книги / Центробежные компрессоры

жения потока. К особенностям работы ОНА, установленного за ЛД, можно отнести и то обстоятельство, что в широком диапа­ зоне расходов угол потока а 4 остается практически неизменным, но меняется структура потока на входе в ПК.

Поворотное колено. Оно предназначено для изменения направ­ ления потока на 180° в меридиональной плоскости. Для ступеней с большими b2/D2 ПК выполняются обычно слегка конфузорными,

как радиус выпуклой поверхности поворота определяет толщину стенки диафрагмы и влияет на осевую длину ПЧ. Относительно небольшой радиус выпуклой поверхности ПК требует увеличения среднерасходной скорости в канале для уменьшения потерь поворота. Общая конфузорность несколько увеличивает отноше­ ние cs) которое определяет возможность срыва и уровень соответ­ ствующих потерь (см. пп. 2.3, 2.5).

Разумеется, выбор b jb 4 должен обеспечить минимум потерь в ОНА в целом, а не только в ПК. Например, у ступеней со сред­ ними и малыми Фр нетрудно обеспечить значительные R Jb4 ^ > 2 4-3 , что позволяет получить приемлемые потери на повороте даже при значительной диффузорности ПК. В то же время при за­ данном Ъ4 (или В3 при БЛД) принятие Ьъ/Ь4 > 1 позволяет увели­ чить гидравлические диаметры лопаточной части ОНА, что может повысить эффективность малорасходных ступеней. Например, в соответствии сданными работы [9] при уменьшении относитель­ ной ширины ступени b2!D2от 0,04 до 0,01 при сохранении размеров

давления характерно применение малорасходных ступеней с БЛД и сверхмалыми Фр (Фр 0,005). Абсолютная ширина БЛД в от­ дельных конструкциях может составить 2—3 мм. Практически во всех зарубежных компрессорах высокого давления применяются

= f (i5) проведены по результатам испытания группы унифициро­ ванных ступеней ЛПИ (см. приложение) с высоконапорными (кривая 1) и средненапорными (кривая 2) рабочими колесами, при­ чем за счет изменения b2ID2 их расходность менялась в пределах Фр ^ 0 ,1 ч-0,04. Обратно-направляющие аппараты конструкции СКБ-К испытаны в двух мало отличающихся вариантах, с Ьъ/Ь6 == 1 и Ьь/Ь6 = 0,8 при ft5/D5, равном 0,0536 и 0,0429 соответственно.

6б/&4 и Ми на коэффициент потерь. Практически эксперименталь­ ные данные обобщают кривые, общие для ОНА с разными ЬЬ1Ь± при некоторой зависимости потерь от типа РК. Подобно тому, как это было в случае БЛД (см. п. 3.2), меньшие потери получи­ лись при работе с более эффективными РК, каковыми в данном случае были колеса I типа. Минимальное значение коэффициента потерь, равное примерно 0,3 и свидетельствующее о хороших аэродинамических качествах ОНА, достигается при /5 7 -*-8°

(алб = ЗГ). Анализ измеренных потерь в ПК между сечениями чпк 4—4 и 5—5 показал, что зависи­ мость £пк от режима работы выра-

£>она

ных ПК потери в лопаточной части и криволинейном диффузоре ОНА при оптимальном угле атаки г5малы из-за пониженного уров­ ня скоростей. Замедление в ПК определяется соотношением

В соответствии с данными, приведенными на рис. 5.8, средне­ расходные ступени могут работать с ОНА, ширина которых су-

щественно превосходит ширину диффузоров. Если это не вызывает недопустимого увеличения осевой протяженности проточной части, для ступеней с b2ID2 = 0,06 4-0,028 и г3 я^ 1,6 ч-1,7 можно рекомендовать поворотные колена с одинаковыми размерами ЬЬЮЬæ 0,045ч-0,05; R jb b я^ 0,035 и Ь± =; Ь3 = Ь2. Для согласо­ вания режима работы ОНА с колесом и диффузором следует

