книги / Центробежные компрессоры

шагу от задней стороны лопаток II ряда (рис. 4.11). Смещение положения лопаток I ряда относительно II ряда влияет прежде всего на распределение нагрузки между рядами (над эпюрами скоростей

денное при и2 = 293 м/с, подтвердило, что наилучшие показатели имеет ступень при ?см = 0,1. Лишь незначительно уступает ей

ступень ?см = 0,9. Наихудшие результаты были при tGM= 0,65. Однако даже наихудший вариант двухрядного диффузора при zxlzn = 20/20 по своей эффективности заметно превосходит ва­ риант однорядной решетки с z3 = z4 = 20.

Экспериментальное исследование густоты решеток показало,

4.3.Опыт профилирования лопаточных диффузоров

сучетом распределения скоростей

Вп. 4.1 указывалось на существенные различия в условиях движения газа в колесах и лопаточных диффузорах. В РК при от­ носительно небольшой диффузорности путем перераспределения нагрузки по длине лопатки можно добиться безотрывного тече­

ния в основной части канала при w3^ 1 и wn = 0,2~-0,25. Такое существенное различие в распределении скоростей, обеспечи­ вающее безотрывность течения на поверхностях разрежения и давления, связано со значительными градиентами скоростей по нормали, которых нет в ЛД. Копировать распределение скоро­ стей, рекомендуемое для РК, видимо, нецелесообразно, так как условия обтекания сторон давления и разрежения примерно одинаковы, а значит, примерно одинаковы оптимальные значения с3 и сп (оптимальное с3должно быть лишь немного больше, чем сп, так как из-за несколько большего уровня скоростей на стороне разрежения ее вклад в суммарные потери больше). К тому же, при характерной для ЛД диффузорности слд ^ 0,5-г-0,45 выдер­ жать условие с2 ^ 1 практически невозможно. Следует отдельно изучить вопрос о целесообразности применения многорядных ЛД с малой диффузорностью и большой нагрузкой лопаток в каж­ дом ряду, для которых опыт профилирования колес методом ЛПИ мог бы быть использован в большей мере.

Однако и для ЛД с традиционными параметрами учет особен­

со встроенными охладителями в двух вариантах: с ЛД традицион­ ной конструкции со средними линиями лопаток в виде дуги ок­ ружности и с крыловыми профилями С-4 и с лопатками постоян­ ной толщины, но со средней линией с двоякой кривизной, обеспе­ чивающей плавное увеличение нагрузки в основной части лопаток. Повышение эффективности во всем диапазоне расходов указывает на перспективность профилирования ЛД с учетом распределения скоростей.

Дальнейшее изучение этого вопроса велось применительно к высоконапорным ступеням е полуоткрытыми осерадиальными колесами типа «радиальная звезда» [26], повышенный уровень чисел М на выходе из которых повышает требования к аэродина­ мическому совершенству ЛД. Во всех изученных случаях прини­ малось обычное для ступеней с полуоткрытыми РК условие Ь3 = Ь%.

Влияние распределения нагрузки при постоянных геометриче­ ских параметрах. Характеристики трех ЛД представлены на рис. 4.14. Кроме формы средней линии, менявшейся в соответствии с распределением нагрузки, размеры ЛД1 (сплошные линии),

ЛД2 (штриховые) и ЛДЗ (штрихпунктирные) были одинаковыми. У ЛД1 нагрузка смещена к выходу, у ЛДЗ — ко входу, у ЛД2 — промежуточное распределение (ближе к ЛДЗ). Экспериментальные характеристики диффузоров определялись по замерам параметров потока в сечениях за колесом и за диффузором в сечении, распо­ ложенном на 1,08 г4. В соответствии с соображениями, изложен­ ными в п. 2.4, о влиянии нагрузки и стеснения на перестройку потока в области входа в решетку у ЛД2 и ЛДЗ с большой нагруз­

коэффициентов потерь для ЛД1 выше его минимальной вели­ чины, а для ЛДЗ и ЛД2 режим помпажа наступает раньше, чем углы атаки становятся равными i3 ^ 0. Решетки с нагруженным входом имеют высокие значения чисел Мшна задней стороне лопа­ ток, большие местные диффузорности потока на входе. При появ­ лении и увеличении отрицательных углов атаки (i3 < 0) умень­ шается нагрузка на лопатку, снижается уровень скоростей на задней стороне лопаток, уменьшаются отрывные потери на этой стороне. Однако из-за наличия и роста углов атаки появляется и усиливается срыв на входном участке передней стороны лопаток. Минимальное значение коэффициента потерь имеет место при ма­ лых отрицательных углах атаки, при которых снижены потери на задней и невысоки на передней стороне лопаток. У диффузора ЛД1 распределение скоростей характеризуется сравнительно низким уровнем скоростей на лопатках на входе, их слабым умень­ шением на значительной длине лопатки — до I ^ 0,6, сильным

смещением нагрузки к выходному участку лопаток. При увеличе­ нии положительных углов атаки (i3 > 0) происходит перераспре­ деление нагрузки, нагружается входной участок лопаток, сни­ жается уровень скорости в точке отрыва на задней стороне ло­ паток, в области i3 = +5° коэффициент потерь имеет минимум.

