней поверхности постепенно падают, а на пе­ редней — растут, пока не уравновешиваются в районе 6—7-й лопаток (0 «

лопаток, так как нагрузка на шестую—десятую лопатки практически отсут­ ствует. Преобразование динамического напора в статическое давление в этих каналах меньше, чем в других, что подтверждается графиком распределения давления по 0 (рис. 4.4). В зоне 0 == 30-^135° критическая точка перемещается с носика лопатки на переднюю поверхность, т. е. поток набегает со все большими положительными углами атаки i3. Преобразование кинетической энергии потока в каналах, образованных 9—10-й и 12—1-й лопатками, максимальное. Далее

в области 0 = 135-ь 315° наблюдается постепенное перемещение передней крити­ ческой точки с передней поверхности на заднюю, а затем наоборот, т. е. углы атаки меняются от максимальной положительной величины до максимальной отрица­ тельной, а потом снова падают до нуля.

В рассматриваемом случае улитка не соответствует по проходным сечениям условию постоянства скорости по окружности. С 0 = 135° она начинает работать как конфузор, и конфузорность эта увеличивается к выходному сечению, т. е. с 0 = 135° проходные сечения следовало бы увеличить.

Различие в обтекании лопаток по углу 0 наблюдается и при испытаниях реальных ступеней, однако эти опыты не привели пока к выработке рекоменда­ ций по особенностям профилирования ЛД концевых ступеней.

4.2. Некоторые результаты исследования лопаточных диффузоров

Лопаточные диффузоры давно применяются в ПЦК и были объектом достаточно подробного изучения, результаты которого отражены в книгах по турбокомпрессорам [32; 50; 60; 65]. Ниже

М. И. Калинина и ранее не публиковавшиеся в монографической литературе.

Область рационального применения лопаточных диффузоров.

Сопоставление характеристик ступеней на рис. 4.5 дает представле­ ние об этой проблеме. «Классический» характер влияния типа диффузора (ЛД с Ь3/&2 = 1,2, г4 = 1,59 и БЛД с Ь3 = Ь2, г± = = 1,59) демонстрирует промежуточная ступень с РК конструк­ ции ЛПИ 2-0,25-0,028 (Жи = 0,79). Повышение максимального к. п. д. на 4 % вызвано согласованностью оптимальных режимов и уменьшением потерь в ОНА (к. п. д. двухзвенных ступеней отличается на 0,2%). Коэффициенты потерь диффузоров практи­

Сопоставление характеристик промежуточной ступени СКБ-К с высокорасходным высоконапорным РК традиционной конструк­ ции и ЛД с b%!b%= 1,2 (штатная ступень УЦКМ СКБ-К) и этой же

ступени при БЛД с Ь3 = 62, = 1,59 демонстрирует аналогич­ ную вышеописанной картину. Однако целесообразность приме­ нения ЛД для повышения т]тах в этом случае нельзя считать дока­

уменьшения Ь2 на режиме Фр величина а 2 увеличена до 26°. Не­ смотря на снижение реактивности РК, максимальный к. п. д. ступени с БЛД практически такой же, как у ступени с ЛД, а преимущество первой по зоне работы неоспоримо. Аналогичные результаты получены при сопоставлении ряда других высокорас­ ходных ступеней (Фр 5 > 0,08). Во всех случаях выбор размеров РК, обеспечивающих хорошую работу БЛД на расчетном режиме, давал уровень потерь в НЭ не выше, чем в ЛД, спрофилирован­ ных по обычным рекомендациям. Возможно, причиной этого является неудовлетворительное обтекание цилиндрических ло­ паток ЛД по высоте при больших значениях б2. Во всяком слу­ чае повышение эффективности ЛД для высокорасходных сту­ пеней требует дополнительного изучения.

Нужно принимать во внимание тенденцию роста эффективно­ сти ступеней с ЛД при уменьшении Фр. Расширение лопаточного диффузора по отношению к ширине колеса на выходе, т. е. при­ нятие Ь3 > 62, приводит к повышению к. п. д. При наличии лопаточной решетки дезорганизация потока из-за внезапного рас­ ширения локализуется на сравнительно небольшой безлопаточной части диффузора. Потери в последующих элементах ступени уменьшаются из-за снижения скорости и увеличения гидравли­ ческого диаметра.

