3.4.5.4. Дополнительные потери

Помимо профильных и вторичных потерь в решётках компрессоров в силу ряда конструктивных, технологических и эксплуатационных параметров возникают дополнительные потери энергии, которые обычно объединяют в одну группу. К дополнительным потерям относятся:

1)потери от утечек газа из проточной части;

2)потери от радиального течения газа;

3)потери от нестационарности потока, обтекающего решётку;

4)потери от окружной и радиальной неравномерности параметров потока.

Все эти потери в значительной степени зависят от радиальных и осевых зазоров в ступени компрессора.

При наличии радиального зазора над периферией рабочих лопаток компрессора газ может перетекать как с корытца на спинку, так и с выхода на вход под действием перепада давления, определяемого . В результате этих перетечек будет снижаться как кпд ступени , так и коэффициент напора . Типичные для компрессорных ступеней зависимости и от относительной величины радиального зазора представлены на рисунке 3.25, где отчётливо видна зависимость этих параметров от удлинения лопаток. Чётких эмпирических соотношений, отражающих влияние на напорность ступени, на сегодняшний день не существует, как не существует зависимости для коротких лопаток, а для длинных лопаток можно пользоваться правилом: уменьшение относительного радиального зазора на 1% приводит к росту кпд ступени на 2%

Рис.3.25 Снижение эффективности осевой ступени при увеличении радиального зазора.

К огда зазор между рабочим колесом и направляющим аппаратом изменяется в осевом направлении, то происходит изменение кпд, запасов аэродинамической устойчивости излучаемого шума и вибрационных характеристик лопаток. В простейшем случае взаимодействия между подвижной и неподвижной решётками проявляются два доминирующих эффекта: взаимодействие в потенциальном ядре потока и взаимодействие в вихревых закромочных следах. При очень малых осевых зазорах эффект потенциального взаимодействия проявляется наиболее сильно, а по мере увеличения осевого зазора преобладающими становятся вязкостные эффекты в следе. Таким образом, с точки зрения повышения КПД осевой зазор следует делать либо минимально возможным, либо настолько большим ( ) ,чтобы закромочный след практически выровнялся с основным потоком. Но большие зазоры приводят к увеличению габаритов и массы компрессора, к удлинению валов, а малые зазоры ведут к росту излучаемого шума и к ухудшению вибрационных характеристик лопаток. Практика показала, что наиболее оптимальное соотношение всех отмеченных выше характеристик компрессора получается при величине осевого зазора . Но, например, в вентиляторах с целью снижения шума часто выполняют увеличенные осевые зазоры , отодвигая направляющий аппарат от рабочего колеса во второй контур.

3.4.5.5. Полные потери

Определять полные потери как сумму профильных, вторичных и дополнительных потерь не всегда возможно и не всегда целесообразно, так как обычно заранее не известны условия и режим течения. Для дозвуковых ступеней течение бывает часто отрывным, а для транс и сверхзвуковых ступеней практически всегда отрывным, поэтому для получения оценочных расчётов потерь в решётках исходят из следующих соображений.

Эффективность компрессорных решёток ограничена вследствие нарастания и отрыва пограничного слоя в первую очередь от спинки лопатки из-за резкого нарастания давления и соответствующего торможения скорости. Поэтому естественно предположить, что потери полного давления в решётке зависят от степени уменьшения скорости обтекания профиля. На рисунке 3.26 представлено типичное распределение скорости по профилю лопатки. В соответствии с этим рисунком и сказанным выше, примем в качестве критерия нагруженности решётки степень торможения скорости или . С учётом параметров решётки и заданного плана скоростей эти параметры для профиля можно записать следующим образом

( 3.41)

(3.42)

Рис. 3.26 Типичное распределение скорости по профилю компрессорной решетки.

Величина , называемая коэффициентом диффузорности, определяет нагрузку на профиль. Предельно допустимая нагрузка при дозвуковом обтекании определяется началом развития срыва на спинке лопатки, практически не зависит от числа M и соответствует величине =1,6. Нетрудно видеть, что параметры D и связаны между собой соотношением . Поэтому с учётом того, что в компрессорной решётке предельными будут значения параметра . На рисунке 3.27 приведены экспериментальными зависимости толщины потери импульса и рассчитанных по ней профильных потерь в зависимости от D.

Р ис.3.27 Зависимость толщины потери импульса на профиле лопатки и профильных потерь от диффузорности решетки.

К ак отмечалось выше, максимальное отклонение потока в решётке достигается при большем значении D, чем начало развития срыва, и поэтому . На расчётном максимальном режиме рекомендуется выбирать величину D 0,4, и по этой выбранной величине, в соответствии с приведёнными рисунками, определять и . Для более полногообобщения потери построены по параметру . Для направляющих аппаратов полные потери определяются как , где вторичные потери можно принять . Для определения потерь в рабочем колесе профильные потери определяются отдельно для средней и перефирийной частей профиля. На последнем рисунке цифры у кривых для PK соответствуют расстоянию от периферии в долях высоты лопатки. Полные потери в рабочем колесе в этом случае определяются следующим образом .

Обобщения экспериментальных данных по потерям в PK и HA, проведённые A. C. Новиковым для ступеней с , показали, что помимо величины торможения скорости на спинке лопатки необходимо учитывать и градиент изменения скорости. В связи с этим необходимо знать координату точки максимальной скорости на профиле . Оказалось, что величина зависит от скорости набегающего потока: при , при . Результаты этого обобщения приведены на рисунке 3.28, где по оси абсцисс отложена величина градиента безразмерной скорости на спинке

(3.43)

Рис.3.28 Влияние относительного градиента скорости на относительную суммарную толщину потери импульса у выходной кромки профиля.

В выражение, определяющее градиент скорости, входит величина , которую можно вычислить по эмпирическому соотношению для несжимаемой жидкости ( )

(3.44)

для сжимаемой жидкости ( )

. (3.45)