книги / Центробежные компрессоры

первой ступени параметрах, входящих в (5.25), соотношение Н

имеет порядок 3—3,5. Что касается Б, то это соотношение опреде­ ляется размером трубного пучка по глубине, одновременно влияя на форму входного патрубка и каналов аппарата. Анализ вопроса и опыт проектирования показали, что хорошие результаты полу­

чаются при Б = (0,94-1 , 1) Я, т. е. при поперечном сечении, близком к квадратному.

В

6

Рис. 5.17. Схема направляющего аппарата

Диаметр начала разделителей и лопаток аппаратов влияет на

форму каналов. Чем меньше Db при заданных габаритных разме­ рах, тем менее искривленными получаются каналы, однако увели­ чивается смоченная поверхность. Разумеется, должны приниматься

во внимание и размеры^диффузора. При БЛД обычно Db = Z)4 >

>J , 6 —1,65, достигая D4 2 на концевых ступенях с большими Н

иВ. При ЛД Db в принципе может быть меньше, однако возмож­ ность отрицательного влияния этих соседних элементов проточной

части заставляет рекомендовать Db > D4 и практически вышепри­

веденная рекомендация для Db = 1,6-ь2 справедлива и для сту­ пеней с лопаточными диффузорами.

Для построения лопаток исходными параметрами являются координаты входной и выходной кромок к и А, а также лопаточные

желательности равномерности потока на выходе из аппарата следует связь между координатами v и h> обеспечивающая оди­ наковую геометрическую диффузорность всех каналов аппарата,

Форма канала обуславливается формой средней линии лопа­ ток, формой их профиля, определяющей распределение кривизны и площади поперечного сечения по длине канала, расстоянием между соседними лопатками, характеризуемым углом ф. Значи­ тельное влияние на форму каналов оказывает величина угла ф, характеризующая положение входных кромок разделителей. То­ лько при некотором угле ф* средние линии всех каналов могут не иметь перегиба. Его величина определяется соотношением

Эта формула получена из условия существования одной из средних линий в виде прямой, которое является достаточным, чтобы средние линии других каналов не имели перегиба. Оче­ видно, что при ф < ф* форма всех каналов аппарата ухудшается.

Очень малое удлинение и очень большая густота делают сомни­ тельной эффективность аналогии аппарата с решеткой профилей. Целесообразнее применение канальных приемов. Относительно низкий уровень чисел М снижает возможные отрицательные эф­ фекты от неучета деталей обтекания входной части каналов. К то­ му же, отсутствие круговой симметрии чрезвычайно затрудняет расчет обтекания для исследовательских целей и создание ин­ женерного метода профилирования.

Исходя из упрощенных представлений, для средней линии следует подобрать какую-либо из кривых — лемнискату, параболу и т. п. Можно полагать целесообразным использование наиболее простой из них — дуги окружности. Радиус кривизны у окружно­ сти наибольший, а ее длина — наименьшая.

В общем случае через точки на Db и линии 6 —6 (см. рис. 5.17), взаимное положение которых определяется зависимостью (5.26), нельзя провести среднюю линию лопатки, у которой были бы обеспечены заданные углы а л5 и а л6. Это возможно только для некоторого определенного поперечного размера аппарата В'.

Для аппарата с ф = ф* размах, при котором одна из средних линий является дугой окружности, определяется соотношением

При В < В' средняя линия не может быть описана дугой окружности, начинающейся на Db. В этом случае от Db средняя линия до сопряжения с окружностью должна иметь другую форму. Целесообразно, по-видимому, при В < В' профилировать лопатки так: от Ь5 средняя линия идет по логарифмической спи­ рали до сопряжения с окружностью, причем участок с логариф­ мической спиралью оставляется безлопаточным, т. е. поток дви­ жется свободно, как в БЛД. Очевидно, при оптимальном профи­ лировании сопротивление каждого из каналов будет различным. Возникающая окружная неравномерность является источником дополнительных потерь в диффузоре и колесе. Совершенствование менее изогнутых каналов с меньшим сопротивлением снижает потери в аппарате, но, увеличивая неравномерность аппарата, увеличивает потери в других элементах. Напротив, совершенст­ вование наиболее изогнутых каналов снижает и собственные по­ тери аппарата, и потери от неравномерности. Ясно также, что нахождение рационального способа профилирования канала, имеющего принципиально худшую форму, более важно.

Было предпринято экспериментальное исследование семи се­ рий (всего 40 вариантов) одиночных наиболее изогнутых каналов

угол ф и средняя линия лопаток. Лопатки предполагались телес­ ными, за счет чего получался различный характер изменения по­ перечных сечений по длине и существенно изменялись очертания стенок. В четвертой серии угол ф = 15° был принят постоянным, а варьировался радиус закругления выпуклой стенки, причем

угол варьировался у каналов, образованных лопатками постоян­ ной толщины со средними линиями в виде дуг окружностей. В седьмой серии у канала постоянной формы исследовалось вли­ яние его высоты b/Db = 0,01 -т-0,082.

