книги из ГПНТБ / Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах

Г. Н. ДЕН

\

М е х а н и к а

п о то к а

В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРАХ

Л Е Н И Н ГР А Д

«М АШ ИНОСТРОЕНИЕ»

Л Е Н И Н Г Р А Д С К О Е О Т Д Е Л Е Н И Е .

1 973

Г<*<5. Яу0-мИЧі*8.Я

д зз научно -т с.-•■ - ч»ч 6н1ідчіі ■-•.<■■•-'

экзем 1';;--

f?y

Ч И ТАЛ ЬИ О Г О З А Л А

ГЭ

ъ - з п м ь

/ ö ' j / /

У Д К 621.515 : 533.697

Д е и Г. Н . Механика потока в центробежных компрессорах. Л ., «Машиностроение» (Ленингр. отделение) 1973, 272 с.

В книге изложены результаты экспериментальных и теоретиче­ ских исследований течения и потерь во всех основных элементах проточных частей центробежных машин — рабочих колесах, диф­ фузорах, обратных направляющих аппаратах, входных и выходных устройствах. Приведены газодинамические характеристики различ­ ных вариантов элементов ступеней. Большое внимание уделено опи­ санию особенностей кинематики потока в отдельных элементах проточных частей и анализу влияния коэффициентов потерь и дру­ гих характерных газодинамических факторов на экономичность ступени. Показана возможность использования аппарата теории аэродинамических решеток для расчета обтекания лопаток колес, диффузоров, обратных направляющих и входных регулирующих ап­ паратов. Описаны методы расчета течений в канальных и безлопаточных диффузорах и выходных улитках. Рассмотрены способы расчета аэродинамических сил, действующих на ротор и лопаточные системы диффузоров и входных регулирующих аппаратов. Результаты всех расчетов сопоставлены с опытными данными.

Книга предназначена для инженерно-технических работников, связанных с проектированием, исследованиями и испытаниями цен­ тробежных компрессорных машин и насосов. Она может быть также полезна студентам вузов соответствующих специальностей.

Табл. 2. Ил. 106. Список лит. 80 назв.

Р ец ен зен т д-р техн. наук проф. К- П. Селезнев

âl35—158

038 (01)—73 158—73

© Издательство «Машиностроение», 1973 Г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 годы 'преду­ смотрено дальнейшее ускорение научно-технического прогресса. В течение девятой пятилетки планируются ускоренные темпы развития электроэнергетики, машиностроения, химической, неф­ техимической и газовой промышленностей. Все эти отрасли нуждаются в установках для сжатия и перекачки больших коли­ честв воздуха и разнообразных газов. Во многих конкретных случаях наиболее предпочтительным типом компрессора оказы­ вается машина центробежного типа.

Центробежное компрессоростроение достигло больших успе­ хов в создании высокоэкономичных проточных частей. Переход к большим окружным скоростям позволил снизить вес и габариты машин за счет уменьшения диаметров рабочих колес и числа сту­ пеней. Проектные подразделения заводов, разрабатывающих и выпускающих центробежные компрессоры (НЗЛ, «Энергомаш»), конструкторские бюро и научно-исследовательские институты, проектирующие машины (ЛенНИИхиммаш, ВНИИхолодмаш, СКВ по компрессорам), располагают большим количеством про­ веренных аэродинамических схем ступеней и многоступенчатых секций, обеспечивающих создание различных новых типоразмеров машин для обслуживания новых технологических производств. В лабораториях заводов, конструкторских бюро и институтов накоплены обширные данные по аэродинамике центробежного компрессора.

Однако появление новых областей применения центробежных машин и расширение границ их использования (увеличение диа­ пазона производительностей и давлений) в ряде случаев не позво­ ляют использовать при разработке нового компрессора уже имеющуюся изученную аэродинамическую схему. В подобных случаях приходится продолжать исследования аэродинамики центробежных машин с целью создания новых проточных частей.

