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

Г л а в а I _____________________

Вы х о д н ы е и в с а с ы в а ю щ и е

УСТРОЙСТВА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТУПЕНЕЙ

Выходные устройства служат для вывода потока за пределы ступени концевого типа. Проточную часть выходных устройств стационарных ц. к. м. можно подразделить на два участка: газосборник в виде кольцевой или спиральной камеры и выходной диффузор, снижающий скорость потока до уровня, допустимого в газоохладителе или трубопроводе. Наиболее рас­ пространенными типами газосборников являются спиральные ка­ меры или улитки с переменным наружным радиусом спирали R (Ѳ), а также с постоянным наружным радиусом R и переменным вну­ тренним (внутренние улитки). Выходные устройства распола­ гаются после лопаточного или безлопаточного диффузора или же непосредственно за рабочим колесом. В последнем случае улитка выполняет роль не только газосборника,\ но и диффузора, и кон­ струкция ступени оказывается наиболее простой и компактной.

При проектировании и расчете улиток и кольцевых камер обычно используется только уравнение сохранения массы. При этом делаются допущения о характере изменения окружной со­ ставляющей скорости вдоль радиуса г и радиальной составляющей скорости во входном сечении 7—7 в окружном направлении. Кроме того, задается форма поперечных сечений улитки в меридио­ нальных плоскостях [44]. Для корректности расчетной схемы необходимо, чтобы принятая схематизация течения не противо­ речила уравнениям движения газа (1.1)—(1.3).

Здесь сгПи си— средние по ширине сечений улитки значения составляющих скоростей.

Предполагая, что поток во входном сечении 7—7 симметричен

относительно оси машины z, т. е. что сг1 по углу Ѳне изменяется, из (7.1) легко можно получить уравнение, связывающее угол Ѳ, определяющий положение сечения, и наружный радиус этого сечения,

191

Расчет улитки с учетом изменения плотности газа в нем может быть выполнен методом Вальденадии [72]. Однако в стационар­ ных ц. к. м. числа М за диффузорами всегда малы, и плот­ ность газа р в улитке оказывается практически неизменной.

Рис. 7.1. К расчету и построению контура улитки: а — к выводу уравнения (7.1);'б — построение контура

в этом случае они выполняют роль диффузора), изменение плот­ ности в стационарных машинах, как правило, также не учиты­ вается [44]. В работах [39, 72] размеры начальных сечений ули­ ток при R — г7 <5 Ьі рекомендуется определять с учетом потерь

192

момента количества движения вследствие вязкости. Учет влияния вязкости на момент количества движения приводит к различиям в выборе зависимости си (г), которая необходима для определения размеров сечений по уравнению (7.2). Если пренебречь влиянием вязкости и принять, что в улитке

то при постоянной плотности газа р = р7, согласно уравнению (7.2),

где щ — угол входа потока в улитку при расчетном режиме ее

работы; R — Rlr^ г — rtr7; Ъ = ЫЬу.

Зависимость ширины сечения b от г и 0 определяется принятой формой поперечного сечения улитки. При заданной форме попереч­

ного сечения размеры улитки зависят только от угла cty. Чем больше угол cty, тем больше размеры сечения при данном угле Ѳ. Из формулы (7.4) следует, что радиусы R не зависят от величины

расхода через улитку, а определяются лишь углом ау.

В работе [72] указано, что условие (7.3) может выполняться только при независимости ширины сечения на данном радиусе г от угла 0, т. е. при b = b (г). Если b = Ь (г, Ѳ), то из уравнения неразрывности н уравнений движения следует, что условие (7.3) несовместимо с требованием круговой симметрии потока перед улиткой при расчетном режиме работы ступени.

Если вместо условия (7.3) принять, что в улитке си =cÜCр, причем средняя скорость сиср постоянна во всей .улитке, то урав­ нение (7.2) позволяет найти простую связь между площадью по­ перечного сечения улитки F и углом 0, определяющим положение этого сечения,

Я (Ѳ)

А. И. Степанов рекомендует задавать отношение c„7/cücp в соот­ ветствии с экспериментальными данными. Графическая зависи­

мость с„7/сцср от угла аг, предложенная А. И. Степановым, при 5° <3 ау < 32° может быть аппроксимирована степенной формулой

вия (7.3) рекомендуется вводить поправочный коэффициент к^р, принимая

Введение поправочного множителя /стр эквивалентно расчету улитки по уравнению (7.4) не для угла входа потока а7 при рас­

четном режиме работы ступени, а для некоторого иного угла а7. В соответствии с опытными данными НЗЛ при проектировании улиток, расположенных за лопаточным диффузором, рекомен­ дуется рассчитывать улитку на производительность, несколько меньшую, чем расчетная производительность ступени, а улитку, расположенную за безлопаточным диффузором или непосред­ ственно за колесом, — на расход, больший, чем расход через сту­ пень. Уменьшение расчетной производительности при проектиро­ вании улитки в ступени с лопаточным диффузором равнозначно

учету угла отставания потока ба4 в таком диффузоре: угол а7 вначале определяется по углу выхода лопаток диффузора а4л, а затем вводится поправка к расходу, соответствующая учету

угла отставания ба4. Если же угол а7 определен с учетом угла отставания потока в лопаточном диффузоре, то поправку к рас­ ходу вводить не следует. Увеличение расчетной производитель­ ности при проектировании улитки, располагающейся за безлопаточным диффузором или колесом, эквивалентно учету увеличения угла потока в диффузоре или на безлопаточном участке междуколесом и улиткой вследствие потерь момента количества движе­ ния газа из-за трения. Рекомендованные в работе [44] поправки

красходу учитывают также потери момента количества движения

всамих улитках, так как эти поправки получены на основании результатов испытаний большого количества различных центро­

бежных ступеней.