мендуемых размеров для ступеней с разными 62/D4 и а 2р должны применяться решетки ОНА с разными а л5. В частности, для малых b2/D4, а 2р величина а л5 должна быть меньше 31°, который был у испытанных ОНА. Соответствующее увеличение диффузорности каналов ОНА может привести к некоторому росту потерь по сравнению с показанным на рис. 5.8 значением £шш. Не исключено, что лучшие результаты получатся при более свободном выборе отношения ЬЬ!Ь± для ступеней с разной относительной шириной. На рис. 5.9 представлены характеристики ряда ПК, полученные в результате испытания различных вариантов ОНА в составе малорасходных ступеней с БЛД [52]. Ступени с Фр я^ 0,027 ч- ч-0,035 и фт. р = 0,65 отличались конструкцией неподвижных эле­ ментов. Соотношения размеров НЭ варьировались в пределах:

г3 = 1,7 ч-1,35, bslb2 = 0,8 ч-1,3, bblb± = 0,8 4-4,0, величина R s =

=0,114 была примерно такая же, как у ПК, описанных выше. Из-за одновременного изменения нескольких параметров сту­

пени не все характеристики, показанные на рис. 5.9, закономерно трансформируются в зависимости от Ь5/Ь4, тем не менее можно еде-, лать ряд выводов. Результаты экспериментов показали, что мини­ мальные величины коэффициента потерь ПК практически не из­ меняются в диапазоне Ьь/Ь4 от 0,8 до 1,4—1,5. Характер распреде­ ления углов потока по поверхности сечения 5—5 в ПК с Ь5/64 = = 0,8 4-1,7 показал отсутствие зон срыва. При возрастании ЬЪ!Ь± до 2,5 появляется зона обратного тока у выпуклой стенки, занимающая примерно 10 % ширины проходного сечения на ре­ жимах малых расходов, соответствующих малым углам натека­ ния а 4. При дальнейшем росте диффузорности до ЬЪ1Ь± = 4,0 зона обратного тока возрастает до 30—40 % ширины проходного сечения и существует на всех режимах работы ступени. Основы­ ваясь на экспериментальных данных, можно считать, что резкий рост коэффициента потерь ПК происходит при bjb 4 > 2 ,0 ч-2 ,5 . Из рис. 5.9 следует сильная зависимость коэффициента потерь

в ПК от угла натекания а 4. При <х4 < а 4опт это может быть свя-

зано со срывом на выпуклой стенке и увеличенными потерями трения. Для ПК с bb!b± > 1 по формуле (5.14) диффузорность воз­ растает с увеличением а4, что может быть одной из причин роста потерь при а 4 > а 4опт. Вообще при росте а 4 увеличивается роль меридиональной составляющей скорости, которая только и пре­ терпевает изменение направления в ПК. Другая причина может быть в снижении эффективности РК при Ф > Фр, что влияет на потери в БЛД (см. п. 3.2) и возможно в ПК, которое является продолжением диффузора. Отметим, что абсолютная величина для лучших ПК обратно-направляющих аппаратов, характери­ стики которых даны на рис. 5.8, примерно вдвое меньше, чем у рас-

Рис. 5.10. Потери в ПК в зависимости от относитель­ ного радиуса кривизны пространственного потока

сматриваемых. Возможно, и это связано с большей эффективностью рабочих колес ЛПИ последних модификаций, примененных в пер­ вом случае.

Для обобщения зависимостей £пк = f (а) авторами работы [52] введен условный относительный радиус кривизны траектории по­

Лопаточная решетка ОНА. Наибольшее распространение полу­ чили ОНА с лопатками примерно постоянной толщины, средняя линия которых описана дугой окружности. Применяются также лопатки с переменной толщиной, благодаря чему добиваются желае­ мого характера изменения средней скорости по длине канала. Для типовых ступеней с БЛД изменение момента количества движения потока в ОНА больше, чем в ЛД, что приводит к большей нагру-

¥А

2,5

3

2,0

¥

¥

0,5

лопаточных аппаратах ОНА показывает, что точка отрыва потока расположена на выпуклой поверхности профиля лопаток. На вог­ нутой стороне отрыва потока не наблюдается. Расчеты подтверж­ даются визуализацией потока в межлопаточных каналах ОНА с помощью тонкодисперсного красителя. Поданным работы [52], уменьшение /5//6 от 0,74 до 0,51 увеличивает ts-e на 30—40 %. Эти же данные подтвердили целесообразность выбора густоты реше­ ток по рекомендациям Б. Эккерта [79]