В предлагаемой монографии систематизированы результаты экспериментальных и теоретических исследований аэродинамики проточных частей стационарных центробежных машин. Осно­ вой работы являются материалы и результаты, полученные

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

— коэффициент полезного действия (к. п. д.); лк — степень .повышения давления;

р— плотность газа;

р— давление;

Т— температура;

кѵ — коэффициент изменения удельного объема;

ф•— коэффициент напора;

к— показатель адиабаты;

Кд —•коэффициент диффузорности; Q — коэффициент реакции колеса; К — коэффициент Кориолиса;

£, £ — коэффициенты потерь и восстановления;

а— угол между направлением окружной скорости колеса и направ­ лением абсолютной скорости или касательной к средней линии неподвижной лопатки;

ß— угол между направлением, противоположным направлению окруж­ ной скорости колеса, и направлением относительной скорости

Т— осевое усилие;

Р— сила;

5

__Г ЛАВА 1_____________________________

Га з о д и н а м и ч е с к и е

ХАРАКТЕРИСТИКИ СТУПЕНИ

• И ЕЕ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Центробежные компрессорные машины (ц. к. м.) ис­ пользуются в различных отраслях промышленности, причем область их применения непрерывно расширяется. Разнообразие технологических процессов, обслуживаемых стационарными цен­ тробежными компрессорами, и многообразие сжимаемых и пере­ мещаемых ими газообразных сред привело к созданию большого количества различных типов центробежных машин, при этом каждый тип обычно можно использовать лишь в том конкретном производстве, для которого машина предназначалась при проек­ тировании. Совершенствование технологических процессов, обслу­ живаемых компрессорными машинами, и появление новых про­ изводств вызывает необходимость в создании новых типов машин, причем производства, использующие центробежные компрессоры и нагнетатели, как правило, являются настолько крупными, что потребность в машинах каждого типа составляет единицы.

Учитывая малую серийность машин, резкие различия в требуе­ мых параметрах и физических свойствах сжимаемых сред (что приводит к большому разнообразию проточных частей), а также достаточно сжатые сроки проектирования, изготовления и ввода в эксплуатацию, при разработке новых ц. к. м. приходится при­ менять такие методы, которые позволяют получить в новой ма­ шине расчетные параметры без проведения длительных и дорого­ стоящих доводочных работ на головном или опытном, образцах.

Наиболее надежным методом создания стационарных ц. к. м., избавляющим от необходимости доводки проточной части до га­ рантийных параметров, является метод моделирования. Для того чтобы иметь возможность пользоваться этим методом, необходимо располагать достоверными результатами испытаний различных ранее созданных ступеней и многоступенчатых секций, так как только результаты испытаний исходного прототипа позволяют построить газодинамические характеристики новой машины во всем требуемом диапазоне производительностей'еще до изготовле­ ния головного образца.

Недостатком метода моделирования является его консерва­ тивность — невозможность получить новую машину с более совершенной проточной частью, чему исходной модели. Поэтому параллельно с проектированием новых машин на базе метода моделирования совершенно необходимы экспериментальные и

7

теоретические изыскания, направленные на совершенствование имеющихся и разработку новых газодинамических схем с целью расширения «парка» исходных проточных частей. Эти работы целесообразно выполнять с использованием специальных экспе­ риментальных установок — моделей, имеющих сравнительно не­ большие габариты и потребляемые мощности и представляющих собой отдельные ступени или многоступенчатые секции. Проточ­ ные части моделей после окончания отработки могут быть исполь­ зованы непосредственно в качестве прототипов при проектирова­ нии натурных машин.

Изложенная система проектирования, состоящая из двух неразрывных частей — отработки и совершенствования проточных частей на малоразмерных моделях (диаметры рабочих колес около 300 мм) и перенесения достигнутых результатов методом модели­ рования на натурные проектируемые машины, — разработанная В. Ф. Рисом, успешно применяется в течение многих лет Нев­ ским машиностроительным заводом им. В. И. Ленина. Так как при использовании подобной методики исходными данными для проектирования новой машины являются экспериментальные результаты, полученные на модельной установке, то при прове­ дении газодинамических расчетов оказывается достаточным при­ менение сравнительно простых расчетных методов, основанных на одномерной газогидравлической схеме течения. В то же время для совершенствования модельных ступеней и анализа результа­ тов их исследования целесообразно использование более сложных и строгих теоретических методов.

