книги / Центробежные компрессоры

выше скорости на входе. Из-за повышения скорости в горле ка­ налов стеснение заметно уменьшает ширину рабочей зоны в обла­ сти больших расходов. Сравнение характеристик разных РК с ô в диапазоне 2—4 % показало, что тонкие лопатки предпочтитель­ нее, особенно при Жи > 0,8-=-1.

У традиционных РК в соответствии с рекомендациями ра­ боты [60 ] заострение делают за счет уменьшения толщины лопа­ ток со стороны задней поверхности вплоть до входной и выходной кромок, скругляемых меньшими радиусами (у относительно тон­ ких штампованных лопаток заострение иногда делают просто

Рис. 2.40. Распределение скоростей по лопаткам колеса ЗД на режиме Ф = 0,0852, Мм = 0,6: а — Ô = 0,05; б — Ô = 0,033;

в— Ô = 0,02

ввиде клина). При такой форме фактические углы лопаток по сравнению с углами |3Л, рассчитанными по средней Линнов виде дуг окружностей, меньше у входной кромки и больше у выходной, что, очевидно, учитывается рекомендациями по расчету фт и вы­ бору tonT. Некоторым недостатком заострения кромок со стороны задней поверхности лопатки следует считать появление дополни­ тельных пиков скоростей при обтекании выпуклой заостренной части лопаток, где эти пики наиболее опасны, так как могут быть причиной срыва. Эти пики хорошо видны на рис. 2.38.

Уколес ЛПИ заострение принято делать симметричным, таким образом действительные углы лопатки совпадают с расчетными |3Л при их профилировании по средней линии (см. п. 2.8). Соотноше­ ния размеров даны на рис. 2.41. Увеличение длин /вх и /вых по от­ ношению к общей длине лопатки I желательно, но не может быть обеспечено, если сквозь лопатку должны пропускаться заклепки крепления покрывающего диска. При паяных, сварных или литых РК с аэродинамической точки зрения желательно иметь тонкие лопатки с возможно большей протяженностью заостренных участ­ ков, в результате чего это приводит к одной из аэродинамических форм. По данным ВНИИхолодмаша, заострение входной кромки

малым радиусом i ? ^ 0 , l ô улучшает работу РК при Mw> 1. Иногда для упрощения технологии выходную кромку образуют

П ер е се ч ен и е м л о п а т к и п о с т о я н н о й т о л щ и н ы радиусом rv П о сравне-

нию с заостренными на выходе лопатками это может привести к некоторому снижению к. п. д. Эффективность ступеней с БЛД для двух колес ЛПИ при симметрично заостренных и тупых кромках проверена А. В. Зуевым. Ступени испытаны при fau яа яа 0,78 и имели РК с Фр, равным 0,075 и 0,05, и фт. р, равным 0,8 и 0,55 соответственно (при заостренных кромках). Тупые кромки по сравнению с заостренными привели к снижению к. п. д. на 1 и 2,5 % соответственно, но при этом теоретический напор увели-

Рис. 2.41. Форма входной и выходной кромок рабочих ло­ паток ЛПИ

Рис. 2.42. К выбору рацио­

нального гп		по	распределе­
нию	скоростей	для	одноярус­
ных	решеток с	z — Zi и z —
	=	z2

чился примерно на 10 % (при одинаковых Ф), а характеристики примерно на столько же сместились в область большей произво­ дительности.

О многоярусных и многорядных решетках. Увеличенное стесне­ ние потока лопатками и увеличение густоты решетки в области входа по сравнению с выходом при одинаковом числе лопаток делают логичным применение в радиальных колесах более слож­ ных лопаточных систем.

Многорядные решетки с увеличивающимся числом лопаток от входа к выходу помимо решения задачи оптимизации густоты и уменьшения стеснения, возможно, могли бы привести к повыше­ нию эффективности РК с большим отклонением за счет известного эффекта управления пограничным слоем. Однако из-за сложности и технологических затруднений такие решетки для РК ПЦК не применяются, и поэтому они не были объектом изучения.

