Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 13
1.1 Назначение и классификация кольцевых сборных камер центробежных компрессоров 13
1.2 Методы расчета кольцевых сборных камер центробежных компрессоров 20
1.3 Методы расчета окружной неравномерности распределения давления 32
1.4 Методы расчета потерь напора и КПД в кольцевых сборных камерах 37
1.5 Выводы. Цель и задачи исследования 50
2 Методы расчета кольцевых сборных камер 52
2.1 Метод расчета распределения давления по длине кольцевой сборной камеры с радиальным патрубком 52
2.2 Метод математического моделирования потерь в кольцевых сборных камерах 62
2.3 Методика поиска конкретного вида математической модели потерь 71
3 Методы и объекты экспериментального исследования 77
3.1 Методы экспериментального исследования 77
3.1.1 Описание стенда статических продувок 79
3.1.2 Описание стенда аэродинамических испытаний 87
3.2 Объекты экспериментального исследования 92
3.3 Обработка опытных данных 99
3.4 Погрешности измерений и точность определения основных величин 104
4 Результаты экспериментальных исследований и оценка совершенства КСК на основе статистической обработки результатов комплексных исследований 109
4.1 Распределение давления по длине кольцевых сборных камер с радиальным патрубком 109
4.2 Математическая модель кольцевой сборной камеры 127
4.3 Анализ влияния геометрических параметров на эффективность работы кольцевых сборных камер 151
Заключение 160
Список использованной литературы 162
Приложение 173
- Методы расчета кольцевых сборных камер центробежных компрессоров
- Методы расчета потерь напора и КПД в кольцевых сборных камерах
- Метод математического моделирования потерь в кольцевых сборных камерах
- Анализ влияния геометрических параметров на эффективность работы кольцевых сборных камер
Введение к работе
Центробежные компрессоры (ЦК), являясь достаточно надежными и малогабаритными машинами, широко используются во многих ведущих отраслях промышленности, транспорте, сельском хозяйстве и др., вытесняя в ряде случаев ранее применяемые поршневые компрессоры. Производство ЦК составляет более 13 % от общего количества выпускаемых компрессоров, что является значительной величиной, если учесть их единичную мощность. Большие преимущества имеет применение ЦК высокого (до 35 — 60 МПа) и сверхвысокого (до 200 - 300 МПа) давления. Тенденция к увеличению единичной мощности компрессорных агрегатов привела к повышению конечного давления сжатия, что обусловливает повышенные требования в отношении прочности и надежности стационарных ЦК.
Вследствие значительной затраты мощности на привод ЦК, вопросы повышения их КПД и расширения зоны устойчивой работы становятся весьма важными.
Известно, что создание высокоэффективных ЦК требует проведения глубоких и обширных экспериментальных исследований, лишь на основе которых могут быть получены исчерпывающие сведения по влиянию различных геометрических и кинематических параметров на физическую картину течения в элементах проточной части. Результаты таких экспериментальных исследований позволяют постоянно совершенствовать работу элементов проточной части (ПЧ) и повышать их эффективность.
Важное значение приобретает возможность создания ЦК на требуемые условия работы по производительности, напору и КПД без экспериментальной доводки машин. Другими словами, возрастает роль расчетного определения характеристик, что часто достигается с помощью использования метода моделирования при проектировании новых ЦК. Применение этого метода позволяет избежать экономически невыгодной длительной доводки машины до гарантированных параметров.
К сожалению, метод моделирования по своей сути исходит из имеющихся образцов и для создания новых машин, отличающихся по конструкции, он не применим. В этом случае приходиться обращаться к расчетным методам и необходимой в настоящее время дополнительной экспериментальной доводке модели. Это относится не только к компрессорам в целом, но и к элементам их ПЧ, в частности, к выходному устройству (ВУ), которое является одним из элементов концевой ступени.
