книги / Центробежные компрессоры

на выходе из ВП уменьшает отрицательное влияние патрубка на работу последующих элементов. Опыт показывает, что улучшение структуры потока в патрубке наиболее просто обеспечивается уве­ личением его радиальных и осевых размеров. Этот путь ограничен, поэтому поиск рациональных приемов профилирования ВП в за­ данных габаритах имеет большое значение.

Входные патрубки можно разделить на две основные группы.

1.ВП с осевым подводом потока. Применяются они в основ­ ном в ПЦК, допускающих консольное расположение рабочих колес.

2.ВП с радиальным или близким к радиальному подводом потока, обеспечивающие поворот в осевое направление. Эти патрубки подразделяются на осесимметричные, коленообразные, симметричные относительно плоскости, проходящей через ось турбомашины (патрубки с прямолинейной осью симметрии); патрубки с криволинейной осью симметрии в радиальной плос­ кости; патрубки с тангенциальным подводом (входные улитки) или спиральные входные патрубки. Эти патрубки относятся к од­ нопоточным. Существуют также многопоточные патрубки, на­

пример с двусторонним всасыванием (см. п. 5.3), четырехколен­ ные и т. д. Они обеспечивают большую равномерность на входе в РК, но часто неприменимы, так как усложняют компрессорную установку.

Входные патрубки ПЦК меньше изучались, чем ВП осевых ком­ прессоров, к аэродинамическим качествам которых предъявляются особенно высокие требования, хотя в принципе эти требования одинаковы. Многие вопросы исследования и доводки являются общими, но все же существуют различные подходы к выбору проточной части патрубка. При создании ВП осевых компрессоров имеются большие возможности в развитии осевых габаритов ма­ шины, в то время как у ВП ПЦК (особенно промежуточных сту­ пеней) такая возможность ограничена, так как трудно обеспечить достаточную жесткость ротора.

Наиболее стесненные осевые габариты имеют ВП, подводящие газ к ступеням, занимающим промежуточное положение в много­ ступенчатых одновальных ПЦК. Одна или обе торцевых стенки этих ВП представляют собой радиальные плоскости. Патрубки ступеней, расположенных по краям проточной части, могут иметь более благоприятную аэродинамическую форму.

Поток в патрубке, за исключением режимов очень малых расходов с обратным течением из РК, практически не зависит от работы последующей ПЧ. Обратное влияние колеса на течение во входном патрубке опытами ЛПИ обнаружено не было. Поэ­ тому экспериментальное исследование работы самих патрубков, изучение структуры потока в них, определение коэффициентов потерь ВП можно производить как путем опытов с комплексными модельными ступенями, так и путем статических продувок от­ дельно от ступени. Опыт показывает, что поворот потока в МП

и несимметричность ВП часто отрицательно влияют на эффектив­ ность последующей ступени, что связывают с неравномерностью поля скоростей на выходе из патрубка. Коэффициенты неравно­ мерности потока в сечении 0 —0, определяемые экспериментально или расчетами, считаются важной характеристикой ВП.

Наиболее эффективны ВП осевого типа, в выходном сечении которых поток наиболее равномерный, а потери в тракте состав­ ляют величину обычно менее 0,5 % полезного напора последую­ щей ступени. Это относится к конфузорным патрубкам с хоро­ шими меридиональными обводами. Такие патрубки могут быть отработаны с помощью анализа невязкого меридионального по­ тока. По аналогии с соображениями, изложенными в пп. 2.3 и 2.5, критерием аэродинамического качества является отсутствие местных пиков и отрицательных градиентов меридиональных ско­ ростей.

В случае осевого подвода через диффузорный ВП картина ме­ няется. Такие патрубки могли бы найти применение, например, при стыковке РК обычного типа с осевыми ступенями с большим втулочным отношением и большим, чем у РК ПЦК, коэффициен­ том расхода ср0 (при создании ПЧ осецентробежных машин). По данным В. И. Зараева, осевой ВП с f j f 0 = 0,66, углом раскрытия между образующими стенок v = 20° и наклоном образующей сред­ ней поверхности к оси z, равным 16°, показал очень высокий

где Лст — к- п*Д- ступени при испытании с осевым ВП обычной конструкции.

