книги / Центробежные компрессоры

в зависимости от режима работы. Потери в БЛД следует рассчи­ тывать с их использованием следующим образом:

где сг — расчетная скорость на радиусе г2.

В отечественной и зарубежной литературе заторможенное давление за РК иногда рекомендуется определять расчетом без его измерения в сечении 2 '—2'. Используются измеренное статистическое давление /?2э, которое кажется более

3.3. Выбор размеров и расчет БЛД

Радиальная протяженность. Для получения наименьших по­ терь в неподвижных элементах за счет рационального выбора г3 должно быть минимизировано соотношение

с формулой (3.5) увеличивает коэффициент потерь, при этом скорость с3 снижается. Коэффициент потерь £ву также в неко­ торой степени зависит от г3, определяющего размеры выходного устройства, параметры и структуру потока на выходе из БЛД. Взаимовлияние течения в БЛД и поворотном колене ОНА демон­ стрируют, например, данные из работы [52]. Измеренные поля полного давления р* в системе БЛД + ПК демонстрируют пере­ распределение потерь в зависимости от формы этих элементов.

Вид кривых (фактически определяющий потери) связан, оче­ видно, с местными диффузорными и конфузорными зонами и уров­ нем скоростей в этих зонах, т. е. зависит от г3.

Соотношение c%/tyT = tyT/cos2a2 в формуле (3.18) показывает, что снижение к. п. д. в неподвижных элементах пропорционально коэффициенту теоретического напора и зависит от а 2. Так как

ствовать повышению к. п. д. Значения г3 £> 2,0 обычно неприем­ лемы из конструктивных соображений.

В малорасходных ступенях, особенно промежуточного типа, потери трения играют превалирующую роль в связи с увеличе­

окончательном решении вопроса о выборе г3 для малорасходной ступени следует принимать

Сопоставление соответствующих характеристик ступеней Р К + Б ЛД (рис. 3 .1 1 ) при b = b2 и b = l,2ft2 показывает нецелесообраз­ ность значительного расширения БЛД по отношению к РК

в БЛД с b = Ъ2 при очень малой относительной ширине b2lD2 = = 0,0055 по всей его длине происходит снижение статического давления, т. е. к. п. д. диффузора отрицательный. Для таких крайне малорасходных ступеней следует принимать b 5 г 2b2.

Меридиональное профилирование. В отечественной и зарубеж­ ной практике находят применение БЛД с b = f (г) = var и раз­ личной меридиональной формой. Неэффективность расширя­ ющихся БЛД была показана экспериментально [79]. Сужающиеся

тельно к традиционным РК ПЦК. Наилучшие результаты по сравнению с диффузорами, у которых b = b2 = const, а также с другими отечественными и зарубежными конструкциями пока­ зал БЛД, схема которого представлена на рис. 3.12. Такая кон­ фигурация была лучшей для РК с рл2, равным 45 и 22,5°. Для РК с рл2 = 90° оптимальным является БЛД аналогичной кон­ струкции, но с «поджатием» со стороны передней стенки.

Характеристики ступеней с рекомендуемыми БЛД в сопоста­ влении с обычными при bJD2 =0,049 показаны на рис. 3.11. Суженные диффузоры конструкции ЛПИ обеспечивают суще-

Ьз - ( 0,77-0,8) Ъ2

В=(0,15-0,2)Ъг

что рекомендуемое сужение начального участка БЛД благопри­ ятно влияет на течение в области выхода из РК и, возможно, способствует умецьшению потерь смешения. Однако потери тре­ ния в БЛД с 6 < увеличились. Поскольку при меньших b2ID2 потери трения превалируют, а меридиональная неравномерность потока уменьшается, эффективность применения суженных БЛД должна зависеть от b2ID2. Экспериментально установленная гра­ ница целесообразности применения БЛД по рис. 3.12 соответ­ ствует b2/D2 ~ 0,028 —0,03 [11]. При b2ID2 > 0,049 эти диффу­ зоры не испытывались, но можно полагать, что с традиционными РК они будут эффективны. Протяженность сужающегося участка в этом случае должна быть пропорционально увеличена, чтобы избежать чрезмерно резкого «поджатая».