Изучение структуры потока при статических продувках под­ твердило ее сложность, что и ожидалось в связи со значительными диффузорностью и изогнутостью каналов. Срывная зона на вог­ нутой стороне всегда замыкалась в пределах канала, а на выпук­ лой — выходила за его пределы при больших ф или когда прямо­ линейный выходной участок канала быд диффузорным. В этих

случаях коэффициент неравномерности % достигал значения 5,5. Коэффициент х по результатам измерений подсчитывался следу­ ющим образом:

щадь элементарного участка контрольного сечения / с точкой замера i в ее центре.

У лучших вариантов срывная зона замыкалась внутри канала, тем не менее значительные потери на выпуклой стороне не были выравнены, из-за чего структура потока весьма неравномерна

(X = 1,4).

Значительная неравномерность потока на выходе была причиной потерь смешения за каналом, которые по результатам стати­

Измерения нитяным зондом показали наличие сильных вторич­ ных течений. На ограничивающих канал по высоте стенках наблюдалось сильное утолщение пограничных слоев и их смыка­ ние. За исключением ограниченной зоны на входе, влияние вяз­ кости проявлялось в каналах так сильно, что поток не имел по­ тенциального ядра.

Влияние параметра ф на потери и структуру потока на выходе весьма сильное. Величина фопт, соответствующая минимальным потерям £Sr, и сами потери сильно зависят от способа профили­ рования каналов. Показано, что в начальной части канала це­ лесообразно осуществить поворот и замедление потока. Поворот и последующее замедление или замедление с последующим пово­ ротом, равно как и промежуточный вариант, менее эффективны.

Влияние характера изменения диффузорности на повороте изучалось изменением формы выпуклой стенки. За параметр фор­ мы принято отношение 2аор/(а5 + а6), которое равно единице у исходного канала и больше единицы, если проходные сечения увеличиваются быстрее, чем по линейному закону. Некоторое

данные по которым сопоставили с экспериментальными (рис. 5.18). В большинстве случаев получено хорошее качественное и удовлет­ ворительное количественное совпадение расчетных и опытных данных по потерям.

Модельные ступени со встроенными охладителями. Выполнен­ ные исследования ступеней с аппаратами разной формы пресле­ довали цель уточнить методы профилирования. Первая серия ап­ паратов включала три варианта. Аппарат № 1 имел ф = ф* = = 27°, а его каналы были оптимизированы теоретическим рас­ четным методом в соответствии с принципами, изложенными выше. Диффузорность каналов равнялась 3,65. Естественно, что опти­ мизированные каналы этого аппарата имели различные сопротив­ ления. Аппарат № 2 являлся вариантом аппарата № 1,для полу­ чения круговой симметрии в каналы которого были установлены цилиндрические тела, доводящие сопротивление каждого из них до сопротивления наиболее изогнутого. Аппарат № 3 имел те же средние линии каналов, что и аппарат № 1 , но лопатки имели постоянную толщину.

Сопоставление характеристик ступеней, полученных при Жи = = 0,85 (и2 = 292 м/с), показало, что увеличение сопротивления менее изогнутых каналов с целью устранения круговой неравно­ мерности не привело к повышению к. п. д. Наоборот, они ниже, чем у варианта № 1 во всем диапазоне расходов. В то же время у варианта № 2 значительно равномернее поток на выходе из аппарата и заметна тенденция к уменьшению критического рас­ хода. Таким образом, выравнивание сопротивления желательно, но за счет уменьшения сопротивления более изогнутых каналов. Выше отмечалось, что на форму последних благотворно влияет принятие ср > ср*. Что касается упрощенного варианта № 3,то его собственные потери не больше, чем у варианта № 1 , но его опти­ мальный режим соответствовал большему расходу ступени.

Вторая серия ступеней имела аппараты с различными углами ф.

ней поверхности разделителей, имеющей форму логарифмических спиралей:

Ступени были испытаны с одним из колес конструкции ЛПИ первого поколения с двухъярусными решетками 13К и имели безлопаточный диффузор с D6 = 630 мм, а 5 = 26°.

Соблюдение неравенства ф > ф* положительно влияет на фор­ му наиболее изогнутых каналов аппарата. У каналов, средняя линия которых, начинаясь на £>5, должна была бы иметь перегиб, начальный участок выполнен базлопаточным. Здесь поток дол­ жен двигаться как в БЛД, т. е. примерно по логарифмическим

спиралям. Увеличение <р по сравнению с <р* улучшает все пара­ метры ступени. Значение ф = ф** можно считать оптимальным для использовавшихся в опыте колеса и диффузора, т. е. прирост максимального к. п. д. по сравнению с вариантом № 9 был неве­

ваний позволили сформулировать метод профилирования, основ­ ные положения которого следующие.