Установка конического разделительного ребра, уменьшающего угол раскрытия до 10°, несколько снизила потери, но они все равно остались недопустимо высокими. На рис. 5.1 коэффи­ циенты полных потерь этого патрубка представлены в зависимости от режима работы ступени (средненапорные и среднерасходные колеса ЛПИ с БЛД и сборной камерой, Ми = 0,6).

Особенности течения и методов профилирования ВП с радиаль­ ным подводом рассмотрены ниже на примере патрубков промежу­ точных ступеней с особо стесненными осевыми размерами. В таком патрубке (рис. 5.2) для облегчения анализа принято различать три элемента: подводящий канал (сечение н —н — 180°), спираль­ ную камеру (сечение 180° — к —к) и осесимметричный кольцевой конфузор. Типичные для ПЦК входные патрубки с радиальным подводом и меридиональной плоскостью симметрии были иссле­ дованы в ЛПИ [44].

Течение в подводящем канале и спиральной камере обычно имеет весьма сложную форму. В спиральной камере вектор ско­ рости меняется по поверхности расчетного сечения и при пере­

где с0 и стах — средняя и максимальная скорости в сечении 0—0. Подводящий канал оказывает существенное влияние на тече­ ние в спиральной камере. Увеличение геометрической конфузорности подводящего канала с 1,0 до 3,0 уменьшает коэффициент неравномерности потока %с с 1,60 до 1,25, а коэффициент потерь

снижается с 0,48 до 0,24.

При изменении числа Re, подсчитанного по скорости и гидрав­ лическому диаметру в сечении 0—0 в диапазоне 7-104—3,5 • 105, влияния вязкости на структуру потока, а практически и на £вп обнаружено не было.

Исследование влияния спиральной камеры на структуру не­ вязкого потока проводилось методом ЭГДА при допущении, что

поток двухмерный (правомерность этого допущения подтверждена сопоставлением с результатами статических продувок). Оказалось, что изопотенциали практически совпадают с линиями, касатель­ ными к окружности радиусом гКУт. е. векторы скоростей пример­ но перпендикулярны к этим линиям; заметное отклонение наблю­ дается лишь на входе в спиральную камеру (рис. 5.4). Это положе­ ние легло в основу методики расчета ВП, изложенной ниже. Показано также, что скорость по поверхности цилиндрического сечения 180° (см. рис. 5.2) максимальна на оси патрубка и убывает по его наружному контуру. В результате скорости на входе в кон-

здается в ВП за счет повышения скорости на выпуклой поверхности осесимметричного конфузора. Эксперименты подтверждают, что осесимметричный конфузор может быть источником значительной части потерь в ВП. Патрубки с различной формой конфузора в соответствии с работой [44] имеют существенно различную эффек­ тивность. Штриховые линии на рис. 5.5 представляют результаты

Здесь числа в правой части представляют конфузорности подводящего канала, спиральной камеры и осесимметричного конфузора. При проектировании ВП площадь /0 определена раз­ мерами входа в колесо, а площадь /н ограничена допустимыми размерами патрубка и скоростями в подводящей трубе. Таким образом, общая конфузорность /н//0 должна быть однозначно установлена. Именно этот параметр определяет средний уровень скоростей в проточной части ВП и величину потерь. Поэтому пред­ ставленные на рис. 5.5 данные по £вп не могут быть использованы

непосредственно как рекомендации по проектированию. Эти кри­ вые получены при /0 — var и /н = const, т. е. с точки зрения кон­

Согласно (5.4), увеличение /к//0 при заданных /н и /0 может быть осуществлено только за счет уменьшения конфузорности подводя-

Рис. 5.4. Распределение изопотенциальных линий в спиральной камере и подводящем канале ВП, полученное методом ЭГДА (а), и векторное поле скоростей clc0 в спиральной камере (б), получен­

ное при статической продувке [44]

щего патрубка или спиральной камеры. Проведенный авторами совместно с С. В. Локтаевым анализ опытных данных по ступеням с ВП описываемого типа показал, что при обычных соотношениях размеров, заданном массовом расходе т площади /н потери в ВП мало зависят от отношения площадей осесимметричного конфузора, изменяющегося за счет Д>- В таком случае для проектиров­ щика более показательным является коэффициент потерь, связан­ ный со скоростью во входном сечении ВП:

лось в конце кольцевой трубы довольно значительной протяжен­

работе [44]), что уменьшает осевую протяженность ВП и позволяет выполнить спиральную камеру и подводящий патрубок более конфузорными.