Высокоэффективные колеса ЛПИ обычно имеют более равно­ мерный поток на выходе, чем традиционные, поэтому положитель­ ный эффект от сужения БЛД может быть меньше. Для этих колес рекомендуются диффузоры с b = b2 = const. Данные, приведен­ ные на рис. 3.11, показывают, что эффективность таких ступеней существенно выше, чем с традиционными РК, в том числе и с оп­ тимально суженными БЛД.

Вращающиеся БЛД. Вихревые потери в БЛД связаны с не­ равномерностью поля скоростей после рабочего колеса. Одним

из способов устранения этих потерь может быть применение БЛД с вращающимися стенками. Практически это достигается удлине­ нием ограничивающих дисков колеса за пределы лопаточной решетки. Положительный эффект от вращения стенок БЛД связан с тем, что в пограничном слое неподвижного БЛД окруж­ ная составляющая скорости стремится к нулю, в то время как у вращающегося БЛД эта скорость стремится к и = cor. Это дает дополнительный импульс радиальной составляющей ско­ рости в пограничном слое, устраняя срывы потока на выходе из колеса и в начальной части неподвижного БЛД.

Характеристики ступеней с высоконапорным РК ЛПИ с вра­ щающимся и неподвижным БЛД, а также с обычным БЛД пред­ ставлены на рис. 3.13. Вращающийся диффузор был при этом

стики ступени улучшены во всей зоне работы.

По данным работы [21 ], использование вращающегося БЛД уменьшает пульсации давления на выходе из колеса и в началь­ ной части БЛД. Кроме того, работа ступеней сопровождается более низким уровнем шума.

На рис. 1.4 была показана схема ступени фирмы NEU (Фран­ ция) [90], в которой весь БЛД является вращающимся и рас­ ширяется по радиусу. Приведенные фирмой данные свидетель­ ствуют об очень высокой эффективности ступени. Очевидно, применение вращающегося БЛД затрудняет обеспечение стати­ ческой и динамической прочности РК в тем большей степени, чем больше радиальная протяженность этого диффузора.

Расчет потерь и параметров потока. Основные расчетные соот­ ношения даны в п. 3.1 [см. формулы (3.6) и (3.11)]. Из них сле­ дует, что потери в БЛД и параметры на выходе могут быть рас­

ционными РК ПЦК, представлены ниже по результатам работы [11]. Весьма эффективным оказалось при этом условное деление

Эти характеристики в отличие от характеристик БЛД в целом (см. рис. 3.7) практически идентичны для разных колес. Они также не зависят практически от сжимаемости потока в исследо­ ванном диапазоне Ми. Естественно, что при этом различие в эф­ фективности БЛД в целом связано с работой начальных участков.

b = 0,785&2 при работе P K с р л2 = 45° в зависимости от М„ пока­ зана на рис. 3.16. Обобщенные данные по влиянию Мс2 на эф­

с учетом всех потерь. В указанном диапазоне относительной ши­ рины колес с традиционным профилированием лопаток характе­ ристики БЛД, приведенные на рис. 3.14—3.17, могут быть ис­ пользованы для расчета. С некоторой осторожностью может быть также использовано эмпирическое соотношение из работы [8 ],

На рис. 3.19 обобщены данные испытаний при различных Жи.

При использовании экспериментальных данных из этого раз­ дела для поэлементного расчета следует применять соотношение (3.16) с коэффициентами неравномерности по рис. 3.9.

Глава 4 ЛОПАТОЧНЫЙ ДИФФУЗОР

4.1. Особенности течения в лопаточных диффузорах

Применение лопаточных диффузоров по сравнению с БЛД дает определенные преимущества: при меньших размерах может быть получено большее замедление потока (с ^ 0,5), что снижает потери в последующих НЭ. Соответствующей установкой лопаток можно согласовать оптимальные режимы ЛД и РК практически при любом выходном треугольнике скоростей, в том числе при малых ср2, что повышает степень реактивности, снижая потери в НЭ (включая ЛД). Поскольку лопаточная решетка ЛД более чувствительна к изменению условий течения при изменении рас­ хода, характеристики ступеней с ЛД обычно уже, чем с БЛД, но к. п. д. на расчетном режиме больше на 2—4%. Это общее правило, впрочем, не обеспечивается автоматически применением того или иного диффузора. Имеются примеры сопоставимых высокорасходных ступеней, у которых применение БЛД обеспе­ чило высокую экономичность во всем диапазоне расходов и рас­ ширило зону работы. Наоборот, применение ЛД у некоторых малорасходных ступеней не привело к сужению зоны работы и повысило к. п. д. во всем диапазоне работы. Таким образом, вы­ бор типа диффузора требует глубокого анализа с учетом особен­ ностей не только диффузоров, но также колеса и следующих за диффузором неподвижных элементов.

