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

Г л а в а 4_________________

Л о п а т о ч н ы е д и ф ф у з о р ы

В современных отечественных стационарных центро­ бежных компрессорных машинах, спроектированных для работы при умеренных числах М, лопаточный диффузор является наиболее распространенным типом выходного направляющего аппарата. Лопаточные диффузоры более трудоемки в изготовлении, чем безлопаточные, однако ступени с лопаточными диффузорами на расчетном режиме, как правило, имеют на 2—3% более высокий к. п. д., чем при использовании безлопаточного диффузора. При большой потребляемой мощности и высокой стоимости энергии в случае использования компрессора при режимах, близких к расчетному, применение лопаточных диффузоров вполне оправдано.

Аэродинамическая схема лопаточного диффузора (рис. 4.1) определяется большим числом параметров, чем у безлопаточного. Это обстоятельство облегчает согласование оптимальных режимов работы диффузора и колеса при расчете ступени. Изменение гео­ метрии лопаточного диффузора за счет поворота лопаток позво­ ляет смещать зону работы ступени в область меньших или больших расходов и сравнительно просто приспосабливать проточную часть к изменившимся условиям работы. Недостатком ступени с лопа­ точным диффузором, является резкое снижение к. п. д. при рас­ ходах, больших, чем расчетные, а также уменьшение надежности машины в результате появления динамических напряжений в ко­ лесе, вызванных шаговой неравномерностью потока перед ло­ патками диффузора..

Большие значения к. п. д. ступени с лопаточным диффузором при расчетном режиме обеспечиваются благодаря тому, что ло­ паточные диффузоры позволяют получить значительно более рез­ кое снижение кинетической энергии потока, чем это удается сде­ лать в безлопаточном диффузоре. Уменьшение кинетической энер­ гии за диффузором позволяет снизить потери в последующих элементах проточной части и за счет этого повысить к. п. д. ступени.

При любом типе диффузора коэффициент диффузорности участка 2—4 равен

119

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