1. С учетом типа колеса, диффузора и охладителей выбираются

3. С учетом геометрических соотношений устанавливается форма средней линии лопаток в функции от о в виде дуг окруж­ ностей или дуг и прямых.

4.Расчетным анализом вариантов по методике п. 6.5 для всех каналов аппарата, начиная с максимально изогнутого, подбира­ ются угол фопт и оптимальный закон изменения ширины канала вдоль средней линии.

5.Подсчитывается средняя величина коэффициента сопротив­ ления аппарата, по которой на основании сравнения с опытными данными могут быть определены потери в аппарате для использо­ вания в поэлементном расчете,

По такой методике был рассчитан и спрофилирован ряд аппа­ ратов для натурных и модельных ступеней со встроенными охла­ дителями. Сопоставление со ступенями обычного типа, включаю­ щими однопоточный ВП и «улитку», демонстрирует более высо­ кую эффективность ступеней со встроенными охладителями.

5.4.Выходные устройства с тангенциальным отводом

Ктаким ВУ относятся улитки (спиральные камеры) и кольце­

Кольцевые камеры изучались М. Т. Столярским (ЦКТИ). Следует выделить работу [45], в которой приведены полуэмпирические зависимости для расчета потерь в улитках и кольцевых камерах. В последние годы эти элементы проточной части детально изуча­ ются А. А. Мифтаховым (КХТИ), некоторые результаты пред­ ставлены в работе [39]. В связи с подробным освещением вопроса в литературе авторы ограничились в настоящем разделе только кратким описанием особенностей течения и сведениями, необхо­ димыми для оценки потерь,

В отличие от описанных в п. 5.3 выходных устройств в обычных ВУ нет необходимости сильно отклонять газ от направления вы­ хода из диффузора. Собранный по окружности г4 (или г3 при БЛД) газ выводится через один или несколько патрубков, распо­ ложенных тангенциально к этой окружности. Построение про­ стейшей улитки поясняет схема, показанная на рис. 5.19. Если после радиуса г4 проточную часть продолжает безлопаточное про­ странство с 6 = 64, то при отсутствии вязкости и при р = const траектория частиц является логарифмической спиралью. Эта линия на всей протяженности об­

Условие (5.33) считается важным для реальных проточных ча­ стей, так как в противном случае возникают дополнительные по­ тери и аэродинамическиенагрузки. В реальном случае для улитки, показанной на рис. 5.19, наружный обвод не будет логарифмиче­ ской спиралью, так как р Ф const и величина си = / (г) изменяется с учетом изменения момента количества движения из-за трения о стенки. Точно учесть эти факторы затруднительно, поэтому ре­ альная улитка вызывает некоторое искажение поля скоростей

на г4. Этому способствует также и наличие патрубка, местного возмущения от которого не было бы в бесконечном безлопаточном пространстве. Особенно сильно неравномерность потока проявля­ ется при а 4 Ф а 4р, если улитка расположена после БЛД, или при <р ф фр в случае работы с ЛД. Хотя во втором случае в среднем по окружности а 4 const, при нерасчетных режимах происходит существенная перестройка потока в системе ЛД -f- ВУ, как это было показано в п. 4.1. Опыт показывает, что перенесение языка из точки 0 = 0 в точку 0Я*=» 30° с соответствующим изменением

Рис. 5.20. Схема течения в ЛД и улитке на расчетном и нерас­ четном режимах [39] (фо z Фо опт)

формы патрубка — штриховая линия на рис. 5.19 — способствует уменьшению окружной неравномерности потока и улучшению работы ступени на расчетных и нерасчетных режимах.

На рис. 5.20 и 5.21 [39] показана картина течения в улитке на расчетном и нерасчетном режимах при работе с ЛД и БЛД. Перестройка потока при ф Ф фр происходит главным образом в улитке, в области языка. Видимо, при 0Я= 0 такая перестройка происходила бы непосредственно в диффузорах, где в силу повы­ шенных скоростей это привело бы к еще худшим последствиям. Отметим, что на входе в патрубок в районе языка улитки скорость

в начале выходного патрубка — прямоосного диффузора — имеет ярко выраженную неравномерность, приводящую к срыву на внутренней стенке патрубка.

Улитки, показанные на рис. 5.19, иногда применяются в вен­ тиляторах с большими значениями В. У компрессорных ступеней отношения b/h (см. рис. 5.19) получились бы слишком малыми, выходное сечение неудобно для соединения ç нагнетательным