Опыты показали также, что выбор оптимального угла атаки для решеток с лопатками, описанными дугой окружности, следует производить в зависимости от диффузорности косого среза пк, с

Графическая зависимость г5оПт = f (як.с) показана на рис. 5.12. Перечисленные соотношения позволяют спрофилировать ре­

шетку ОНА с лопатками, описанными дугами окружности (в пре­ делах криволинейного колена выходные участки лопаток делают прямыми). Близость величин замедления потока и средней наг­

рузки решеток РК и большинства ОНА (у некоторых отношение скоростей съ/с6 «=* 0,5 ближе к ЛД) ставит вопрос об использова­ нии для их профилирования метода, описанного в п. 2 .8. Авторами работы [52 ] получено подтверждение целесообразности выбора в этом случае распределения скоростей, аналогичного рекомендуе­ мому для РК.

Двухрядные и двухъярусные решетки. Двухрядные решетки особенно, видимо, целесообразны для ОНА с увеличенным замед­ лением потока в решетках. Исследование ОНА с двухрядными решетками [52] дало результаты, сходные с описанными в гл. 4 (лопаточные диффузоры). При небольшом относительном смещении рядов с тем, чтобы поток с передней поверхности первого ряда попадал на заднюю поверхность второго, получаются минимальные потери (для испытанных ОНА ^б-ошш ^ 0,25).

Висследованных вариантах двухрядная решетка получалась из исходной однорядной решетки, оптимальной по густоте. Длина лопаток первого ряда составляла 62 % от исходной лопатки, длина лопаток второго ряда — 45 % от длины лопаток однорядной решетки. Перекрытие лопаток, таким образом, составляло 7 %.

Всвязи с обратным по сравнению с РК и ЛД направлением течения двухъярусные решетки ОНА, очевидно, могут быть обра­ зованы укорочением выходной, а не входной части лопаток. По данным работы [52], применение двухъярусной решетки с укоро­ чением лопаток второго яруса на выходе (удалены были практи­

чески радиальные выходные участки) до г4/г6 1,05 привело к сни­ жению потерь. Более глубокая подрезка нецелесообразна.

Кольцевой конфузор. При профилировании К К могут быть использованы рекомендации п. 5.1 по аналогичному элементу вход­ ных патрубков. Основное отличие результатов статических продувок от реальных условий работы заключается во влиянии условий обтекания лопаток ОНА на потери в К К . При нерасчет­ ных режимах потери растут. Обычно между К К и входом в колесо последующей ступени рекомендуют делать прямолинейный осе­ вой участок. По данным ЛПИ (В. И. Зараев, В. И. Хенталов), для К К с RJb6 = 0,56 и /0//6 = 0,87 изменение протяженности этого участка от 1г/Ь6 = 0,37 до 0 практически не повлияло на характеристики двухступенчатой секции с коэффициентами на­ пора колес фт. рх = фт. pu = 0,85.

Характеристики второй ступени этой секции при испытании с осевым ВП и осесимметричным каналом, имитирующим меридио­ нальную форму ОНА первой ступени с уменьшенной до 0,0245

схожие результаты: на расчетном режиме к. п. д. секции умень­ шился на 1—1,5 % (вблизи границы помпажа снижения к. п. д. не отмечено).

При оценке потерь в ОНА можно использовать зависимости, приведенные на рис. 5.14. Под Фр понимается расчетный коэффи­

Значения коэффициентов потерь ОНА на расчетном режиме не­ которых используемых промышленностью и экспериментальных ступеней таковы: у ОНА с ЪЬЮЬ = 0,07, лопатки которого утол-

5.3. Неподвижные элементы ступеней со встроенными охладителями

Промежуточное охлаждение применяется в центробежных компрессорах для уменьшения работы сжатия или поддержания температуры рабочего тела в ..допустимых пределах. Некоторое время тому назад оно осуществлялось почти исключительно в вы­ носных охладителях, установленных вне корпуса компрессора и со­ единенных с ним подводящими и отводящими трубопроводами.