Оптимальная густота решетки при различном распределении нагрузки. При изменении средней линии профиля в связи с из­ менением распределения нагрузки существенно меняется длина лопаток, что приводит к большому изменению густоты решетки. На рис. 4.15 представлены зависимости коэффициентов потерь и восстановления на оптимальном режиме от густоты решетки для диффузоров с распределением нагрузки, как у ЛД1—ЛДЗ. Приведенные значения густоты решетки Ht определялись по фак­ тической длине лопатки I и шагу на среднем диаметре и в связи с этим отличаются от значений густоты, определяемых по зависи­ мости, приведенной в работе [26]. Уменьшение густоты решетки приводит к увеличению уровня скоростей на задней стороне ло­ паток и снижению его на передней. При этом для решеток с на­ груженным входным участком (ЛД2 и ЛДЗ) при i3 — const воз­ растает величина потерь, связанных с высоким уровнем скоростей и чисел М на задней стороне лопаток, в то же время величина срывных потерь на передней стороне лопаток снижается. В диф­ фузорах типа ЛД1 с уменьшением Ht в области оптимальных зна­ чений от Ht = 1,0 до Ht = 0,8 возрастают потери, связанные с от­ рывом на задней стороне лопаток на выходе из-за увеличения ме­ стной диффузорности потока. Для всех типов диффузоров с умень­ шением густоты решетки Ht ниже оптимальной происходит со­ ответствующий сдвиг характеристик по углам атаки i3: для диф­ фузоров с нагруженным входом минимум коэффициента потерь смещается в область больших значений отрицательных углов атаки, для диффузоров с нагруженным выходом минимальный коэффи­ циент потерь сдвигается в сторону уменьшения положительных углов атаки i3, т. е. в сторону i3 = Q. Изменение коэффициентов восстановления статического давления при разных ///соответствует

изменению коэффициентов потерь.

Значения оптимальной густоты решетки зависят от распреде­

лении нагрузки типа ЛДЗ.

Соответствующие минимальные значения коэффициентов по­ терь равны примерно 0,26 для ЛДЗ и 0,29 для ЛД1. Диффузор­ ности косых срезов для этих типов решеток рекомендуется выби­ рать в пределах пкс = 1,35—1,45.

Относительный диаметр входа. Распределение скоростей по лопаткам диффузоров с различным типом нагрузки при увеличе­ нии г3 характеризуется снижением максимальных значений М на задней стороне лопаток и одновременным уменьшением градиен­ тов скоростей на лопатках, что весьма существенно для диффу­

слоя упрощенную расчетную модель, пренебрегая пространственностью течения. Решалась обратная задача гидродинамики: оп­ ределялась форма лопаток ЛД, на которых осуществлялось воз­ можно более быстрое замедление со смещением точки отрыва по возможности дальше вниз по потоку.

В соответствии с [33 ], состояние пограничного слоя оцени­ валось по величинам формпараметров / и Я. Для получения наи­ более интенсивного замедления следует принимать их значения

скорости внешнего потока W вдоль этой поверхности. Очевидно,

Рис. 4.19. Распределение скоростей, задаваемое при профилировании диффузора

что такая процедура может быть выполнена для любой — передней

или задней — поверхности лопатки. Поиск формы лопатки по W осуществлялся канальным методом, аналогичным представленному в п. 2.8. На противоположной поверхности, в соответствии с п. 2.8, распределение скоростей соответствует полученной форме ло­ патки.

На рис. 4.19, а показано распределение скоростей невязкого потока, обеспечивающее предотрывное состояние пограничного слоя на передней стороне лопаток [26]. Быстрое замедление на передней стороне обеспечено значительной нагрузкой на входе. Из-за этого на задней стороне появляется пик скорости, тормо­ жение после которого приводит к срыву. Если общее замедление потока невелико, срыва может не быть, однако повышенный уро­ вень скоростей в начале задней поверхности в любом случае неже­ лателен.

На рис. 4.19, б показано распределение скоростей, при котором контролируется состояние пограничного слоя на задней поверх­ ности. Резкое замедление в этом случае возможно только за счет

С таким распределением скоростей, как на рис. 4.19, были спрофилированы диффузоры ЛД1 и ЛДП. Для решеток диффузо­ ров ЛД1 и ЛДП характерны отсутствие точек отрыва потока на одной из сторон лопатки и максимальное их смещение к выходу лопатки на противоположной стороне. Рассматриваемые решетки имеют малонагруженные выходные части лопаток. При возникно­ вении срыва в выходной части каналов прирост статического дав­ ления замедляется. Учитывая это, из решеток типов ЛД1 и ЛДП были образованы решетки ЛД1а и ЛДПа, радиальная протяжен­ ность которых определялась положением точек отрыва, т. е. тео­

