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

паточном диффузоре угол а4 близок к углу выхода лопаток а4л

и может быть сделан большим, чем а 2. Поэтому при одинаковых габаритных размерах диффузоров для лопаточного диффузора на расчетном режиме коэффициент диффузорности участка 2—4 оказывается большим, чем для безлопаточного. В безлопаточных диффузорах с постоянной шириной канала b = Ь3 = Ь4 обычно не рекомендуется задавать ширину Ь3 большей, чем ширина ко­ леса Ь3. В лопаточных предпочтительно принимать Ь3 > Ьг.

Рис. 4.1. Схема лопаточного диффузора

Согласно [44], оптимальные значения к. п. д. ступени получаются

а4л — а 3л = 10ч-15° нетрудно получить значение коэффициента диффузорности участка 2—4 порядка 2,8—3,2. Для собственно лопаточного диффузора, т. е. для участка 3—4, значения /сд полу­ чаются меньшими. При Ь3 = й4

Необходимо отметить, что в ступени промежуточного типа по существу коэффициент диффузорности участка 2—4 не может быть принят произвольным. Во избежание замедления потока в о. н. а.

средняя скорость за диффузором с4 должна быть меньше средней скорости течения при входе в колесо последующей ступени с3.

Если для ориентировочной оценкижелательной величины /сд2_4 принять со = й = Сг2 \ где сг 2 — радиальная составляющая ско-

120

роста перед диффузором, то

В соответствии с уравнением сохранения массы

•или с учетом (4.3) при 63 = bt

sm a4 = - -- ^ г-

Pi0 b3 7Д]

Примем в первом приближении на расчетном режиме а3 = а3л

и а4 = а4л. Тогда требуемый угол поворота профиля диффузор­ ной лопатки равен

диффузора является определение угла входа лопаток а 3л по из­

вестному из расчета колеса углу а 2. Если не учитывать потери момента количества движения после выхода потока из колеса, то при Ь3 = 62 и малых числах Мы угол потока на диаметре D3,

перед лопатками диффузора, а3 = а 2. Если струя, выходящая из колеса, уже заполняет всю ширину канала перед лопатками диффузора, то при Ь3> Ь2

струя, выходящая из колеса, не всегда успевает заполнить всю ширину канала. Кроме того, уменьшение момента количества движения на участке 2—3 вследствие потерь также приводит к воз­

растанию угла а3, в результате чего угол потока перед лопат­

ками а3 должен быть большим, чем по формуле (4.4). К сожалению, нам неизвестен какой-либо достаточно обоснованный метод опре­

деления угла а 3, поэтрму в дальнейшем везде этот угол опреде­ ляется по формуле (4.4).

При расчете диффузора известен угол потока за колесом а 2 да расчетном режиме, а входной угол лопаток а 3л подлежит опре­ делению. В настоящее время отсутствуют однозначные рекоменда­

121

ции, устанавливающие связь углов а 2 и а3л, при которых потери в диффузоре или уменьшение к. п. д. ступени, вызванное поте­ рями в диффузоре, минимальны. Для ступеней с углами ß2jI =

= 21-=-45° при Ь2 = 0,04-^0,07 оптимальному значению к. п. д. ступени на расчетном режиме соответствует найденное В. Ф. Рисом условие

«зл = 0.5 К + о у ,

где а3 определено по формуле (4.4). При ß2jI = 90° оптимуму к. п. д.

4.1. СТРУК ТУРА ПОТОКА В ЛОПАТОЧНОМ ДИФ Ф УЗОРЕ

Структура потока в лопаточном диффузоре центробежной ком­ прессорной ступени зависит от конструкции диффузора и колеса и режимов их работы. Настоящий параграф написан на основании результатов исследования ступеней, типичных для стационарных ц. к. м. конструкции Невского завода им. В. И. Ленина. Принци­ пиальная схема проточной части, использовавшейся для выяс­ нения структуры потока в лопаточном диффузоре, показана на рис. 1.2. Исследования лопаточных диффузоров производились также в ступенях, схемы которых показаны на рис. 7.2.

В ступенях промежуточного типа все каналы диффузора рабо­ тают в одинаковых условиях: перед и за диффузором параметры потока в радиальной плоскости изменяются по шагу лопаток, но во всех каналах картина течения повторяется. В концевых ступенях при правильном согласовании выходного устройства с лопаточным диффузором шаговая периодичность течения в диф­ фузоре также сохраняется [66], но при отсутствии согласования

между углом выхода потока из диффузора а4 и расчетным углом

входа потока в улитку ccj шаговая периодичность течения в ло­ паточном диффузоре может нарушиться. Нарушение шаговой периодичности может произойти, например, после перестановки диффузорных лопаток концевой ступени из расчетного положения с целью сдвинуть характеристики ступени в зону больших или меньших производительностей. При этом рассогласование между диффузором и улиткой влияет на течение лишь в тех каналах, которые расположены в окрестностях языка улитки.