В выходных устройствах возникающие гидравлические потери обусловливают снижение КПД ЦК даже на оптимальных режимах работы от 1,5 % до 5 % в зависимости от типа ВУ и ЦК в целом. При отклонении от оптимального режима работы влияние ВУ на КПД ЦК существенно возрастает. Также ВУ является одним из источников окружной неравномерности параметров потока в ступени ЦК, что приводит к возникновению газодинамических усилий, действующих на ротор и опасных напряжений во вращающихся элементах. Последнее имеет важное значение для ЦК, сжимающих газы с высокой плотностью и работающих при высоких давлениях сжимаемых сред (р 5...6 МПа). Имеющиеся методики расчета прочностных характеристик рабочих колес и других элементов ротора ЦК в большинстве случаев не учитывают создаваемую ВУ неравномерность давления, что объясняется отсутствием достаточно надежных рекомендаций по определению количественных характеристик указанной неравномерности.
В связи с интенсивным развитием и качественным ростом газо- и нефтедобывающей и химической промышленности к стационарным ЦК стали предъявляться новые дополнительные требования. Это, во-первых, возможность получения высоких и сверхвысоких давлений; во-вторых, обеспечение неравномерности распределения давлений по окружности за рабочим колесом (РК) и диффузором при различных режимах работы компрессора; в-третьих, расширение диапазона рабочих режимов компрессора; в-четвертых, обеспечение широкой унификации элементов ПЧ ЦК, что наиболее легко достигается при использовании технологичных узлов и деталей. Можно видеть, что реализация перечисленных требований существенно зависит от улучшения работы ВУ. Результатом поиска в этом направлении явилась разработка ВУ нового типа — кольцевой сборной камеры (КСК), которая в сравнении с улитками, имеет ряд преимуществ. Она значительно проще в изготовлении, создает меньшие аэродинамические нагрузки на ротор и обеспечивает более высокие значения КПД ступени на режимах, отличных от расчетного /66/.
ВУ любого типа, являясь неосесимметричным каналом, способствует появлению окружной неравномерности распределения параметров потока, что существенно влияет на условия работы предшествующих элементов ступени. От характера взаимодействия потока с ВУ и степени его обратного влияния на предшествующие элементы будет зависеть не только эффективность самого ВУ, но и концевой ступени (КС) в целом.
Несмотря на широкое применение в конструкциях центробежных лопаточных машин ВУ типа улиток и КСК в литературе отсутствуют глубоко целенаправленные работы по их комплексному изучению. Известные исследования отечественных и зарубежных авторов, посвященные изучению ВУ, носят противоречивый характер. Они малочисленны по количеству исследованных вариантов и в большинстве своем выполнены на простейших моделях улиток и КСК при окружных скоростях U2 200 м/с. Экспериментальных работ по исследованию КСК ничтожно мало и проведены они в основном с единственной целью — выявить влияние КСК на интегральные характеристики ступени.
Слабая изученность физической картины течения в различных типах ВУ во многом обусловила отсутствие детальных сведений по источникам потерь энергии в них, а также надежной методики их расчета и оптимального проектирования. Восполнить имеющиеся в настоящее время пробелы в теории ВУ можно лишь путем проведения их исследований, как в плане теоретических разработок, так и в плане детальных экспериментальных исследований по определению аэродинамической структуры потока и газодинамических характеристик ВУ и ступени в целом.
Однако, проведение подобных экспериментальных исследований на натурных моделях в условиях близких к реальным, как правило, чрезвычайно трудоемко и связано с большими материальными затратами. Сказанное в большей степени относится к исследованию ВУ, поскольку изготовление их моделей связано с огромными производственными затратами, что, в основном, является причиной существенного сокращения числа исследуемых вариантов. В связи с этим, актуальной становится задача о теоретическом обобщении полученных опытных данных по исследованию ВУ в составе различных типов концевых ступеней с целью распространения их результатов на вновь проектируемые варианты проточной части ЦК. Эту задачу можно решить с помощью приближенных аналитических методов оценки эффективности элементов ПЧ ЦК. Разработка таких методов требует решения комплекса вопросов, связанных с расчетами потерь напора в ПЧ ступени ЦК, что, в свою очередь, представляет одну из труднейших задач газодинамики.