Особенности формы и характера обтекания элементарной круговой решетки ЛД по сравнению с прямой решеткой осевых турбомашин связаны с различием в характере инерциального течения. У плоской решетки осевой турбомашины для невязкого потока с р — const и при постоянной высоте слоя инерциальная траектория потока— прямая. При этих же условиях инерци­ альное течение в круговой решетке подобно течению в БЛД с тра­ екторией в виде логарифмической спирали. Лопаточная ре­ шетка ЛД отклоняет поток от инерциального направления; центр кривизны средней линии лопаток лежит со стороны задней поверхности. Передняя поверхность лопаток, т. е. сторона по­

вышенного давления, является выпуклой (рис. 4.1). Это прибли­ жает такие решетки к решеткам РК с лопатками, загнутыми на­ зад, и отличает их от прямых решеток с бесциркуляционным потоком на входе.

Однако в условиях работы и в параметрах решеток РК и ЛД существует ряд различий, не позволяющих использовать совер­ шенно аналогичные приемы профилирования. Рекомендуемое

вкачестве оптимального для РК распределение скоростей с w3 =

=const удается реализовать при w > 0,65 и Ддоср ^ 0,25-г-0,35.

Для ЛД характерны диффузорности с ^ 0,5, что дает минимум

Рис. 4.1. Схема лопаточного диффузора традицион­ ной конструкции

< 0,48 к. п. д. также снижается). В то же время средняя нагрузка на лопатки ЛД существенно меньше, чем у РК, что вполне объ­ яснимо при большей диффузорности ЛД.

Подтвердим сказанное численным примером для типичного ЛД. Связь между нагрузкой и параметрами потока по теореме

в решетке ЛД.

Средняя нагрузка Через рекомейдуемую дЛя определений Числа лопаток густоту решетки Ш, если принять длину лопатки I

равной упомянутой длине траектории, такова:

ния А с ор = 0 , 0 9 4 - 0 , 1 1 , что примерно втрое меньше, чем средняя

нагрузка лопаток РК.

Различия в условиях работы решеток РК и ЛД заключаются Прежде всего в существенно большей неравномерности потока перед лопатками последних, вызываемой меридиональной нерав­ номерностью потока за РК, нарушением структуры при часто применяемом внезапном расширении за колесом 63/Ь2 > 1 (рис. 4.1), нестационарностью параметров за РК.

В связи с различием в средней нагрузке и диффузорности решеток ЛД количественно распределение скоростей на их лопат­ ках существенно отличается от РК. На рис. 4.2 показано обте­ кание типичной решетки ЛД, составленной из лопаток со средней линией в виде дуги окружности и с крыловым профилем С-4 при трех углах атаки. Распределения скоростей получены на уста­ новке ЭМА (электромагнитной аналогии). При i — 0 нагрузка распределена более или менее равномерно по большей части ее длины. Начиная с I > 0,6, разгрузка происходит за счет замед­ ления потока по задней стороне при сп = const. Характер раз­

нагрузка небольшая. Уже при i = —3° скорость на входе на передней стороне больше, чем на задней, что приводит к большей диффузорности на передней стороне.

Так как нагрузка лопаток ЛД невелика, можно ожидать, что роль вторичных течений и числа Ричардсона в формировании условий обтекания передней и задней поверхностей лопаток не так существенна, как у РК. Расчеты обтекания показывают, что разность давлений в межлопаточном канале вдоль нормали практически отсутствует. Это объясняет характер обтекания, не наблюдаемый в РК, где срывы на передней стороне практически не имеют места. На рис. 4.3 показана визуализированная напыле­ нием красителя картина обтекания решетки ЛД на режиме, близ­ ком к оптимальному (данные В. И. Зараева и В. П. Митрофанова). Отчетливо видны зоны срывов на передней стороне лопатки в об­ ласти косого среза на выходе.

Оценим изменение скоростей от некоторой точки на передней поверхности вдоль нормали до задней поверхности, т. е. на рас­ стоянии а. Это изменение можно подсчитать, как сумму Ас + Act,