Отношение &3/&2. Влияние на характеристику двухзвенной ступени отношения Ь3!ЬЪ по опытным данным В. В. Росселя,

и зоне рабочих режимов имеет ступень с b3!b%= 1,3. Это сравни­ тельно близко к рекомендуемым в [60] отношениям Ь3/Ь2 = 1 ,2 -*- -т-1,25. Оптимальное отношение bs/b2 для малорасходных ступе­ ней с ЛД может быть, вероятно, больше.

Согласование режимов работы РК и ЛД. Возможность согласо­ вания оптимальных режимов этих элементов является важным преимуществом ЛД по сравнению с БЛД. Оптимальный угол атаки для ЛД традиционно связывают с конфигурацией косого среза, которую характеризуют с помощью отношения площадей

жение рабочей зоны ступени. Увеличение г3до 1,4 привело к зна­

и к выходу из рекомендуемых оптимальных пределов густоты решетки и Ккс. Известны высокоэффективные ступени с г3 = 1 , 1 . Однако хорошие характеристики испытанных ступеней с г3 = 1,4 дают основание рекомендовать повышение г3для расширения зоны работы при значительных М.

Форма профиля лопатки. Она изучалась для обычных решеток, средняя линия которых описана дугами окружности. В этом случае радиус изгиба лопаток диффузора Ял и радиус окруж­ ности Яц, на которой расположены центры дуг изгиба лопаток, определяются по формулам:

RÏX -- 1 Ял + г\ — 2/?Л COS аЛ4.

В качестве исходного профиля обычно применяются крыло­ вые профили (чаще всего типа С-4 или его модификации). С целью определения эффективности различных профилей лопаток диф­ фузора было проведено сравнительное исследование концевых ступеней с РК ПЦК при рл2 = 48 и 90°. Форма профилей лопаток диффузора: тип S (лопатки постоянной толщины с утоненными входными и выходными кромками), тип Ц с клиновидным заостре­ нием от точки максимальной толщины Bs, тип С-4 и тип N — кры­ ловые профили, отличающиеся главным образом отношением Bs/B. Некоторые параметры профилей и соответствующих ЛД представлены ниже, в табл. 4.1.

напора были получены в ступени с профилем лопаток N. Несколько уступает ей по этим показателям ступень с профилем Ц. Заметно

Таблица 4.1. Геометрические параметры ЛД с различными профилями лопаток

ниже (например, по т^дтах до 2 %, а по Цлд до 3—4 %) эти пока­ затели у ступеней с профилями типа С-4 и S. Наиболее пологие характеристики в области рабочих режимов (r|âfl4 ^ 0,8riâfl4max) были получены с лопатками типа S и Ц, наиболее крутые — с про­ филями N и С-4. Профили S и Ц имели наиболее толстые входные кромки, но наименьшую величину smax, что привело к увеличению горла межлопаточного канала.

Влияние числа М на характеристики ступени было обнару­

исходных решеток использовались одноярусные решетки с профи­ лями лопаток типа N и Ц. Двухъярусные решетки позволили улучшить характеристики как самого диффузора, так и ступени в целом по сравнению со ступенями с одноярусными решетками лопаток. Улучшение проявляется прежде всего в том, что харак­ теристики диффузора и ступени становятся более пологими. Сточ­ ки зрения выигрыша в максимальных значениях т)ад4 и фад4 эф­ фект получается сравнительно небольшим (рис. 4.9).

Увеличение радиуса подрезки га до оптимальной величины ведет к смещению характеристик в область больших коэффициен­ тов расхода. К такому же сдвигу характеристик приводит умень­ шение числа лопаток исходной решетки. Это связано с изменением сечения канала, а также перераспределением нагрузки по длине лопатки, которое приводит к смещению положения передней критической точки.

Опытные данные показали также, что гп должен быть не­ сколько больше радиуса горла гг, на котором лежат центры окружностей, вписанных в горла межлопаточных каналов длин­ ных лопаток, т. е. чтобы входные кромки коротких лопаток ле­ жали по потоку выше сечения горла лопаток первого яруса.