В концевой ступени, показанной на рис. 1.2, для проверки шаговой повторяемости картины течения были измерены давления на боковых стенках при выходе из диффузорных каналов. О повто­ ряемости картины течения перед диффузорными каналами конце­ вой ступени (см. рис. 7.2, б) можно судить по распределениям скоростей, полученным перед каждым третьим каналом с помощвю трехканальных цилиндрических зондов (рис. 4.2). Опытные дан­ ные показывают, что при надлежащем согласовании диффузора

122

иулитки шаговая периодичность течения в диффузоре сохраняется

вшироком диапазоне режимов работы ступени концевого типа.

-В этом случае для исследования течения достаточно произвести измерения только в одном из каналов, однако практически удоб­ нее производить измерения в различных сечениях нескольких каналов, считая, что картина течения во всех каналах одинакова.

Величина шаговой неравномерности потока перед диффузором зависит от расстояния между контрольным сечением, в котором

производятся измерения, и лопатками. Удаление лопаток от места измерения давлений перед ними приводит к уменьшению неравно­ мерности давлений вдоль шага. На рис. 4.3 показаны изменения давления на стенке перед лопатками по шагу. Амплитуда колеба­ ния давления- в пределах межлопаточного шага при г = 0,883г3 оказывается в два с лишним раза меньше, чем при /• = 0,958г3. Расстояние между диффузорными лопатками и колесом характе­

ризуется величиной г3. = D3 = 1,05-г-1,15, поэтому контрольное сечение перед диффузором не может быть отодвинуто от лопаток на такое расстояние, при котором шаговая неравномерность потока была бы незначительной. Из рис. 4.2 следует, что при г = 0,95г3 окружная составляющая скорости перед диффузором в пределах шага изменяется примерно на 30%, а радиальная на 70%. В ре­ зультате такой шаговой неравномерности потока перед диффу­ зором коэффициент Кориолиса /С3 достигает 1,5—1,6.

123

Шаговая неравномерность потока перед лопатками диффузора существенно усложняет получение средних значений полного и статического давлений перед лопаточным диффузором, так как для их определения необходимо траверсировать поток не только по ширине канала, но и по шагу лопаток. Отметим, что шаговая неравномерность полного давления перед диффузором оказывается меньшей, чем неравномерность статического и динамического давлений. Если принять, что лопаточный диффузор не оказывает

обратного влияния на рабочее колесо или пренебречь этим влия­ нием, то для определения средних значений полных давлений перед лопаточным диффузором можно использовать результаты измерений скоростей и давлений за колесом, полученные при от­ сутствии диффузорных лопаток, вызывающих шаговую неравно­ мерность потока.

Шаговая неравномерность полей скоростей и давлений имеется не только перед лопаточными диффузорами, но и за ними. Типичные распределения осредненных по ширине канала пол­ ных и статических давлений, а также углов потока за лопатками приведены на рис. 4.4. Статическое давление за диффузором почти не изменяется по шагу, тогда как полное, а следовательно, и дина­ мическое давление, а также углы потока изменяются существенно.

124

Поэтому для определения среднего по расходу динамического на­ пора за. диффузором необходимо иметь распределения параметров потока по выходному сечению за диффузорным каналом — по ширине канала и по шагу. Коэффициент /С4 оказывается минималь­ ным при расчетном режиме работы диффузора и возрастает как

при увеличении, так и. при уменьшении углов потока а3 по сравне­

нию с расчетной величиной аз, при которой потери минимальны. Отметим, что величина /С4 возрастает при увеличении числа диффузорных лопаток.

Результаты измерений давлений на поверхности лопаток свиде­ тельствуют о том, что по ширине канала давление изменяется только вблизи входных кромок. Уже на небольшом удалении от входа в канал давление практически не изменяется по ширине канала в меридиональной плоскости [11]. Неравномерность ста­ тических давлений при входе в диффузорный канал связана с не­ однородностью потока по ширине перед диффузором, приводящей

к различиям в углах атаки г3 = а3л—а 3 в различных точках входной кромки. При &3> Ь2, когда поток не заполняет всю шк рину канала, перед лопатками у боковых стенок образуются застойные зоны или зоны обратных токов, в которых сг < 0. На продолжении средней линии канала ширина пристеночных зон оказывается меньшей, чем перед лопатками.

125-

В выходном сечении канала диффузора поля скоростей могут быть неравномерными не только по шагу, но и по ширине канала. Неравномерность потока по ширине канала оказывается тем боль­ шей, чем больше относительная ширина диффузора b3IDs. Так, увеличение Ь3 в пределах (0,053 ч-0,076) D3 вызывало резкое на­ рушение равномерности полей скоростей при выходе из диффу­ зора (в обоих случаях Ь3^ 1,35/?2).

Различный качественный характер потока при выходе из диф­ фузора с разной относительной шириной может быть объяснен тем, что увеличение относительной ширины приводит к увеличе­ нию угла раскрытия конического диффузора, эквивалентного каналу лопаточного диффузора. Если оценивать угол раскрытия эквивалентного конического диффузора бэ по формуле (3.55),

+« 4 л). то

(4.5)

Согласно формуле (4.5), в более широком диффузоре, при ис­ следовании которого была обнаружена большая неравномерность потока по ширине канала вблизи выхода, 6Э= 4° 25'. Более узкий диффузор с существенно меньшей неравномерностью потока на выходе имел бэ = 3° 20'. Отметим, что коэффициент диффузорности межлопаточного канала

в первом случае был несколько меньшим, чем во втором. Второй диффузор был исследован при различных соотношениях между шириной колеса Ь2 и диффузора Ь3, причем увеличение этого соот­ ношения до трех (Ь3 — 2,9Ьа) сравнительно мало влияло на не­ равномерность потока за лопатками.