Конечной целью теоретико-экспериментального исследования является создание математической модели, с помощью которой можно оценить эффективность работы элементов ПЧ. В этом направлении значительные успехи достигнуты на кафедре компрессоростроения Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Авторами работ /66/ была получена математическая модель, представляющая собой систему алгебраических уравнений, которая с достаточной точностью описывала КПД двухзвенных ступеней (РК + БЛД) на режиме, близком к оптимальному. Позднее была получена модель КПД, включавшая в себя и лопаточный диффузор. Полученные математические модели позволяют не только рассчитывать величину КПД, но и дают возможность проведения тщательного анализа всех составляющих потерь, что имеет большое значение, как для научных исследований, так и для создания новых высокоэффективных компрессоров.
С 1970 года большая часть комплексных исследований ВУ проводилась в КГТУ под руководством и при непосредственном участии профессора А.А. Мифтахова. Для этих целей на кафедре холодильной техники и технологий КГТУ был создан ряд экспериментальных стендов, позволяющих проводить исследования физической картины и закономерностей течения потока в ВУ концевых ступеней ЦК методами статических продувок и модельных аэродинамических испытаний, а также используя способы поверхностной и глубинной визуализации /39/.
Дальнейшим развитием метода математического моделирования применительно к ступеням ЦК является создание математической модели КСК, что позволит существенно сократить объем дорогостоящих и трудоемких экспериментальных исследований и повысить эффективность КС. Вместе с тем разработка такой модели существенно расширит возможности выбора оптимальных вариантов конструкций КСК.
Основными итогами настоящей работы являются: анализ влияния основных геометрических параметров КСК и предшествующих элементов КС на картину течения и потери в КСК; определение источников потерь напора в КСК; разработка математической модели потерь в КСК, обладающей достаточной точностью и позволяющей использовать ее для целей оптимизации ПЧКСК.
Актуальность работы заключается в отсутствии в настоящее время математической модели потерь в КСК, которая позволила бы существенно сократить объем дорогостоящих и трудоемких экспериментальных исследований и повысить эффективность КС.
Научная новизна состоит в изучении теоретической модели невязкого несжимаемого потока переменной массы в КСК с радиальным выходным патрубком. Получены новые экспериментальные данные распределения давления, характеризующие параметры потока в КСК и подтверждающие результаты теоретических исследований. Предложен метод расчета распределения статического давления по длине КСК с радиальным выходным патрубком, а также разработана математическая модель потерь КПД в КСК для широкого диапазона изменения геометрических и кинематических параметров.
Настоящая работа выполнена на кафедре холодильной техники и технологий (ХТиТ) КГТУ. Автор выражает глубокую признательность доценту каф. ХТиТ Луговнину К.И. и профессору каф. ХТиТ Мифтахову А.А. за помощь, оказанную при выполнении работы.
Методы расчета кольцевых сборных камер центробежных компрессоров
Расчет ВУ любого типа сводится к определению площади поперечного сечения и параметров потока на выходе. При этом могут быть использованы два подхода к расчету: подбор сечений по заданному закону изменения средней скорости газа в сечении по углу 9, в частности, сиср = const; расчет, исходя из предположения о движении среды по закону R-cu = const /13, 54, 71 и др./. Мнения многих авторов по этому вопросу выбора расчетной схемы движения потока в полости ВУ различны. Целесообразно привести некоторые теоретические соображения различных исследователей и проанализировать результаты испытаний ВУ, спроектированных исходя из допущений R-cu = const и cucp = const.
Столярский M.T. отдает предпочтение закону R-cu = const /71/, полагая, что в данном случае течение потока будет осуществляться без резких изменений вектора скорости, в силу чего потери, связанные с явлением "удара", отрыва и вихреобразования, будут минимальны.
Пфлейдерер К. в своей работе писал /54/: "Вследствие центробежных сил перемещаемой жидкости, давление должно возрастать изнутри наружу, а скорости, соответственно, снижаться. Следовательно, скорость в любом сечении спирали становится тем меньше, чем больше это сечение развито в радиальном направлении, если характеристики потока остаются одинаковыми по окружности РК. Последнее условие должно быть выполнено, чтобы поток в РК оставался симметричным относительно оси. Отсюда следует вывод, что в спирали должны быть созданы одинаковые скорости потока вдоль любой соосной окружности, т.е. течение в улитке так же должно быть симметрично относительно оси. В этом смысле, предпочтительнее при расчете ВУ использовать условие распределения скорости R-cu = const".