Подробно исследовались и нашли применение простейшие из многоярусных — двухъярусные решетки. Такие решетки, по­ лученные укорочением через одну густых одноярусных решеток, широко применяются в традиционных РК отечественных пред­ приятий. Рекомендации по густоте и рациональному соотношению длин лопаток первого и второго ярусов даны в работах [58; 67].

Применительно к РК, профилируемым с учетом W, подробное исследование сделано авторами работ [8; 48]. На рис. 2.42 для

двухъярусной решетки z2Iz1 показан принцип определения рацио­ нального гп по обтеканию одноярусных решеток с числом лопа­ ток zx и z2. Из-за большого стеснения в густой решетке ç z = z2 величина w{ велика и даже при малой нагрузке w3 в области входа значительно. У этой же решетки, но с вдвое уменьшенным z = zly величина w{ значительно меньше. При малой, но быстро расту­ щей в области входа нагрузке величина w3 сначала значительно меньше, чем в густой решетке, по мере роста нагрузки сравни­ вается с нею, а затем превосходит ее. Рациональгым радиусом подрезки гп считается тот, при котором скорости на задней сто­ роне при z — z2 и z = zx при г = гп равны. Этим достигается минимально возможный уровень скоростей в решетке 1. Экспери­ ментально было доказано, что соотношение гп/г1 должно быть примерно одинаковым для всех поверхностей тока, т. е. образую­ щая одной кромки лопаток второго яруса должна быть накло­ нена по отношению к осевому направлению.

Двухъярусные колеса ЛПИ при широкой зоне работы обычно демонстрировали более высокую эффективность, чем традицион­ ные. Однако по мере совершенствования методов профилирования одноярусные колеса ЛПИ стали показывать эффективность, не­ достижимую при существующих методах профилирования двухъ­ ярусных решеток. На рис. 2.43 показаны типичные w для двухъ­ ярусного РК при разных режимах работы, полученные как рас­ четом, так и путем измерения статического давления на профилях (см. п. 2.3). Распределение скоростей на первом ярусе не соответ­ ствует схеме, показанной на рис. 2.42. Входная кромка оказы­ вается нагруженной сильнее, а перед входом во второй ярус происходит разгрузка длинных лопаток за счет местного ускоре­ ния на передней стороне. В результате перестройки потока в соот­ ветствии с закономерностями, описанными в п. 2.4, короткие лопатки на всех режимах обтекаются с положительным углом атаки. На возможность неблагоприятной перестройки потока в двухъярусных РК типа «радиальная звезда» указывалось в [99 ]. Закономерности обтекания двухъярусной решетки обычной кон­ струкции расчетным путем изучались в [38]; в частности, уста­ новлено, что уменьшение толщины коротких лопаток улучшает обтекание. В работе [77] изучено влияние смещения коротких лопаток по шагу у традиционных РК. Тем не менее пока не сфор­ мулирован способ профилирования двухъярусных решеток, обес­ печивающий им равную эффективность с одноярусными.

На рис. 2.44 показаны характеристики одного из колес ЛПИ с обычной двухъярусной решеткой и с уменьшенным углом входа лопаток второго яруса для согласования с перестраивающимся перед входной кромкой потоком. Максимальный к. п. д. заметно

1 Применительно к традиционным РК такой принцип выбора был сформули­ рован Ф С. Рекстиным [58] в предположении, что нагрузка может быть принята равной Aw « соа.

повысился, но сузившаяся зона работы лишила это колесо преиму­ ществ по сравнению с одноярусным. Таким образом, проблема эффективного профилирования двухъярусных решеток для рас­ ширения зоны работы РК при высоком к. п. д. еще ждет решения, хотя очень хорошие показатели одноярусных колес ЛПИ с уве­ личенными радиусами закругления покрывающих дисков (см. п. 2.5) несколько снизили актуальность вопроса.