Обнаруженное при опытах качественное различие в структуре потока в выходных сечениях межлопаточных каналов при не­ большой разнице в углах раскрытия эквивалентных каналов свидетельствует о том, что даже небольшие изменения в конструк­ ции диффузора могут сильно влиять на течение в нем.

Нарастание пограничных слоев на боковых стенках межло­ паточных каналов приводит к уменьшению отрицательного гра­ диента давления на средней линии межлопаточного канала. В от­ носительно более узком канале пограничные слои на торцевых стенках каналов сильнее загромождают сечения и в большей сте­ пени воздействуют на поток в ядре. Поэтому, как и в безлопаточных диффузорах, в относительно более узких лопаточных диффу­ зорах неравномерность полей скоростей по ширине сечений меньше, чем при больших относительных ширинах b3/D3.

126

127

Согласно результатам исследования течения в лопаточном диф­ фузоре с шириной b3 = 0,076D3, наилучшее заполнение попереч­ ного сечения канала потоком наблюдается в первой половине

межлопаточного канала при углах а3, близких к а3л, т. е. при малых углах атаки і3 = а 3л — а3. При большой разнице между

углами а3л и а3 на изменение скорости вдоль средней линии ка­ нала влияют срывные зоны, появляющиеся около поверхностей лопаток. Как показывают распределения давлений вдоль лопаток (рис. 4.5), при углах атаки і3 < 0, соответствующих значениям

фг2 > Фг2 , на выпуклой поверхности лопатки около носика давле­ ние интенсивно возрастает. Большой положительный градиент давления вызывает отрыв потока от поверхности лопатки и обра­ зование застойной зоны, в результате чего проходное сечение канала уменьшается.

На вогнутой поверхности на участке, противолежащем носику соседней лопатки, давление оказывается резко пониженным, при­ чем, чем больше густота лопаточной решетки диффузора, тем резче провал давления в «горле» канала при отрицательных углах атаки і3. Пик скорости, возникающий у вогнутой поверхности, при і3 < 0 может вызывать такое резкое местное понижение ста­ тического давления в узком сечении межлопаточного канала, что давление в этой области оказывается ниже, чем перед рабочим колесом. По мере уменьшения абсолютной величины угла атаки, т. е. по мере уменьшения фг2, величина положительного градиента давлений на выпуклой поверхности у носика лопатки понижается. Одновременно уменьшается провал в распределении давлений на

противолежащем участке соседней лопатки. При а3^ а3л давле­ ние монотонно увеличивается вдоль обеих поверхностей лопатки. При і3 > 0 распределения давлений по лопатке качественно остаются одними и теми же, однако положительные градиенты давления у вогнутой поверхности становятся большими, чем у выпуклой.'

В ходе измерений скоростей внутри каналов при і3 > 0 в ряде случаев было обнаружено, что в конце канала вблизи выпуклой поверхности лопаток могут также возникнуть застойные зоны,

размеры которых увеличиваются по мере уменьшения угла а3. Приближение к границе помпажа в застойной зоне обнаружи­ вается значительно раньше, чем появляются колебания в показа­ ниях жидкостных манометров, подключенных к дренажам на вса­ сывающем или нагнетательном трубопроводе ступени.

Качественная картина течения в радиальной плоскости, со­ ставленная на основании измерений скоростей в различных сече­ ниях межлопаточного канала и давлений на лопатках в диффу­ зоре, имеющем густоту лопаточной решетки около 2,0, показана на рис. 4.6. При і3 < 0 на протяжении первой трети канала ско­ рость на средней линии канала увеличивается, что связано с воз-

128

никновением срывной зоны на выпуклой стороне лопатки и за­ громождением проходного сечения канала как лопатками, так и срывной зоной. Лишь во второй половине канала скорость на его средней линии уменьшается до величины скорости перед лопатками. При углах атаки, близких к нулю, скорость посте­ пенно уменьшается вдоль средней линии канала. При положитель-

Рис. 4.6. Схема течения в межлопаточном канале диффузора

ных углах атаки уменьшение скорости вдоль средней линии канала наблюдается лишь на протяжении первой половины канала, после возникновения срывной зоны в конце выпуклой поверхности лопатки уменьшение скорости прекращается. Описанная картина получена при Ь3 = 0,076D3. При меньшей относительной ширине канала (b3/D3 '= 0,053) срывные зоны в конце канала не наблю­ дались.

Распределение давлений по лопатке ощутимо зависит от густоты лопаточной решетки диффузора. При небольшой густоте (L = = 1,21) «провал» в распределении давлений по вогнутой поверх­ ности лопатки не возникает. При больших отрицательных углах