С другой стороны, Косточкин В.И., рассматривая работу спиральных корпусов центробежных компрессоров, пишет /28/: " Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что в кожухе должна быть постоянная скорость по всей длине спиральной улитки", — т.е. отдает предпочтение условию сиср = const.
Экспериментальные характеристики улиток, спроектированных по условиям R-cu= const и сиср — const даны Деном Г.Н. /14, 83/. При их сравнении сделаны следующие выводы: характеристика коэффициента потерь энергии " - f(a4) улитки при условии сиср = const более крутая во всем диапазоне углов eg и ее минимум несколько смещен в сторону меньших расходов. Причиной различия характеристик является меньшая площадь проходного сечения F при 9 = 360 , полученная при расчете улитки по условию сиср = const. Здесь же /14/ показано, что условие R-cu = const может выполняться только при независимости ширины сечения улитки b на данном радиусе R от угла разворота 8. В противном случае не будет выполняться условие круговой симметрии потока на входе в ВУ.
Исследованию действительной картины течения в ВУ посвящено большое число работ /13, 14, 39, 83 и др./. Авторы вышеупомянутых работ едины во мнении, что условие R-cu = const удовлетворительно, с точностью 6...10 %, выполняется только для расчетного режима работы ВУ и в сечениях, значительно удаленных от места расположения НП.
Наиболее полные и разносторонние сведения по вопросу исследования действительной картины течения в ВУ даны Мифтаховым А.А. в работе /32/. По результатам теоретических и экспериментальных исследований, проведенных под руководством Мифтахова А.А., установлено, что характер течения в первой половине улиток сложен, расчетное условие сиср — const не выполняется.
Приведенные выше теоретические соображения и результаты экспериментальных исследований не дают возможности сделать строгий вывод о преимуществах того или иного допущения при построении схемы расчета ВУ. В то же время, ВУ, спроектированные по условию R-cu = const обладают лучшей эффективностью по сравнению с улитками и КСК, рассчитанными из допущения сиср= const /14/.
Независимо от выбранного метода расчета для определения поперечных сечений ВУ принимается ряд допущений /14, 62; 65, 85/: 1) структура потока на входе принимается однородной, расход равномерен по всей окружности; 2) изменение плотности газа не учитывается. Это допущение справедливо для ступеней стационарных компрессоров, в которых число Маха на входе в ВУ не превышает 0,4; 3) вязкость не оказывает влияния на параметры потока.
Методы расчета потерь напора и КПД в кольцевых сборных камерах
При проектировании новых типов компрессоров необходимо создавать аэродинамически совершенные элементы ПЧ, в частности КСК КС, которые должны обеспечивать также минимум коэффициента потерь С, или минимальное снижения КПД А ц. В связи с этим ниже рассматриваются некоторые способы расчета этих двух параметров с позиции возможности их применения для проектирования ВУ. Следует отметить, что наиболее полно обзор методов определения коэффициентов потерь С дан в работе А.А. Мифтахова /32/.
Метод определения потерь в проточной части ВУ по расчету пограничного слоя /1, 34/ отличается большой сложностью. Кроме того, наличие отрывных течений.в ПЧ улиток и КСК, подвод массы по длине, неопределенность в оценке состояния структуры потока на входе значительно ограничивают область применения указанной методики. Имеющиеся расчетно-теоретические методы и методы моделирования течений в проточной части центробежных компрессоров классифицируются следующим образом /13, 29/: 1. Экспериментальные методы физического моделирования. 2. Аналоговые методы математического моделирования (ММ). 3. Численные методы математического моделирования. 4. Математическая модель с использованием статистически обобщенных экспериментальных данных.