Рис. 2.43. Распределение скоростей по лопаткам двухъ­ ярусного РК: при расчете (------------- длинная ло­

патка ; ----------------короткая лопатка) и эксперименте (—о -------длинная лопатка; —Д ------короткая ло­

патка)

Влияние Фр, фт. р, Ми на эффективность. Выше рассмотрены вопросы оптимального проектирования РК. Однако очевидно, что к. п. д. колес, и особенно ступеней, не может быть одинаково высок в любом диапазоне основных параметров. В^п. 2.1 рас­ смотрены основные вопросы, определяющие связь Фр и р с эффективностью. При малых Фр к. п, д. понижается из-за роста потерь на ограничивающих поверхностях и роста коэффициен­ тов рпр и ртР. При больших Фр эффективность снижает рост уровня скоростей w{ и ухудшение обтекания цилиндрических ло­ паток трехмерным потоком. В диапазоне фг. р, которые имеют место для РК ПЦК, увеличение напорности при прочих равных условиях приводит к некоторому снижению к. п. д. частично из-за роста диффузорности межлопаточных каналов и нагрузки, а в основном из-за снижения реактивности РК и повышения по­

терь в НЭ. Эффекты, связанные с ролью сжимаемости при тече­ нии с высокими числами М, описаны в общей литературе [1; 27;

33] и в литературе, посвященной турбокомпрессорам

[4; 30; 32;

50;

60;

65].

кон-

/Щ

Поскольку заданные

AS

—

структору

размерные

пара­

метры машины т и рк могут

Ч

^

быть обеспечены

при разной

комбинации

Фр, фт. р и

Мм,

0,1

\ \\

важно хотя бы примерно оце­

нить

влияние каждого из них

0.6

количественно.

Поскольку

Л

эффективность определяется

V S

потерями в РК и

последую­

0,5

ч>

N

щих

НЭ, ниже

приводятся

ч

f i

\

некоторые

данные

по двух­

0,4

\

ч

0,7

звенным ступеням в целом —

РК +

БЛД.

показано

0,3

|ч

N

0,6

На

рис. 2.45

влияние Фр на максимальный

0,2

\

0,5

к. п. д. двухзвенных

ступе­

0,05

0,06

0,07 0,08

0,09

0,1

ф

ней.

Сплошными

линиями

Рис. 2.44. Характеристики ступеней РК +

нанесены

зависимости

для

-f- БЛД при двух вариантах профилиро­

расчетных

к. п. д.,

оптими­

вания двухъярусной решетки,

Ми =

0,79;

зированных

с помощью

ММ

------------- исходное Р К ---------------РКс уменъ-

ш°нным углом входа лопаток

второго

яруса

ступеней (см. п. 6.4 и рабо­

нанесены

к. п. д.

для

некоторых

ту

[55]). Отдельными точками

эффективных двухзвенных ступеней ЛПИ. В ряде случаев реаль-

*

но

достигнутый

к. п. д.

TJnSmax у7!*адзтах

близок к теоретически мак­

0, 9\-------------

симально

возможному

(в

пределах

достоверности

данной математической мо­

дели). Разница

в

достиг­

нутой

эффективности

вы­

Рис. 2.45. Влияние расчетного коэффициента

сокорасходных

ступеней

расхода

на

к. п. д.

двухзвенных

ступеней

связана,

возможно,

и

с

РК +

БЛД:

тем,

что

в

этой j области

---------- — оптимизированные ступени, расчет по

ММ

1551

при

М„ =

0,8, гвт = 0 , 2 5 ---------------

представлены данные

по

экспериментальные данные для ступеней с РК «ра­

унифицированным

ступе­

диальная звезда* (см. п. 2.7). Экспериментапьные

точки соответствуют ступеням ЛПИ г РК ПЦК

ням ьЛПИ

(см. приложе­

ф

ф-р. р

=

0,7;

О

Фт. р =

0,69;

Я

ние),

которые

не

могут

Фт. р = 0,66,

□ “ Фт. р = °*65‘«

А

-

Фт. р =

быть

оптимальны [во всем

= 0,57;

X

Фг

0,56

На

рис. 2.46

показаны

диапазоне Фр.

Фр)*

зависимости

Ллзшах =

/ (фт. р >

ожидаемые на основании расчетов с помощью упомянутой выше ММ [55]. Отметим, что с ростом фт. р увеличивается радиальная протяженность БЛД теоретически оптимизированных ступеней,

так как принято с3 = 0,4 = const для всех ступеней, по которым построены графики, приведенные на рис. 2.46. Для некоторых ступеней с несколько меньшими г3 при фг. р 0,6 -*-0,7 получены Цпз шах 0,88 -г-0,9, т. е. выше, чем предсказываемые анализом с помощью ММ.