Увеличение напорности ступеней часто делает необходимым охлаждение после каждой ступени. Многочисленные вводы и вы­

воды газа значительно усложняют корпус компрессора и всю установку. Это делает целесообразной установку охладителей вну­ три корпуса компрессора. Компрессоры со встроенными охлади­ телями имеют ряд преимуществ. Компактность позволяет осуществ­ лять блочную компоновку всей компрессорной установки и постав­ лять ее на компрессорную станцию в состоянии заводской готов­ ности. При этом уменьшаются масса и трудоемкость, упрощается конструкция в целом. Сокращение газовых трактов позволяет уменьшить их сопротивление. Уменьшается аэродинамический шум, так как вся проточная часть заключена в массивный корпус компрессора. Однако эксплуатационные качества компрессоров могут получиться удовлетворительными не при любой схеме встро­ енного охладителя.

На рис. 5.15, а, б, г показаны некоторые схемы установки встроенных охладителей в многоступенчатых одновальных ком­ прессорах, среди которых схемы а, г наиболее совершенны аэро­ динамически. Однако в эксплуатационном отношении каждая из схем имеет, по крайней мере, один из следующих недостатков: трудность сборки и разборки для ремонта и ревизии как самих охладителей, так и других узлов компрессора; невозможность сепарации конденсирующихся водяных паров из той части труб­ ных пучков, которая находится над ротором; невозможность меха­ нической очистки криволинейных труб от накипи. На рис. 5.15, г показан поперечный разрез компрессора К-100-61-2 НЗЛ и за­ вода «Энергомаш». В этой схеме удачно решены вопросы сборки— разборки машины; применение прямых труб делает возможной их очистку. Недостатком является неизбежное попадание конден­ сирующейся влаги в проточную часть.

Неподвижные элементы ступеней со встроенными охладителями в связи с большим количеством возможных схем весьма разно­ образны и малоизучены. Ниже обсуждаются результаты исследо­ вания и приводятся рекомендации по проектированию НЭ ступени, схема которой показана на рис. 5.15, в. Это схема с двумя верти­ кально расположенными трубными пучками, сочетающая приемле­ мую аэродинамическую форму проточной части с удобством сборки и разборки и возможностью отделения конденсата в специальных сепараторах, установленных после трубных пучков. Подробное изучение*ступеней этой схемы было предпринято Л. К. Черняв­ ским под руководством авторов работы. В ступени имеются три элемента проточной части, имеющих необычную форму:

1) две одинаковые лопаточные (или канальные) системы, в ко­ торых циркуляционный осесимметричный поток после диффузора

вает к оси компрессора и значительно снижает свою скорость перед поступлением в трубные пучки;

3) входной лпатрубок промежуточной ступени. Этот элемент имеет более выгодную аэродинамическую форму, чем обычцые

входные устройства с односторонним подводом Двусторонний подвод уменьшает неравномерность потока на выходе из ВП (т. е. на входе в следующую ступень), а очень большая конфузорность (скорость газа увеличивается в десять и более раз) поз­ воляет исключить срывы потока при рациональном профилиро­ вании. Для этого может быть использован опыт по ВП обычной формы (см. п. 5.1). Входной патрубок этого типа испытывался в составе модельных секций.

На рис. 5.16 показана схема двух исследованных разновидно­ стей колена и даны основные обозначения. Основное отличие пово­ ротного колена от других элементов ПЧ — это сочетание большого угла поворота с очень большой

е

Рис 5 16 Схема исследованных разновидностей колена: а — колено без лопа­ ток; б — колено с лопатками

При неизбежных и очень больших срывах потока качественный анализ вариантов коленьев на основе расчетов невязкого потока подобно анализу, примененному в п. 2.3, вероятно, не был бы до­ статочно эффективным. Коленья были подвергнуты аналитиче­ скому исследованию с помощью методики расчета потерь, описан­

вании коленьев без лопаток. При таком соотношении потери минимальны, а размеры колена в направлении, перпендикулярном к оси машины, невелики.

Применение направляющих лопаток позволяет снизить потери в колене. При ограничивающих стенках в виде дуг окружностей направляющие лопатки могут быть установлены так, что все каналы, на которые делится колено, получаются геометрически подобными. В результате их можно оптимизировать, добиваясь наименьших суммарных потерь в одном канале.

Радиусы закругления направляющих лопаток найдем из ус­ ловия подобия каналов