Файл: Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах.pdf

Нарастание давления практически прекращается при г — 1,6-=- -=-1,7. При дальнейшем увеличении г рост потерь не дает возмож­

ности добиться возрастания коэффициента восстановления | 3_4. Поэтому с точки зрения работоспособности и экономичности соб­ ственно диффузора увеличение Z)4 сверх 1,6D2 нецелесообразно.

Однако дальнейшее увеличение D4 позволяет все-таки уменьшить кинетическую энергию за диффузором и за счет этого увеличить

коэффициент диффузорности кд, что дает возможность уменьшить потери в последующих элементах ступени. Поэтому, если по габа­ ритным соображениям возможно увеличить DJD3 сверх 1,6, уве­ личение П4 может привести к повышению к. п, д. ступени.

3.4. БЕЗЛОП АТОЧН Ы Е ДИФ Ф УЗОРЫ С Н ЕП АРАЛ Л ЕЛ ЬН Ы М И СТЕНКАМ И

Аэродинамическая схема безлопаточного диффузора с парал­ лельными стенками определяется лишь двумя конструктивными

параметрами: относительной шириной Ь3 и относительным диаме­ тром П4. Область минимальных коэффициентов потерь £3_4 соот­

ветствует углам потока а 3, превышающим расчетные углы выхода потока из обычно применяемых рабочих колес, причем в диффузоре отсутствует параметр, позволяющий «подстраивать» такой диффу­ зор к колесу, обеспечивать минимальные потери в диффузоре на расчетном режиме работы колеса. Подстройка диффузора к колесу лишь в какой-то степени может быть произведена за счет соответ­ ствующего выбора отношения Ь3!Ъг.

В диффузорах с относительно большой шириной Ь3 одной из

причин, вызывающих увеличение потерь при малых углах а3, яв­ ляется отрыв пограничного слоя, приводящий к появлению обрат­ ных радиальных токов. Чем меньше угол потока а на внешней гра­ нице слоя, тем раньше возникает отрыв. Для предотвращения от­ рыва пограничного слоя следует добиваться увеличения угла потока в ядре течения, что может быть достигнуто за счет умень­ шения ширины канала Ь. Очевидно, что изменение ширины канала с целью увеличения угла потока в нем может осуществляться раз­ личными способами (один из таких способов — поджатие канала на входе). Если выполнить одну из стенок диффузора не плоской, а конической,- с углом наклона образующей стенки по отношению к радиальной плоскости #, то ширина канала будет изменяться

линейно

Ь= Ь3— (г— гз) tg G.

В сужающемся канале угол потока в ядре течения будет воз­ растать с увеличением радиуса г и возвратные радиальные токи

должны появляться при больших значениях г, чем при постоянной ширине.

Указание о целесообразности применения безлопаточных диф­ фузоров со сходящимися стенками, наклоненными под углом 3—6° одна по отношению к другой, для увеличения устойчивости потока в диффузоре имеется в работе [53].

Газодинамические характеристики диффузоров с относительной

шириной на входе Ь3 = 0,075 и различными углами конусности передней (со стороны покрывающего диска) стенки приведены на рис. 3.9. Эти характеристики полу­ чены тем же методом и на той же уста­ новке, что и характеристики, приведен­

ные на рис. 3.7.

Увеличение наклона стенки вызывает смещение зоны минимальных потерь в диффузоре в область меньших углов

поэтому теоретически достижимое при отсутствии потерь значение

£з- 4 УДиффузора со сходящимися стенками всегда меньше, чем при параллельных стенках. Различие в значениях g3_4 при этом тем

существеннее, чем больше углы "O' и а3. В действительности, увели­ чение потерь в диффузоре с параллельными стенками при малых

углах сс3 ведет к более сильному уменьшению | 3_4, чем при сходя­ щихся стенках. Например, для Ф = 3° и ft = 0 приа3 16°значе-

ния £3_4, согласно рис. 3.9, одинаковы. При а3 <С 12° наибольшие коэффициенты восстановления имеет диффузор с углом й = 5°. В диффузорах со сходящимися стенками отрывные явления вознш

114

кают при меньших углах а3, чем при параллельных стенках. Например, для іЭ1= 0 резкая переброска потока от стенки к стенке

наблюдалась при а3 = 17°, а при Ф = 3° такие же явления возни­

кали лишь при а3 л* 10°. Распределения скоростей по ширине каналов со сходящимися стенками более равномерны, чем при

тех же углах а3 перед диффузором с постоянной шириной канала. Вывод об уменьшении потерь в безлопаточных диффузорах со

сходящимися стенками при малых значениях а 3, т. е.. при неболь­ ших коэффициентах расхода ц>г2 подтверждается суммарными газо­ динамическими характеристиками двухзвенных ступеней.

Сравнительно простой экспериментальный способ совершенство­ вания безлопаточных диффузоров за счет профилирования его стенок предложен в работе [63]. Для улучшения безлопаточного диффузора рекомендуется сначала произвести измерения давления на стенках при постоянной ширине канала и построить зависи­ мость р (г). В том месте, где градиент давления оказывается сни­ женным, следует произвести уменьшение ширины канала путем плавного перехода от одной ширины к другой. Если снижение градиента давления dp!dr свидетельствует о появлении обратного радиального тока, то поджатие сечения перед местом возникнове­ ния зоны обратного тока позволяет избежать ее появления. Такой метод доводки ступени позволил его авторам повысить к. п. д. ступени на 4%.

