книги из ГПНТБ / Зайдель Р.Р. Турбодетандеры кислородных установок

Проиллюстрируем изложенное на двух примерах.

Пример 1. Определить диаметры D\, D2 и число оборотов:

одностороннего рабочего колеса центростремительного турбо­

детандера для расширения воздуха при следующих параметрах

противодавления р2 теплосо-

держание!^ =1681 ккал/моль.

Следовательно, располагае­ мый теплоперепад

/?о = Zo — i2t 1940 — 1681 =

=259 ккал/моль=8,9 ккал/кг

и располагаемая скорость

с0 = 91,5 У7Г0 = 91,5 ]/8^ =

= 273 м/сек.

Учитывая, что скорость не­

велика, а расход большой, вы­

бираем степень реактивности

ния Ci согласно фиг. 26 будет лишь немногим выше звуко­

вой и сопло еще сможет быть выполнено сужающимся.

Скорость истечения из сопел (19)

= 91,5? ]/ (1 - р) Ао = 91,5 ■ 0,96 /[(.1 — 0,45) 8,9 = 194 м/сек.

89

Окружная скорость колеса

щ = xci = 0,94 • 194 = 182 м/сек.

у = 180 - (pi + 2) = 180 - (30 + 85) = 65°.

Этому углу, согласно фиг. 19 соответствует скоростной коэф­

фициент Ф =0,93.

Коэффициенты относительных потерь:

= 1 - ?2 = 1 _ 0.962 = 0,078;

90

По формуле (123) величина

0,5-0,0208(1 —0,45)1/0,45 +

+ /0,25-0.020^(1 — 0,45)2 0,45 + 24-30,6-1Q-* (0,042 +0,07) (1-0,45',

= 0,16117

и тогда

Р = V Р? == V 0,16 1172 = 0,482.

Величины относительных потерь по формулам (117) — (121):

= kc (1 - р) = 0,078 (1 - 0,45) = 0,043;

k,

=30 6'10~4 = 0,0276;

°р3 0,482з

1^9/^ = 0,0208 -^-=0,0201.

К. п. д. проточной части

т]пч ~ 1 — (В, + 4- у == 1 - (0,043 + 0,0177 + 0,0296) = 0,91.

К. п. д. турбодегандера

7)^s - Ga + 9 = 0,91 - (0,0276 4-0,02) = 0,862.

Теплосодержание за проточной частью

h —h — htMnv = 1940 — 259-0,91 = 1704 ккал/моль.

По гх-диаграмме при р2= 1,4 ага этому теплосодержанию со­ ответствует влажный пар с температурой насыщения 72 = 84,6° К со степенью сухости х=0,986.

Согласно zp-диаграмме для воздуха ('приложение 2) при

р2=1,4 ата коэффициент сжимаемости сухого насыщенного пара z=0,952.

91

рабочего колеса одноступенчатого центростремительного турбо-

детандера для тех же условий, что и в примере 1, но для рас­

Ввиду малого расхода воздуха для получения, возможно боль­

шей высоты сопла 1С (108) принимаем ai = 12°. Из-за малого

расхода воздуха, для уменьшения числа оборотов колеса, а так­

щихся соплах, с расширением в косом срезе, не прибегая к соп­

лам Лаваля.

Из-за малого расхода воздуха размеры колеса небольшие, поэтому и разместить большое число лабиринтов будет затруд­

Скорость истечения из сопла

С1=<рс0/ 1 _р = 0,93-273]/1 -0,25 = 220 м/сек.

Окружная скорость

= хсг = 0,68.220 = 149,6 м/сек.

92

Угол поворота

у = 180 — 4- 2) = 180 - (35 4- 30) = 115°.

Этому углу согласно фиг. 19 соответствует скоростной 'коэф­

фициент ф=0,88.

Коэффициенты относительных потерь:

kc= 1 — 0,932 = 0,i35;

_ 11 = 0,076;

4cos212° \ 0,882

sin2 30°

= 0,065;

4 cos212°

По формуле (123) величина

0,5-0,168(1 —0,25)/425 4- !Л1~~ 4(0,076 + 0,065)

+/0,25-0,1682 (1 —0,25)г 0,25 + 24-15,8-10~<(0.076+0,065) (1-0,25) _

:4(0,076 +0,065)

=0,175

и тогда

р =/^ pi = / 0,1752 = 0,5.