Что касается влияния Мм то оно носит весьма индивидуаль­ ный характер в зависимости от конкретных аэродинамических свойств решеток. Опыт показывает, что колеса ЛПИ обычно существенно меньше подвержены отрицательному влиянию сжи­ маемости, чем традиционные. *

Примеры изменения харак- J$V теристик ступеней с РК ЛПИ в зависимости от М» есть в приложении. На рис. 2.47 представлены характеристи-

Т]пзтах

0,9

Рис. 2.46. Значения г)*3тах=

= f (Фт. р) двухзвенных сту­

пеней РК. -f- БЛД, оптими­ зированных с помощью ММ при 7вТ = 0,25, М„ = 0,8

Рис. 2.47. Характеристики				ступени
- О	при высоких Ми:
	Мц =	0,89;	- Д --------	Ми =
= 1,03;	- V	------ Мц =	1,17;	- □ ------
		М „ = 1,31

ки ступени при различных (данные И. Я. Сухомлинова, ВНИИхолодмаш). Ступень ВНИИхолодмаша с РК ЛПИ типа ЗД

включает

суженный

БЛД

с b3/b2 = 0,8, г3 =

1,4,

лопаточный

диффузор

и

сборную

камеру большого сечения. В данном случае

максимальный к. п. д.

одинаков

в диапазоне

Мц =

0,89 -ь1,17.

Это связано

не только с хорошими свойствами колеса и комби­

нированной

диффузорной

системы, но и с тем,

что ступень рас­

считывалась на высокие

М„. При снижении Ми из-за

рассогласо­

вания РК

и

диффузора

характеристики смещаются

в

область

меньших Ф,

а к. п. д. растет не столь сильно,

как было

бы для

ступени, рассчитанной

на меньшее значение М„. Для

оптимизи­

рованных

ступеней

РК +

БЛД

зависимость к. п. д.

от

М„ по­

казана на

рис. 2.48

[55].

Анализ довольно

большого

числа ре­

зультатов

экспериментов

показал, что хорошим критерием обоб­

щения влияния

М на к. п. д. рабочих колес можно считать мак­

симальное местное число Мшшах на профиле

[8;

48]. В качестве

ориентировочной

предложена эмпирическая

зависимость

Л — 1

[о»2+ (юоФр_I)2]

0,3)2.

(2.73)

Здесь число	Маха определяется	на средней	поверхности тока,
а введение	Фр ориентировочно	учитывает	экспериментально

наблюдаемую чувствительность малорасходных РК к влиянию сжимаемости. На рис. 2.49 показано влияние числа Ми на отно­ шение Фкр/Фр для промежуточных ступеней с БЛД.

	Рис. 2.48. Зависимость максимального				Рис. 2.49. Влияние Mwна зо­
	к. п. д. двухзвенных		ступеней	от Жи	ну^ работы	промежуточных
	и 'фт. р по ММ [55; (ФР = '0,08,			гвТ =	ступеней с БЛД		и колесами
	=	0,25); некоторые экспериментальные				ЛПИ:
		данные:			1 - 'Фт. р «	о,7,	ф р »	o,os;
	---------- — расчет по ММ: — — -------экс­
					2 — “Фт! р ~	0.55,	Ф р » 0,065;
	перименты со ступенями с РК «радиаль­
					3 — грг р -	0,55,	ф р »	0,07
	ная	звезда» (см. п. 2.7); кривые относят­
	ся	к РК с b2/ D 2=0,Q4;	0,03; 0,02 в	порядке
		убывания	к. п. д.

2.7.Особенности осерадиальных рабочих колес

Восерадиальных рабочих колесах благодаря осевому входу потока на лопатки по сравнению с РК ПЦК меньше средний диа­ метр входа гх; по этой причине при одинаковых Фр меньше вели­ чина w{ и числа М на входе. Осерадиальные колеса имеют пре­ имущества при использовании их на высокие Фр и Mw. Эти пре­

имущества делают их особенно эффективными в первых ступенях многоступенчатых компрессоров, для которых важнейшими тре­ бованиями являются возможно более высокие расходность и напорность. Последние ступени, пропускающие меньший объемный расход, при этом работают с более высокими, чем обычно, коэф­ фициентами расхода Фр. Это повышает к. п. д. концевых ступеней.