ретически эти решетки являются безотрывными. При этом должны уменьшиться потери смешения за

венным там, где эти потери больше, а именно: у ЛД1. Проведенные исследования практически показывают целесо­

образность применения для разработки высокоэффективных лопаточных^ диффузоров физической ^ модели потока, построенной на основе анализа . распределения скоростей и соответствующих параметров турбулентного пограничного слоя, включая анализ запаса до отрыва пограничного слоя по распределению касатель­ ных напряжений трения на лопатках. При разработке диффузоров для высоких чисел (М.сз = 0,7ч-0,8) рекомендуется выбирать по­ стоянное значение скорости на входном участке задней стороны лопатки с последующим безотрывным торможением на всей ее

отсутствует пик скорости на входном участке задней стороны ло­ патки, т. е. в области наибольшего уровня скоростей в диффузоре, а также отсутствуют отрывы потока на большей части длины зад­ ней стороны лопатки. Обеспечить теоретически безотрывное на обеих сторонах лопатки течение при Мсз = 0,7-г-0,8 можно при

значениях слд > 0 ,5 . Повысить эффективность решеток возможно путем удаления выходной части лопаток, начиная от расчетной точки отрыва. Такое профилирование представляет интерес для многорядных диффузоров или в том случае, если не требуется значительного замедления потока.

4.4. Профилирование и расчет лопаточных диффузоров

Ряд вопросов рационального профилирования ЛД рассмотрен в пп. 4.2 и 4.3 в связи с результатами исследований ЛПИ. Ниже кратко изложены основные рекомендации с учетом имеющихся литературных данных.

Относительный размер входа r3. С учетом требований к сниже­ нию шума не рекомендуются значения г3 меньше 1,1—1,15. Для обеспечения достаточной зоны работы желательно условие Мс3 < ^ 0,5ч-0,6 при лопаточных решетках традиционной конструкции,

участка больше ширины РК на выходе не рекомендуется. Ширина диффузора. Для средне- и низконапорных РК ПЦК

при средних и малых коэффициентах расхода (Фр < 0,08) реко­ мендованные значения b3lb2 = 1,2 ч—1,3 для промежуточных и до 1,6 для концевых ступеней (при соответствующих размерах ВУ) могут считаться достаточно проверенными [60]. Для полуоткры­ тых РК и повышенных Мс2 принимают Ь3 ^ Ь2. Чаще всего у ЛД

= b3, но в ряде случаев расширение ЛД в меридиональной плос­ кости дает хорошие результаты. В компрессорах турбонаддувочных агрегатов ДВС применяют отклонение передней стенки ЛД от радиального направления на угол 0 = 4ч-6°. Тогда

Входной угол лопаток а лз. Лопаточные диффузоры успешно работают при а лз вплоть до 13—14° (меньшие углы обычно приводят к уменьшению размеров горла, снижающему аэродинамические характеристики). Способность работать при малых углах позво­ ляет использовать ЛД с колесами, имеющими малые коэффициенты расхода ср2. Это уменьшает динамический напор за колесом и по­ тери в НЭ. Встречающиеся в литературе соображения о нецелесо­ образности применения ЛД с а лз > 20° не подтверждаются прак­ тикой. В работе [92] указано, что в ступенях ПЦК фирмы «Хитати» (Япония) применяются ЛД с а лз = 27°, а2Л = 479. Возмож­ ность проектирования ЛД практически с любым углом а лз, не­ обходимым для согласования с РК оптимальной конструкции, является их значительным преимуществом.

Согласование оптимальных режимов РК и ЛД. Эта проблема делится на две части: определение угла потока в сечении 3—3

Расчеты показывают, что учет совместного влияния вязкости и сжимаемости газа при bB — Ь., согласно этой формуле приводит к уменьшению по радиусу угла а. Величина /;| ,1П может быть оп­

Сильное влияние характера профилирования на величину i3onT демонстрировалось в п. 4.3. Соотношения (4.6) и (4.13) представ­ ляются весьма ориентировочными. Анализ расчетов обтекания на стадии проектирования ЛД дает возможность более обосно­ ванно судить о вероятном положении оптимального режима.

Радиальная протяженность ЛД, угол изогнутости лопаток.

Оба параметра при выбранных размерах входа определяют диффузорность ЛД. Опыт показывает, что для типичных ступеней сЛд. от ^ 0,5-7-0,45. В соответствии с этим (и учетом габаритных требований) выбирают г4 ^ 1,45 ч-1,55 для промежуточных и г4«Л,35ч-1,4 для концевых ступеней. Соответственно угол изо­ гнутости Да = а л4 — а лз = 5ч-20° (обычно значения Да равны примерно 10—15°). Рекомендации справедливы при г3«*1,1. В других случаях размеры определяются задаваемым слд.

Число лопаток. При малых различиях основных размеров ЛД ступеней ПЦК число лопаток допустимо определять через мало­