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

пасе прочности несравненно легче, чем из стали 1Х18Н9Т. Это обстоятельство облегчает конструирование ротора с колесами из алюминиевых сплавов. Поэтому, как правило, колеса низко­

температурных турбодетандеров изготовляются из алюминие­ вых сплавов.

Уравновешивание осевого усилия

Колесо с двухсторонним выходом (фиг. 21,6) является сим­

метричным и поэтому осевые силы в нем уравновешены.

Колесо с односторонним выходом (фиг. 21, а) является не­

симметричной конструкцией, вследствие чего под воздействием

сил давления возникает осевая сила.

На колесо с односторонним выходом (фиг. 39), во-первых,

действует осевая сила от давления pi, направленная в сторону выхода газа. Эта сила возникает потому, что площадь проек­

ции поверхности рабочего диска на плоскость, перпендикуляр­

ную оси вращения, больше, чем у покрывного диска. Во-вто­ рых, на колесо действует .осевая сила, возникающая вследствие

реакции потока на выходе из воронки колеса. Эта сила направ­

лена в сторону, противоположную выходу газа, и равна:

Gce

g

где св — скорость газа в воронке,

Ge — секундный расход.

Эта реактивная сила значительно меньше первой. В итоге

действия этих сил возникает результирующая осевая сила, дей­ ствующая в сторону выпуска. Она растет с размером колеса и степенью реактивности, поскольку с ростом последней увели­

чивается давление pi, действующее на поверхности дисков. Осевое усилие может быть воспринято специальным упор­

ным подшипником или оно может быть уравновешено устрой­

потеря от утечки удваивается. Поэтому с точки зрения к. п. д.

турбодетандера осевое усилие наиболее целесообразно воспри­

нять упорным подшипником. Однако, когда размеры колеса

и степень реактивности не очень малы, осевая сила велика и

поэтому подобный подшипник был бы громоздким и чувстви­

тельным элементом машины, особенно, если учесть, что в тур­

бодетандерах числа оборотов ротора велики. Поэтому, как пра­

109

вило, осевую силу уравновешивают устройством заднего уплот­ нения, несмотря на некоторое увеличение утечки. Подчеркнем,

что последнее обстоятельство, именно в случае больших колес,

особого влияния на к. п. д. не оказывает, так как относительная

атмосферы. Неизбежная утечка через валовый лабиринт отво­ дится через трубу 9 в атмосферу.

Чтобы давление в пространстве А было лишь незначительно выше противодавления р2, отверстия Б должны иметь доста­

точную площадь и хорошо закругленные кромки. Целесообраз­ но отверстия Б сверлить под углом 6 (фиг. 39) к оси турбоде­

тандера, тогда, благодаря центробежным силам, образуется из­

вестное подсасывание, которое может устранить избыточное

давление в пространстве А.

Расчет диаметра D л2 заднего лабиринтового уплотнения производится из условия, чтобы осевое уси­

лие, действующее на вал, равнялось нулю. На вал действуют три силы:

из которого легко определяется искомая величина Dл2.

При отклонении от расчетного режима меняется давление щ

и появляется известное осевое усилие. Из-за этого, а также для

предотвращения сдвига колеса по отношению к направляющему аппарату, который (сдвиг) сам по себе может вызвать появ­

ление осевого усилия, вал ротора все же приходится фиксиро­

вать с помощью небольшого упорного подшипника (см. § 24).

НО

Конструкция уплотнения

Как уже отмечалось, в турбодетандерах обычно применя­

ются уплотнения лабиринтового типа.

Характерная конструкция лабиринтового уплотнения для

колес диаметром 200—500 мм показана на фиг. 41, а. Здесь

уплотняющие гребни вращающиеся. Они выполнены из тонко­ листовой латуни и вставлены в кольцевые, трапецоидального

сечения, выточки. Крепление гребней в выточках производится

тщательно расчеканиваемой латунной или медной проволокой.

Профим канабки

а)

Фиг. 41. Конструкция лабиринтового уплотнения.

Для создания поворотов потока высота гребней чередуется.

Между корпусом и гребнями находится обойма. Это необ­

ходимо для возможности замены в случае контакта (касание

гребней), а также облегчает разметку и выполнение кольцевых

канавок .по готовому ротору.

Фиксация обоймы лабиринтового уплотнения в корпусе про­

изводится с помощью кольцевого пояска. Для предотвращения

утечки и точной осевой фиксации обоймы сочленение пояска с

гнездом производится по посадке С.