Осерадиальные рабочие колеса полуоткрытого типа при |3Л2 = = 90° имеют высокие прочностные характеристики. Они удобны для применения в унифицированных ступенях для покрытия широкого поля параметров изменением высоты лопаток и наруж­ ного диаметра РК. С аэродинамической точки зрения осерадиаль­ ные колеса обладают рядом особенностей, требующих специаль­ ного изучения и использования особых методов профилирования.

Одной из особенностей осерадиальных РК является широкая возможность варьирования меридиональным контуром при за­ данных размерах в сечениях 1— 1 и 2—2 (см. рис. 1.1 и 2.50),

даже если исключить варианты наружного обвода с г < г 0, ко­ торые неприемлемы при корпусе без горизонтального разъема. При этом возможно, в частности, за счет увеличения проходных сечений добиться снижения w в начальной части межлопаточных

каналов без введения значительной нагрузки,				что невозможно
в	РК	ПЦК. В	результате для типичного осерадиального РК
с	Рлг =	90° при	развитой осевой части лопаток	высокоэффектив­

ным оказывается W, показанное на рис. 2.51. Распределение ско­ ростей имеет две характерные области, расположенные соответ­ ственно в осевой и радиальной частях решетки.

В осевой части нагрузка не­ велика, она определяется посте­ пенным увеличением угла лопа­ ток |3Л. Относительная скорость

Рис. 2.50. Варианты мери­ дионального контура осера­ диального РК

Рис. 2.51. Типичное рас­ пределение^ скоростей на периферийной ОПТ высо­ коэффективного осеради­ ального РК с рл2 = 90°

при этом снижается как из-за роста Рл, так и из-за некоторого увеличения проходных сечений в меридиональной плоскости. В радиальной части к газу подводится основная часть теорети­ ческого напора. Здесь нагрузка велика, так как газ перемещается к периферии.

Можно полагать, что условие w3 = const, обеспечивающее высокую эффективность РК ПЦК, не является обязательным для осерадиальных колес при развитой осевой части. Поскольку на осевой части лопаток нагрузка невелика, эффекты стабилизации течения (см. п. 2.3) на задней стороне лопаток практически не проявляются. В результате допустимое безотрывное замедление по задней стороне может быть близким к тому, которое имеет место для слабоизогнутого профиля. Последующее ускорение в ра­ диальной части решетки должно локализовать срывную зону, если она все же образуется.

Обеспечение равномерно заполненных эпюр скоростей с малой диффузорностью потока на задних сторонах лопаток, подобных тем, которые рекомендуются для профилирования решеток колес с радиальным входом потока на лопатки, требует задания в осе­ вой части РК значительных градиентов dfijdl. При этом в сред­

ней части колеса могут быть достигнуты	значения	>	90°,
снижение которых в дальнейшем путем	перегиба лопаток		до

Рл2 = 90° должно компенсировать чрезмерное увеличение нагрузки в радиальной части колеса. Для уменьшения местной диффузорности потока на входе из-за высоких значений d$Jdl необходимо снижать высоту лопаток в осевой и средней части РК. Опыт профилирования РК ПЦК показал, что изменения формы ПЧ, сводящиеся к уменьшению высоты лопаток b в начальной и сред­ ней части, как правило, ведут к снижению эффективности из-за повышения уровня скоростей и роста потерь на ограничивающих

Рис. 2.52. Меридиональные обводы, распределения скоростей и экспери­ ментальные характеристики малоразмерного полуоткрытого РК с уве­

личенной (-------- )		и уменьшенной	(-----------)			диффузорностью			потока
в средней части		колеса (D2 = 176 мм,		Mw=		0,6';	ступень	с	БЛД)
поверхностях.	Вероятно, этот		вывод		может		быть	справедлив
и в отношении	полуоткрытых		РК.	На	рис. 2.52 представлены
экспериментальные		характеристики		рабочего			колеса	и	ступени