Современные стационарные центробежные компрессоры имеют проточные части, состоящие из нескольких секций, разделенных газоохладителями. Секция может быть одноили многоступен­ чатой. Каждая ступень является совокупностью отдельных эле­ ментов, имеющих различное назначение и свойства. Основной элемент ступени — рабочее колесо. В нем происходит передача энергии от привода к сжимаемой среде. Механическая, энергия привода расходуется на повышение потенциальной и кинетиче­ ской энергии потока и преодоление потерь в проточной части. В диффузоре, расположенном за рабочим колесом, кинетическая энергия потока, выходящего из колеса, должна преобразовываться в потенциальную — скорости потока должны уменьшаться, а дав­ ление возрастать. Обратный направляющий' аппарат (о. и. а) осуществляет Подвод потока к рабочему колесу следующей сту­ пени. Выходное устройство концевой ступени служит для вывода потока из проточной части секции, а всасывающее устройство первой ступени — для подвода потока к первому рабочему колесу.

Для оценки иапорности, экономичности и области производи­ тельностей центробежной компрессорной машины достаточно рас­ полагать ее газодинамическими характеристиками, т. е. графи­ ческими зависимостями степени повышения давления пк, политропного к. п. д. т)пОЛ(или адиабатного г)ад) от объемной произво­

8

дительности Q или массового расхода G. При этом должны быть заданы начальные температура и давление газа перед всасываю­ щим патрубком Тп и рн, физические константы газа (газовая постоянная R и показатель адиабаты k) и скорость вращения ротора п (а также расход охлаждающей воды и ее температура — для компрессора, имеющего охлаждение газа в процессе сжатия).

Суммарные газодинамические характеристики компрессора являются окончательным критерием, позволяющим судить о его свойствах и газодинамическом совершенстве. Для более углуб­ ленного рассмотрения работы компрессора всегда желательно иметь также характеристики неохлаждаемых секций компрессора и его отдельных ступеней. Однако даже характеристики ступеней еще не позволяют с достаточной полнотой рассмотреть взаимодей­ ствие отдельных элементов ступени, удовлетворительность согла­ сования их между собой, степень совершенства каждого элемента. Знание газодинамических характеристик каждого элемента дает возможность подробно анализировать работу компрессора, изы­ скивать пути совершенствования проточной части за счет улучше­ ния согласования ступеней и их отдельных элементов между собой.

В работе [49] излагается идея поэлементного метода расчета компрессора по газодинамическим характеристикам патрубков, колес, диффузоров, о. н. а. и выходных устройств. К сожалению,

чества данных, которые могли бы быть заложены в основу подоб­ ных расчетов. Однако по мере накопления опытныхданных о работе каждого элемента центробежной ступени поэлементный метод расчета сможет найти практическое применение при проек­ тировании проточных частей центробежных машин.

1.1. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ТЕЧЕНИЕ В СТУПЕНИ

Теоретические методы механики жидкости и газа позволяют рассчитать и построить картину течения в различных элементах ступени, удовлетворительно согласующуюся с действительностью, по крайней мере в области расчетных режимов; определить сило­ вое воздействие потока на ротор и лопаточные системы направ­ ляющих аппаратов; качественно предсказать места возможных отрывов потока, вызывающих возрастание потерь энергии; оце­ нить потери из-за трения газа о стенки, но не дают возможности чисто аналитическими методами подсчитать потери энергии и получить к. п. д. центробежной ступени.

Течение газа в проточных частях при давлениях, близких к атмосферному или превосходящих атмосферное, является тур­ булентным. Для таких течений в настоящее время отсутствует замкнутая система уравнений, описывающая пространственные турбулентные потоки жидкостей и газов. Например, если числа М

9