Важное значение имеет форма кромки уплотняющих греб­

ней. При прочих равных условиях утечка через лабиринтовое

уплотнение уменьшается с сужением струи в кольцевой щели.

Сужение струи зависит от профиля щели и в значительной сте­ пени от отношения толщины гребня b к длине $ щелевого за­ зора. Если отношение b/s мало и кромки гребня заострены, то

сужение струи значительно (фиг. 41,6). Если же отношение b/s

велико, то ширина щели b имеет относительно большую про­ тяженность (фиг. 41, в) и течение на выходе вновь примыкает к стенкам. При этом отдельные струйки расширяются и тече­

ние протекает как в расширяющихся соплах так, что при соот­ ветствующе высоком перепаде давлений между камерами в

щели может возникнуть течение со сверхкритической скоростью.

Отсюда вытекает необходимость в возможно меньшей толщине

111

кромки гребня. Равным образом кромка не должна иметь за­

круглений (фиг. 41, а), так как при закруглении сужение струи мало.

Поскольку для уменьшения утечки щелевой зазор делается

возможно малым (порядка 0,2—0,3 мм) и ограничивается толь­

ко опасностью контакта, то гребни следовало бы изготовлять из возможно более тонкого листа. Однако из условий изготов­

ления, прочности и жесткости толщина листа не может быть

ниже определенного предела. На практике толщина листа обыч­ но больше 0,15 мм. Поэтому рекомендуется кромки гребней

лабиринтов заострять. Это также целесообразно на случай кон­ такта, поскольку опасность нагревания и искривления вала

понижается с уменьшением толщины кромки.

В заключение отметим, что конструкция лабиринтового уп­ лотнения вала, принципиально, не отличается от уплотнения

колеса.

Заключительные замечания

Окончательная форма колеса должна отвечать конструктив­

ным и производственным требованиям и должна быть подвер­

гнута проверочному расчету на прочность согласно принятым в турбостроении методам.

Следует подчеркнуть, что для получения жесткого ротора

колесо должно быть возможно более легким. Поэтому оно кон­

струируется с относительно небольшим запасом прочности, но не меньше 2,7 4- 2,6 по отношению к наименьшему пределу те­

кучести материала в диапазоне температур, при которых ко­

лесо будет работать.

Для спокойного хода колесо должно быть тщательно изго­

товлено и хорошо отбалансировано.

Допустимое радиальное и торцовое биение наружных по­ верхностей колеса относительно оси не более 0,02 мм.

Статическую балансировку целесообразно производить в

следующем порядке: сначала отбалансировать лопастной диск,

а затем собранное и обработанное колесо.

Допустимый статический дебаланс колеса, отнесенный к его периферии,

где Ок— вес колеса в кг;

Dr — периферический диаметр колеса в мм.

Имея в виду, что расчет дисков и заклепок не может быть

выполнен вполне точно и что в материале колес и при изго­ товлении возможны дефекты, а также, что во время работы

возможно'превышение числа оборотов до 10% от рабочего, как,

112

например, это необходимо для сработки системы защиты от раз­ гона, колеса должны подвергаться испытанию на прочность

при повышенном числе оборотов. Подобная операция (разгон)

должна производиться при числе оборотов, превышающем ра­ бочее на 15—20% в течение 3—5 мин. в .специальных, разрабо­

танных для этой цели, камерах, способных обезопасить пер­

сонал в случае разрыва колеса. Следует иметь в виду, что при подобном испытании, напряжения, согласно формуле (131), превышают рабочие напряжения на 45%.

После испытания на разгон производится зачеканка уплот­

нительных гребней, окончательно обрабатывается отверстие ступицы и предварительно уплотнительные гребни, и колесо

вновь проверяется на биения и балансируется. Повторная ба­ лансировка необходима ввиду возможного смещения центра тяжести при разгоне и окончательной обработке отверстия

ступицы.

Пример 4. Спроектировать колес/» для турбодетандера, рас­ смотренного в примерном расчете (см. § 18). Напомним, что в

Окружная толщина входной кромки

Действительный коэффициент стеснения на выходе

,+^=20+2Л =

Напряжение изгиба лопасти 5' выходной кромки (129)

где у = 2,85 г/см3 — удельный вес материала (алюминиевый

сплав) колеса.