Величины относительных потерь (117) — (121):

^ = 0,135(1 -0,25) = 0,101;

0,076—= 0,025;

к1-0,25

93

ГЛАВА V

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНОГО ТУРБОДЕТАНДЕРА

§20. СОПЛОВОЙ АППАРАТ

Втурбодетандерах для уменьшения потерь в сопловом аппа­ рате целесообразно применять только сужающиеся сопла, по

крайней мере для той области значений е, р, при которой сверх­

звуковое течение может быть осуществлено в косом срезе су­ жающихся сопел (см. §11).

Конструктивно сопловой аппарат (фиг. 36) состоит из лопа­

ток 1 и дисков 2 и 3. Из соображений технологии изготовления лопатки, как правило, выполняются за одно целое с одним из

дисков—лопаточный диак 2. Второй — покрывной диск 3 кре­

пится винтами или заклепками через сверления в лопатках.

Сечения канала в плоскостях, перпендикулярных его сред­

ней линии, обычно выполняются прямоугольными.

Для удобства изготовления две стенки канала выполняются плоскими и параллельными радиальной плоскости, поэтому вы­ сота канала в осевом направлении постоянна и равна длине 1С

выходной кромки лопатки. Сужение канала, таким образом,

образуется лишь путем профилирования канала в радиальной плоскости. Наименьшая ширина канала b соответствует выход­ ному горловому сечению.

Как уже указывалось (§ 5) из условий изготовления и проч­

ности выходные кромки лопаток не могут выполняться в виде

острия и всегда имеют поэтому конечную толщину А. Вследствие этого поток на выходных кромках срывается. За кромками

образуются вихри, взаимодействие которых с ядром потока приводит к потере энергии. Поэтому для уменьшения этих вред­

ных явлений толщина А должна выполняться до минимальной

величины, допустимой с точки зрения технологии изготовления и прочности.

При правильной эксплуатации 'воздухоразделительной уста­ новки расширяемый в турбодетандере газ свободен от твердых примесей (в том числе и твердой углекислоты) и влаги и по-

S5

этому лопатки не подвергаются износу и, следовательно, диски

могут изготовляться из сравнительно мягкого материала, на­

пример прокатанных латунных плит.

Иногда для повышения износоустойчивости выходные кромки лопаток хромируются. Это делается на случай непредвиденного

загрязнения расширяемого газа твердыми частицами.

Фиг. 36. Сопловой аппарат.

Вследствие того, что сопла расположены по окружности

(фит. 37), угол ап = ЕЕОЕ' наклона передней стороны канала меньше угла aiK наклона оси, а угол a3= Z.DOD' наклона зад­

ней стороны канала, наоборот, больше угла aiK ■

Нетрудно видеть, что величины Dc, b, а1ж, an, а3 и число со­

пел zc связаны между собой соотношениями:

и

Исходными для проектирования соплового аппарата явля­

учитывающий уменьшение выходного сечения соплового аппа­

рата выходными кромками.

Задача проектирования соплового аппарата заключается в

выборе числа сопел zc и профилировании соплового канала в

радиальной плоскости.

Следует подчеркнуть, что число сопел должно удовлетворять двум противоречивым требованиям. С точки зрения равномер-

:96

ной работы колеса поток должен подводиться ко всем точкам

периферии рабочего колеса под углом возможно ближе к за­

данному аГж (конгруентное течение). Однако вследствие того,

что сопла расположены по окружности, то, как уже указыва­

лось, угол ап наклона передней стороны канала меньше угла

под заданным углом ai, в то время как передняя сторона потока

встречается с ней под углом ап меньшим угла cq, а задняя, на­

оборот, под углом аз большим угла aj. Причем, очевидно, эта неравномерность увеличивается с уменьшением числа сопел.

Поэтому, с точки зрения приближения течения к конгруентному,

число сопел желательно возможно большее. Однако с увеличе­

нием числа сопел увеличиваются упомянутые выше потери, свя­ занные с конечной толщиной выходных кромок. Поэтому для уменьшения кромочных потерь и потерь от трения целесообраз­ но наименьшее число сопел с минимально допустимой с точки зрения изготовления и прочности толщиной А.

Вопрос об оптимальном числе сопел в сопловом аппарате

центростремительного турбодетандера еще не решен.

На практике удовлетворительные результаты были полу­ чены с направляющими аппаратами, у которых числа сопел вы­ бирались из условия, чтобы угол ап = а1к(5 — 8)° и Ь^1С.

Можно рекомендовать, изменяя (в указанных выше преде­

лах) угол а„, а также величину хс, находить такое число сопел,

при котором отношение Ь/1С было бы возможно ближе к еди­

нице, а толщина кромки А была бы возможно малой, но при­

емлемой с точки зрения изготовления и прочности.

98