Эффект от перехода к двухъярусной решетке лопаток диффу-> зора во многом зависит от формы профиля лопаток первого и вто­ рого ярусов. В связи с этим можно говорить о профилях лопаток диффузора, в большей или меньшей степени «предрасположен­ ных» к образованию двухъярусных решеток. Чем толще входная кромка профиля, чем ближе расположена максимальная толщина

\лц

Ьлд

0,7

0,6

0,3

0,2

Рис. 4.9. Характеристики ступени и двухъярусного ЛД при различ­ ных относительных диаметрах подрезки гп1г3 лопаток второго яруса (РК ПЦК с рл2 = 90°) :

V '. = 1Л2: - и - - V r3 = 1Л6

профиля ко входной кромке, чем больше густота решетки, тем большего эффекта можно ожидать при переходе к двухъярусной решетке.

Короткие лопатки двухъярусной решетки можно получить либо укорочением (подрезкой) длинных лопаток и скруглением передней кромки их по радиусу, либо путем профилирования ко­ ротких лопаток с более короткой хордой. При профиле Ц способ получения коротких лопаток практически не отражается на ха­ рактеристике лопаточного диффузора, т. е. при профиле Ц пло-

ЩаДй «горлового» сечения решетки второго яруса, полученные «подрезкой» и профилированием, различаются незначительно. Наоборот, при профиле N увеличение горлового сечения у второго яруса при замене подрезки профилированием составляло 30 %. Это увеличение проходного сечения должно было привести к умень­ шению крутизны характеристики и сдвигу ее оптимума в область больших коэффициентов расхода. Способ получения коротких лопаток имеет значение прежде всего для исходных решеток,

Рис. 4.10. Характеристики двухъярусных ЛД при

«не предрасположенных» к двухъярусному исполнению, какой является решетка с профилем N. Опытные данные подтвердили это предположение. Применение профилированных коротких лопаток вместо подрезанных при профиле N хотя и не позволило повысить к. п. д., но зато характеристики стали более пологими.

Серия двухъярусных решеток с различным расположением ло­ паток по шагу была исследована методом электромоделирования и при испытании модельных ступеней. Сопоставлены пять двухъ­ ярусных решеток с различным расположением коротких лопаток по шагу tKJ t, равным 0,25, 0,375, 0,5, 0,625, 0,75, где fKJI — рас­ стояние по окружности в направлении вращения РК от длинной лопатки до короткой (рис. 4.10).

При перемещении коротких лопаток от среднего положения tKJ t — 0,5 в направлении вращения колеса общая нагрузка на длинные лопатки уменьшается, а на короткие — увеличивается. Это происходит за счет уменьшения скорости по передней стороне и увеличения скорости на задней стороне коротких лопаток. Улуч­ шается характер обтекания коротких лопаток по обеим сторонам. При tKJ t = 0,625 это имеет место при углах атаки /3 = (—3°) -н

-f- (+3°), тогда как при tKJ t — 0,75 это происходит только при

*8 « -3 ° .

Модельные испытания ступеней с различным положением лопа­ ток второго яруса позволили выяснить влияние tKJ t на характе­

Рис. 4.11. Влияние взаимного положения лопаток двухрядного ЛД на распределение скоростей (z\ = z\\ = 20, f 3 = 1,19, r4l = f3ц =

= 1,31, r4 = 1,58)

расширяется зона рабочих режимов диффузора и ступени, осо­ бенно в области больших коэффициентов расхода. При этом г|лд тах повышается на 3 %. При tKJ t = 0,75 происходит некоторое ухуд­ шение показателей. При перемещении коротких лопаток в сто­ рону, обратную направлению вращения колеса, зона рабочих режимов характеристик диффузора и ступени заметно умень­ шается. По сравнению со ступенью tKJ t = 0,5 к. п. д. ступени снижается на 2 %.

При конструировании двухрядных решеток диффузора возни­ кают вопросы выбора параметров каждого ряда (числа лопаток, формы профиля Дал и пр.) и взаимного смещения решеток каж­ дого ряда. Последний вопрос; а также густота решеток изучались теоретически и экспериментально. Методика расчета обтекания многорядных решеток дана в работе [29]. Исследовалось четыре