сБЛД. За счет различной формы меридионального контура РК обеспечивались два качественно различных характера распре­ деления скоростей: с увеличенной (сплошные линии) и умень­ шенной (штриховые линии) диффузорностями потока в средней части колеса (данные А. М. Симонова и Б. Н. Савина). У колеса

сповышенной диффузорностью в средней части на выходе канал становится конфузорным, за счет чего в основной части лопатки (после осевого входа) выполняется условие w3 = const. За счет «поджатия» меридионального профиля у второго варианта ко­

леса в начале лопатки обеспечивается условие = const, а затем следует заметный конфузорный участок. При этом раз­ грузка у выхода приводит к существенному замедлению на зад­ ней стороне. Образование следа (п. 2.3) у второго варианта ожи­ дается в области, где кинетическая энергия существенно выше. Сравнение эффективности вариантов показывает целесообразность такого выбора меридиональных обводов, при котором сечения 2лгЬ = / (г) сначала существенно возрастают, а затем умень­ шаются. Очевидно, что такой возможности при профилировании РК ПЦК не имеется.

Приводимые ниже экспериментальные данные дают предста­ вление об эффективности элементов ступеней с полуоткрытыми осерадиальными РК при рл2 = 90° [28], разработанными приме­ нительно к промышленным центробежным компрессорам. Испы­ тывались ступени с БЛД, колеса которых имели наружный диа­ метр, равный 370 мм. Варианты РК получались из исходного колеса варьированием наружного меридионального контура и Ь2. Таким образом, трем значениям г0 (0,61; 0,51 и 0,4) соответство­ вали различные значения Ь2Ю2 в диапазоне 0,04—0,015. Ва­ рианты колеса отличались величиной Фр, отношением w, коэф-

0,02	0,03	0,00	0,05	0,06 0,07 0,08	0,03	0,10 0,11 ■	0,12 <Р
Рис.	2.53.	Зависимости		т)*д 3 = / (Ф) для	десяти	вариантов	ступе­

ней с БЛД и колесом «радиальная звезда» при г0 =				0,61 (1 — b2/D2 =
= 0,04;	2 — b2lD 2 =	0,0345;	3 — b2lD2 = 0,03;	4 — b2/D2 = 0,02),
при г0 =	0,530 (5 — b2IDt =		0,0345; 6 — b2lD2 =	0,03-, 7 — b2lD2=
= 0,02)	и при 70 =	0,468	(8 — b2lD 2 = 0,03;	9 — b2/D2 — 0,02;
		10 — b2lD2 = 0,015)

фициентом расхода <р2р и углами выхода потока а 2р. На рис. 2.53 показаны характеристики вариантов двухзвенных ступеней с опи­ санными РК (М„ ^ 0,8). На рис. 2.54 представлено обобщение результатов для режимов максимального к. п. д. Обращает на себя внимание монотонное повышение эффективности РК при го = const и уменьшении Ь2Ю2, что эквивалентно росту w. Зна­ чения £РК шах = / (w) по всем вариантам приближенно описы­ ваются одной кривой (рис. 2.55), не зависящей от г0 в исследован­ ном диапазоне параметров. Видно, что при w < 0,7 -s-0,75 потери быстро растут. Однако большие значения w соответствуют при больших Фр значительным а 2 и ф2, в результате больший дина­ мический напор за колесом приводит к большим потерям в БЛД, несмотря на сравнительно низкие £БЛД. При малых Фр (малые b2/D2) потери велики, так как в узких БЛД коэффициенты потерь существенно увеличены. Резервы повышения эффективности сту­ пеней с РК типа «радиальная звезда» в силу их низкой реактив­ ности следует искать и в совершенствовании неподвижных эле­ ментов.

Некоторые рекомендации по расчету и проектированию ступе­ ней с РК «радиальная звезда» . Их ожидаемый к. п. д. может быть оценен по представленным коэффициентам потерь элементов (см. гл. 3, 4, 5). Максимальная величина г)п для концевой сту­ пени с осевым входом при Фр = 0,06-*-0,09 может достигать 0,81-7-0,83 (в зависимости от Фр и типа диффузора) при Мц «=; 0,8. При увеличении М„ до 0,9 эффективность ступеней на расчетном режиме практически не меняется (см. рис. 2.48).