114

=63 мм и диаметр переднего лабиринтового уплотнения DA1 —

=136 мм.

Написав уравнение равновесия ротора в осевом направле­

Конструкция колеса, согласно выявленным размерам, пока­

зана на фиг. 42.

11;

§ 22. КОРПУС

Корпус центростремительного турбодетандера (фиг. 3) со­ стоит из двух камер: низкого и 'высокого давления. Между ни­ ми помещается сопловой аппарат.

Камера высокого давления расположена вокруг направля­

ющего аппарата и предназначена для равномерного распреде­ ления расширяемого газа по всем соплам. Она состоит из соб­

ственно распределительной камеры и подводящего патрубка.

Живые сечения распределительной камеры, начиная от входа,

т. е. от конца подводящего патрубка уменьшаются в направле­

нии вращения, поскольку в том же направлении уменьшается

забор газа сопловым аппаратом.

Сечения распределительной камеры выполняются подобны­

ми, поэтому внешне распределительная камера напоминает

улитку. Давление в улитке равно начальному давлению р0.

Вцелях выравнивания поля скоростей при входе в улитку

подводящий патрубок выполняется конфузорным.

Вкамере низкого давления находится рабочее колесо и ла­

биринтовые устройства. К ней примыкает отводящий патру­

бок, через который расширенный газ по выходе' из рабочего

колеса отводится к трубопроводу. Стенки камеры низкого дав­

ления подвержены давлению pi газа за соплами.

Профилирование улитки

Рабочее колесо представляет собой осесимметричную кон­

струкцию, поэтому для того, чтобы течение через него имело

установившийся характер и чтобы условие безударного входа

т. е. осесимметричным.

Условие осесимметричного течения на входе в сопловой ап­

парат является исходным для профилирования улитки. Из него следует, что расход пропорционален длине дуги в направлении

вращения. Отсюда в первом приближении вытекает, что при по­

стоянстве средней скорости сечения улитки должны увеличи­

ваться пропорционально дуге® (фиг. 43).

Следует, однако, подчеркнуть, что положение о постоянстве средней скорости по всем сечениям улитки является прибли­

женным. Это объясняется тем, что в улитке линии тока сильно искривлены, поэтому там действуют центробежные силы, вслед­

ствие которых давление увеличивается от центра кривизны к

периферии, а скорости, наоборот, согласно уравнению Бернул­

ли, в том же направлении уменьшаются. Но при симметрич­ ном течении на входе в сопловой аппарат скорость вдоль всей его ‘периферии постоянна, поэтому средняя скорость в улитке должна возрастать в направлении вращения и, следовательно,

116

при осесимметричном течении сечения улитки в направлении вращения должны уменьшаться сильнее, чем это требуется, исходя из условия постоянства средней скорости.

При симметричном входе окружная составляющая скорости,

очевидно, имеет постоянное значение до всей периферической

окружности соплового аппарата. Следовательно, на этой юк-

ружности также и момент количества движения имеет постоян-

Фиг. 43. Улитка, у которой боковые поверхности являются поверхностями вращения.

ное значение. Но так как при течении без трения в улитке изме­ нения энергии газа не происходит, то при симметричном входе момент количества движения должен оставаться постоянным

на любой окружности концентричной оси вращения. Поэтому при симметричном входе и отсутствии трения течение должно

происходить по закону

уменьшались в радиальном направлении по закону равносто­ ронней гиперболы (фиг. 43).

117

Течение в улитке по условию rca =const строго говоря, осу­

ществимо лишь в том случае, если ее боковые стенки являются

поверхностями вращения, как например на фиг. 43. Для этого

случая, если принять, что линия АВ наружного контура улитки

представляет собой прямую параллельную оси, меридиональ­ ные сечения рассчитываются из следующих соображений. Че­

рез малый элемент площади bdr меридионального сечения, на­

ходящегося на дуге <р от конца спирали, протекает количество газа

dV4 = bdrcu.

и так как по условию течение осесимметричное, то, подставив

воря, применим при принятом выше положении о том, что бо­

ковые поверхности улитки являются поверхностями вращения.

Но как раз в турбодетандерах на практике большей частью

применяются улитки круглого сечения (фиг. 44). Хотя в этом случае боковые стенки уже не являются поверхностями враще­

ния, все же, обычно, улитки круглого сечения рассчитываются

с помощью уравнения (134).

118