Для профилирования канала безлопаточного диффузора с целью обеспечить безотрывное течение в нем при расчетном ре­ жиме работы колеса можно использовать уравнения пограничного слоя на стенке (3.16) и (3.17) совместно с условием, что соответ­ ствующим образом выбранный формпараметр, характеризующий появление отрыва в пограничном слое, нигде не превзойдет неко­ торое наперед заданное предельное значение. До тех пор пока предельное значение формпараметра не достигнуто, справедливо решение, приведенное в п. 3.2, и ширина канала b сохраняется постоянной. После достижения принятого предельного значения формпараметра его постоянство поддерживается за счет уменьше­ ния ширины диффузора. Целесообразность такого метода профили­ рования безлопаточного диффузора исследовалась Т. Н. Скорохо­ довой [51 ], а затем В. Я. Поляковым.. В работе [51 ] профилиро­ вание диффузора производилось, исходя из условия постоянства формпараметра Бури Г, величина которого принималась равной —0,045. Если ввести условную ширину канал b', отличающуюся от действительной ширины канала b на удвоенную толщину вытесне­

Тогда вместо формулы (3.21) и уравнения (3.30) для определения б**, и У будем иметь следующие соотношения:

отрыва, которое дает дополнительную связь между b и. Y. Исполь­ зуя для оценки близости отрыва формпараметр Бури, имеем

Приведенные соотношения справедливы до тех пор, пока не произошло смыкание пограничных слоев на стенках диффузора и существует потенциальное ядро потока. Условие существования ядра:

Экспериментальные данные, полученные Т. Н. Скороходовой и В. Я- Поляковым, показали, что профилирование диффузора из­ ложенным методом позволяет повысить экономичность двухзвен­ ных ступеней при расчетном режиме работы и коэффициентах рас­ хода, меньших, чем расчетные. Т. Н. Скороходовой не удалось обна­ ружить обратные токи в безотрывном диффузоре с относительной

шириной Ь3 — 0,05, тогда как при постоянной ширине канала они наблюдались. Зона устойчивой работы ступени с безотрывным диффузором шире, чем при Ь3 — const.

116

Профилирование безлопаточного диффузора, приводящее к уменьшению потерь в нем, только тогда позволяет повысить к. п. д. трехзвенной ступени, когда в результате профилирования коэффициент диффузорности kRне снижается. Уменьшение к. п. д. ступени вследствие потерь в диффузоре и в последующем звене, например в 6. н. а., определяется соотношением

(3.68)

Если выигрыш в коэффициенте потерь диффузора достигнутза счет снижения кд, то улучшение экономичности диффузора мо­ жет и не повести к росту к. п. д. всей ступени. Более того, увели­ чение кд и снижение экономичности диффузора иногда позволяет повысить к. п. д. ступени за счет снижения потерь в ее третьем звене. А. Н. Шерстюк и В. М. Косьмин [65] показали, что приме­ нение диффузора с расходящимисяштенками и повышенным коэф­ фициентом потерь может привести к росту к. п. д. концевой сту­ пени, так как увеличение кд при большом коэффициенте потерь третьего звена резче сказывается на потерях в ступени, чем умень­ шение £з_ 4 -

В. Я. Поляков, сравнивавший ступени с различными типами диффузоров, имевшими одинаковый диаметр П4, также не получил выигрыша в к. п. д. ступени от применения безотрывного диффу­ зора с малым коэффициентом потерь и сниженным кд, тогда как диффузор с большим коэффициентом потерь и увеличенным кд (рас­ ходящиеся стенки) позволил повысить к..п. д. ступени.

Приведенные примеры показывают, что при совершенствовании диффузора необходимо учитывать его влияние на последующий элемент ступени. Нет смысла снижать потери в диффузоре за счет уменьшения кд, ради увеличения кд иногда полезно идти на увели­ чение потерь в диффузоре. При уменьшенной ширине диффузора на выходе может оказаться целесообразным увеличение радиальных габаритов ступени, так как это повысит кд. При обсуждении сравни­ тельных свойств диффузоров с разными коэффициентами потерь следует учитывать и величины кд, и значения коэффициентов потерь следующего элемента ступени.

Коэффициент диффузорности кд зависит не только от геометрии канала, но и от числа Мс3. При умеренных числах Маха увеличе­ ние коэффициента диффузорности может быть достигнуто только за счет увеличения й4 или £)4. При увеличении Мс3 коэффициент диффузорности /сд возрастает за счет более интенсивного изме­ нения плотности газа в диффузоре, поэтому чем больше Мс3, тем выше кд одного и того же безлопаточного диффузора. Для уменьшения коэффициента потерь о. н. а. следует стремиться к тому, чтобы средняя скорость потока при выходе из о. н. а. была бы несколько выше, чем за диффузором, т. е. чтобы о. н. а. был рассчитан с небольшим ускорением потока [44]. Это условие

117