3.3.11. Диффузоры

Диффузоры используются для постепенного уменьшения скорости потока; кинетическая энергия при этом преобразуется в потенциальную. Они использу-ются в компрессорах, трубопроводах, аэродинамических трубах, выхлопных пат-рубках паровых и газовых турбин, в вентиляционных установках. Назначение диффузоров - восстанавливать давление при наименьших потерях энергии.

При дозвуковых скоростях торможение потока осуществляется в расширя-ющейся трубе. Поэтому дозвуковые диффузоры имеют форму расширяющихся патрубков с плоскими, коническими или криволинейными стенками. В компрес-сорных турбомашинах диффузорные каналы образуются лопаточным аппаратом. Важнейшим геометрическим параметром диффузора является его степень уширения n, равная отношению площади сечения на выходе F₂ к входной пло-щади F_1. Заданная степень уширения n может достигаться за счет надлежащего подбора угла раствора диффузора α или его длины L. Нарастание давления вниз по потоку приводит к быстрому увеличению толщины пограничного слоя, а при достаточно большом градиенте давления - и к его отрыву. Поэтому потери энер-гии в диффузорах значительно больше, чем в цилиндрических и конфузорных трубах той же длины. При отрывном течении в диффузоре заданное повышение давления не обеспечивается, эффективность его падает. Основная задача проектирования диффузора - определение его наилучшей формы, при которой течение безотрывно и потери энергии при заданных скоростях минимальны.

Пусть на входе в диффузор средняя скорость течения газа равна w₁, его уде-льная кинетическая энергия . Если необратимые потери удельной энергии в диффузоре вследствие трения и вихреобразования составляют ΔЕ, то безраз-мерным коэффициентом внутренних потерь  (или коэффициентом гидравли-ческого сопротивления) диффузора называют отношение

. ( 3.60)

Коэффициент полезного действия диффузора η_д – это отношение действи-тельного прироста потенциальной энергии к максимально возможному при изоэн-тропийном сжатии и заданной степени уширения в диффузоре. Картина потока в диффузоре - сложная. Профили скорости непрерывно деформируются по его длине. Наиболее достоверные данные о потерях в диффузорах получены экспери-ментальным путем. Опыт показывает, что при безотрывном обтекании стенок диффузора величина максимального угла раскрытия а зависит от степени ушире-ния n. При n = 2 24^о, при n = 5 9^о.

Внутренние потери в диффузоре принято выражать в долях потерь, происхдя-щих в местном сопротивлении при резком расширении трубы с той же степенью уширения n. Потери напора при резком расширении определяются формулой . Потери давления в диффузоре с плавно расширяющимися стенками меньше, чем при резком расширении потока. При малых углах раствора внутренние потери диффузора невелики: они составляют величину около 0,15 от потерь ступенчатого диффузора. С ростом α потери увеличиваются и при раст-воре около 40° сравниваются с потерями при резком расширении. Опыт показы-вает, что при больших углах раствора внутренние потери могут быть уменьшены, если образующую стенки диффузора выполнить не прямой, а криволинейной. На величину потерь в диффузоре оказывают влияние режимные параметры: числа Рейнольдса, Маха, степень турбулентности потока. Увеличение скорости у стенки смещает сечение отрыва струй вниз по потоку. Поэтому для улучшения характе-ристик диффузора оказываются эффективными отсос или сдув пограничного слоя.