Из соотношений (7.4) и (7.5) следует, что размеры сечений ули­ ток зависят от угла входа потока иа расчетном режиме а7. При

иных углах а7 размеры сечений должны быть иными, в противном случае не будут выполняться допущения, заложенные в основу расчета улитки — прежде всего допущение о круговой симметрии течения во входном сечении, т. е. о независимости сг и си от Ѳпри г = г7. За лопаточным диффузором при всех режимах работы сту­ пени среднеенаправление потока практически неизменно —

угол а4 не зависит от коэффициента расхода фг2. Поэтому при пра­ вильном согласовании диффузора и спиральной камеры улитка в такой ступени всегда работает при расчетном угле входа по­

тока а7. Условия работы улитки, расположенной за безлопаточ­ ным диффузором или колесом, при различных режимах работы ступени оказываются различными,- так как угол потока перед

улиткой а7 меняется при изменении коэффициента расхода срг2. Всасывающие устройства центробежных компрессорных сту­ пеней до недавнего времени относились к наименее изученным эле­ ментам ц. к. м. Несмотря на то, что поток во всасывающих устрой­ ствах в отличие от течений в большинстве остальных элементов ступени имеет конфузорный характер, возможности исследова­

194

ния всасывающих патрубков затруднены сложностью их геометрии. Наиболее систематические результаты исследования всасываю­ щих патрубков с боковым подводом содержатся в работе [35]. Несомненной заслугой этой работы является расчленение проточ­ ной части всасывающего устройства на отдельные элементы: под­ водящий канал, спиральную часть и кольцевой конфузор, причем о течении в кольцевом конфузоре в работе [35 ] приведены весьма обширные данные.

В' ступенях, содержащих входные регулирующие аппараты (в. р. а.), к элементам всасывающих устройств можно отнести также лопаточные системы в. р. а., которые могут располагаться как перед кольцевым конфузором (в. р. а. радиального типа), так и за ним, непосредственно перед входом в колесо (осевые в. р. а.). Если лопатки в. р. а. представляют собой продолжение лопаток о. н. а., то такие устройства логично было бы рассматри­ вать в разделах, посвященных работе о. и. а. Однако, учитывая общность в. р. а. радиального типа, расположенных во всасываю­ щей камере и за лопатками о. н. а., работу всех типов в. р. а. целесообразно рассмотреть в главе, посвященной всасывающим и выходным устройствам.

7.1. ТЕЧЕНИЕ ГАЗА В УЛИТКАХ

ИКОЛЬЦЕВЫХ КАМЕРАХ Ц. К- М.

Встационарных ц. к. м. одним из наиболее часто используе­ мых типов улиток является улитка с трапециевидными попереч­ ными сечениями. Такие улитки располагаются как после диффу­

зора, так и непосредственно за колесом (рис. 7.2, а и б). В нагне­ тателях природного газа, работающих при давлениях в проточной части, существенно превышающих атмосферное, получили рас­ пространение внутренние улитки и кольцевые камеры (рис. 7.2, в). Подобные устройства могут располагаться после лопаточного или безлопаточного диффузоров. Кольцевые камеры успешно при­ меняются в машинах различных фирм.

В настоящем параграфе излагаются основные результаты иссле­ дований течения в улитках трапециевидного сечения, во внутрен­ ней улитке и в кольцевой камере. Эти результаты частично были опубликованы ранее в работах [44, 69]. При всех исследованиях использовалось одно и то же рабочее колесо с углом выхода р2л =

ческие трехканальные зонды, измерения внутри улиток и в коль­ цевой камере выполнялись пятиканальными шаровыми зондами диаметром 5 мм.

Улитки, расположенные за колесом, были рассчитаны для ра­ боты при С& 7 = 8 . Размеры сечений одной из улиток, называемой далее для краткости «улиткой гси = const», были определены

по уравнению (7.3), а размеры другой улитки — по уравне­

нию (7.4), т. е. в соответствии с условием «си = const». В обоих случаях началу «языка» соответствовало расчетное сечение Ѳя =

составляет O' = 45°. Третья улитка, исследованная при работе за лопаточным и за безлопаточным диффузорами, была рассчитана

по уравнению (7.3). У этой улитки а 7 = 22°, гу = 1,375 и by =

Рис. 7.2. Схемы экспериментальных концевых ступеней с различными типами выходных устройств: а — улитка, расположенная непосредственно за рабочим колесом; б — улитка за лопаточным диффузором; в — внутренняя улитка

= (TIMST),. Язык начинался в таком же сечении, как у улиток, находящихся после колеса. Внутренняя улитка рассчитана с ис­

пользованием условия си = си7 = const. Значения а7, Гу и by у нее были те же, что и у улитки с трапециевидными поперечными сечениями. Исследованная кольцевая камера имела такие же поперечные сечения, как выходное сечение внутренней улитки, расположенное при Ѳ= 360°.

Распределения скоростей по ширине канала за колесом около входного сечения улитки rcu = const приведены на рис. 7.3. Эти распределения зависят от конструкции я режима работы ко­ леса, кроме того, на них влияет и сама улитка: при отсутствии улитки параметры потока изменялись бы лишь по ширине

196

197