Откорректированный с учетом изложенного метод профилиро­ вания из работы [44] выглядит следующим образом. Из расчета РК известны параметры потока и размеры г0, гвт, определяющие f0. Для уменьшения потерь принимается возможно большая пло­ щадь входа /н (обычно сп ^ 30 —40 м/с), с учетом допустимого осе­ вого размера выбираются размеры R s и ау так как осевая протя­ женность патрубка в районе осевого конфузора должна быть несколько больше суммы R s + а. При этом желательно обеспе-

Оптимальный радиус закругления вогнутой стенки, обеспе­ чивающий некоторое снижение пика скорости на выпуклой стенке,

За расчетные сечения спиральной камеры принимаются сече­ ния, расположенные по касательной к окружности радиусом гк. Радиальный обвод спиральной камеры представляет собой эволь­ венту к окружности радиусом гк, где радиус кривизны эволь­ венты (см. рис. 5.2)

увеличивать проходные сечения камеры в МП (см. рис. 5.2)

Далее по (5.4) нужно проверить конфузорность подводящего

При расчете потерь в ступени данные на рис. 5.5 могут слу­ жить только для грубой заниженной оценки, так как не учтено отрицательное влияние неравномерности потока на последую­ щую ступень.

По данным H3JI, типичная для ВП осевых компрессоров не­ равномерность поля скоростей по радиусу 3— 10 %, по углу 0 порядка 4—6 % и изменение угла а = / (0) в пределах 90—70° вызывают снижение к. п. д. ступени на 2—3 %, так как осевые ступени особенно чувствительны к неравномерности на входе (следы этой неравномерности наблюдаются по всей длине ПЧ). По данным В. Ф. Риса (НЗЛ), снижение к. п. д. для одной из сту­ пеней при наличии ВП составило 4 %, тогда как по данным стати­ ческих продувок оно не должно превышать 3 %.

с С. В. Локтаевым были изучены данные по влиянию ВП на эф­

Для оценки потерь в ступени рекомендуются графические

Рис. 5.6. Ориентировочная зависимость коэф­ фициента полных потерь во входных патрубках от режима работы ступени и Ми

5.2.Обратно-направляющий аппарат

Всостав промежуточных ступеней входят обратно-направляю­ щие аппараты (ОНА), назначение которых состоит в подводе по­

тока газа к рабочим колесам последующих ступеней (рис. 5.7). На входе в рабочие колеса обычно стремятся получить незакрученный поток, т. е. си1 — 0. Уменьшение закрутки потока с ее зна­ чения на выходе из диффузора с1А происходит в лопаточной ре­ шетке или каналах ОНА. Наряду с поворотом потока в радиаль­ ной плоскости на угол, равный Да = 90° — а 4, в ОНА осуществ­ ляется поворот потока в меридиональной плоскости на 270°. Потери в ОНА в связи с многочисленными поворотами и большой протяженностью рабочих каналов соизмеримы с имеющими место в диффузорах

Так как сд = cjc2 или с3/с2 (для БЛД) имеет порядок 0,5—0,6, то высокий уровень потерь в ОНА свидетельствует о существенно большем, чем у ЛД или БЛД, коэффициенте потерь. Действи­ тельно, у лучших ОНА величина £mln ^ 0,3, достигая в некоторых случаях величины 0,5—0,6 и более.

Показанный на рис. 5.7 ОНА лопаточного типа представляет собой совокупность поворотного колена, лопаточной решетки и кольцевого конфузора, подводящего газ к рабочему колесу последующей ступени. В криволинейном колене на части длины расположены выходные радиальные концы лопаток или отдель­ ная (конструктивно, а не аэродинамически) решетка радиальных лопаток, которые должны гарантировать отсутствие закрутки потока на выходе из ОНА.

Диффузорный или конфузорный характер течения в ОНА опре­ деляется соотношением между скоростями на входе в следующую ступень и на выходе из диффузора

При анализе расчетного режима работы с помощью (5.13) можно показать, что первая дробь в правой части уравнения, рав­ ная <ръ мало меняется в широком диапазоне Фр, если гг выбирается

пеней обратно-направляющий аппарат является диффузорным каналом. Конфузорный характер течения в ОНА может быть только у высокорасходных ступеней с большим замедлением в диффузо­ рах и умеренным напором. Таким образом, при анализе уровня потерь в ОНА необходимо принимать во внимание степень тормо­