2.Течение газа в диффузоре

Рассмотрим плоский диффузор с дозвуковым течением.

Диффузор – является расширительным каналом, так как f₁ > f₂ (площадь проходного сечения) из-за этого падает скорость С₁ > С₂. В диффузоре кинетическая энергия превращается в потенциальную, поэтому скорость С падает, а давление Р растёт. (Р₁ Р₂).

(1)

В уравнении (1) падение энергии за счёт увеличения

(увеличиваем давление, падает скорость).

Сила действия газа (Н) получается от удара молекул на единицу площади (м²), увеличивается давление. Чем больше молекул в единице объема, тем больше сила (Н) и выше давление (Па). Повысить давление значит сблизить молекулы, чтобы число ударов молекул было больше.

Вырежем на входе диффузора объём газа массой m между сечениями А и Б. При движении газа в диффузоре скорость падает и сечение А - затормаживается. Сечение Б по инерции догоняет А и следовательно происходит уменьшение объёма, то есть сжатие. Число молекул становится больше на единицу площади.

Потери в диффузоре зависят от длины пути L (потери на трение) и от вихреобразования.

В диффузоре I, L₁ > L₂ – поэтому увеличиваются потери на трение, V₁ мал и как следствие нет вихреобразования и газ течёт плавно.

В диффузоре II потери на трение меньше, потому что L₂ < L₁, но происходит резкое увеличение площади проходного сечения, так как V₂ > 12⁰, получаются вихри, увеличивается снижение К.П.Д.

Основные потери происходят в пограничном слое.

3. Течение газа в конфузоре

В конфузоре площадь проходного сечения уменьшается f₂ < f₁, поэтому увеличивается скорость С и в соответствии с уравнением Бернулли снижается давление Р.

4. Кинематика потока газа в рабочем колесе с радиальной решёткой

Как отмечалось ранее, поток в ступени турбокомпрессора является пространственным, т.е. трехмерным. Для упрощения задач проектирования ступеней турбокомпрессоров и анализа течения в проточной части используют двух- и одномерные модели течения.

Для понимания принципа действия турбокомпрессоров с позиции законов механики жидкости и газа достаточно рассмотреть одномерный подход в описании течения газа в проточной части. Такой подход часто составляет основу предварительных расчетов турбокомпрессоров.

Лопаточные аппараты рабочего колеса и неподвижных элементов представляют собой пространственные решетки, состоящие из лопаток, симметрично расположенных по углу поворота ротора (координата θ). При одномерном подходе параметры потока полагаются равномерно распределенными по площади контрольных сечений, условно делящих проточную часть на составные элементы.

Распределение скоростей газового потока по каждому из элементов ступени турбокомпрессора называется кинематикой потока.

Кинематика потока определяет расход газа через проточную часть, затраты работы на сжатие и перемещение газа и в связи с этим оказывает решающее влияние на эффективность, размеры и конструкцию проточной части турбокомпрессоров.

При проектировании новых турбокомпрессоров решается задача выбора наиболее целесообразной кинематической схемы движения потока (так называемая обратная задача газовой динамики).

При выполнении поверочных расчетов и анализе течения в уже существующих машинах решается прямая задача газовой динамики.

Для описания кинематики потока используют треугольники скоростей (рис. 3.1).Угол β– угол потока в относительном движении, он образован вектором относительной скорости и обратным направлением окружной скорости .Угол α– угол потока в абсолютном движении, он образован вектором абсолютной скорости и вектором .

Рис. 3.1 Треугольник скоростей

Для того чтобы построить треугольник скоростей для рабочего колеса необходимо:

• определить направлениевектора относительной скорости , направление которого (угол β₁) должно примерно соответствовать на расчетном режиме углу β_л1 (если строится треугольник скоростей на входе в РК) или углу β_л2 (если строится треугольник скоростей на выходе из РК);

• определить направление вращения рабочего колеса, а значит направление вектора переносной (окружной) скорости ;

• отложить от конца вектора скорости вектор , соединив начало вектора с концом вектора , получим вектор абсолютной скорости .

Треугольники скоростей неподвижных элементов прямоугольные, так как переносное и относительное движение в них не имеет смысла, а есть только проекции вектора абсолютной скорости С_r, С_z и С_u.

Условимся в дальнейшем, в обозначении векторов скоростей, знак вектора вверху символа опускать.

В случае нерасчетных режимов работы вектор относительной скорости на входе в решетку не совпадает с направлением касательной к средней линии профиля.

Угол между направлением входной скорости W₁ и направлением касательной в передней точке к средней линии профиля называется угломатаки

.

Угол атаки может иметь как положительные значения, так и отрицательные (рис. 3.2). Положительные значения углов атаки соответствую пониженному расходу газа, а отрицательные – повышенному.

Для ПНА угол атаки

.

При выходе из решетки поток отстает от геометрического угла установки лопатки β_л2 на величину угла β, который называется углом отставания потока

.

Разница между направлением потока на входе и выходе называется углом разворота потока ε=β₂ – β₁.

В компрессорных ступенях угол разворота потока находится обычно в пределах . Для сравнения, в ступенях осевых турбин это значение гораздо больше . Возможность применения больших углов разворота потока в турбинных ступенях объясняется тем, что компрессорные решетки, в отличие от турбинных, имеют расширяющиеся межлопаточные каналы, т.е.в турбинных решетках характер течения конфузорный, а в компрессорных – диффузорный.Такой характер течения в межлопаточных каналах компрессорных ступеней, особенно при больших углах разворота, приводит к срыву потока с лопаток и снижению эффективности работы ступени.

Рис. 3.2 Углы атаки на входе в решетку рабочего колесаи угол отставания потока

На рис. 3.3 показаны треугольники скоростей в круговых лопаточных решетках ступени ЦК промежуточного типа.

а)

б)

Рис. 3.3 Кинематика потока в ступени центробежного компрессора:

а) схема ступени и потока в круговых лопаточных решетках;

б) треугольники скоростей