Метод электромоделирования (вторая группа классификации) использован для моделирования трехмерного несжимаемого невязкого потока в ВУ и системе диффузор + ВУ /13/. В этом случае задача исследования течения сводится к замеру электрических потенциалов на фольговой модели и переносу полученных результатов на жидкость. Применение методов элекромоделирования к объемным моделям, подобным модели диффузор + ВУ, делают расчет потока по трудоемкости соизмеримым с экспериментом /59/. Однако, по сравнению с расчетом конечно-разностными методами на ЭВМ по готовой программе, применение методов элекромоделирования оправдано тем, что это единственный способ теоретического изучения течения газа в системе диффузор + ВУ, имеющей сложную границу /59/. На рис. 1.7, заимствованном из источника /32/, показано распределение статического давления за РК и диффузором, полученное по результатам газодинамических испытаний и методом электрогидродинамической аналогии. Опытные и расчетные данные согласуются лишь качественно.
В связи со значительным прогрессом в области вычислительной техники в настоящее время в практике проектирования ЦК находят все большее применение численные методы математического моделирования течений в ПЧ компрессора и его элементов.
Большинство существующих методов численного моделирования течения в ПЧ ЦК /8, 61, 68/ ориентированы на расчет параметров осесимметричного потока в РК, двухзвенной ступени (РК + диффузор), сту пени промежуточного типа и неподвижных элементах ПЧ в отдельности, где можно допустить, что поток является безвихревым. Течение же в ВУ характеризуется значительной завихренностью и наличием обратных токов практически при любом режиме работы, т.е. не подпадает под схему потенциального потока. Необходимо также отметить, что анализ работы отдельных элементов ПЧ компрессора или двухзвенной степени (РК + диффузор) без учета влияния ВУ может привести к ошибкам при проектировании, в том числе и из-за нарушения осевой симметрии потока, создаваемого улиткой или КСК. Расчет параметров потока численными методами в системе БЛД + ВУ представлен в работах /13, 59/. В этих работах рассматривается трехмерное потенциальное движение невязкой несжимаемой жидкости, для математического описания которого использовано уравнение Навье-Стокса. Уравнение решается методом конечных элементов. При анализе результатов работы /59/ отмечается удовлетворительное качественное и количественное совпадение расчетных и экспериментальных данных.
Еще в одной работе /58/ рассматривается модель несжимаемого, вязкого потока. Расчет состоит из двух частей: вначале определяются параметры пространственного пограничного слоя на боковых стенках ВУ, затем, рассматривается течение в ядре потока. Для расчета вязкого турбулентного течения /58/ используется к г модель. Расчет выполняется на компьютере с применением программ канадской фирмы ASC — TASCFlow. За сечение входа потока в ВУ принимается сечение, расположенное на диаметре D = 0,6 - D2, где задаются необходимые начальные условия осесимметричного потока. Авторы рекомендуют использовать предложенный метод расчета для качественного и количественного описания характера течения в спиральном отводе насосов для режимов V VonT. Однако в работе 1661 указано, что для расчета течений, в которых практически отсутствует ядро потока, а течение в ВУ носит именно такой характер, сомнительным является правомочность применения приемов, основанных на использовании теории пограничного слоя, которая применена в работе /58/. Кроме того, производимые расчеты довольно громоздки, так как требуют 37 Мбайт оперативной памяти компьютера.
Необходимо отметить также, что в настоящее время отсутствует замкнутая система уравнений, описывающих пространственное турбулентное течение, характерное для ВУ. Для замыкания системы уравнений в данном случае используют экспериментальные соотношения /17/.
Более простыми для определения потерь в ВУ являются так называемые гидравлические методы, основанные на аналогии элементов ПЧ ЦК с каналами наиболее простых форм, хорошо изученных экспериментально.
А.Б. Баренбойм в работе /3/ получил зависимость для расчета коэффициента потерь в улитке, которая учитывала потери от расширения, на трение и от вихреобразования. Улитка была заменена коническим диффузором равной длины, у которого ?« = с4 , свых = ск. В расчете было заложено распределение скоростей по закону R-cu = const. В расчете потерь в ВУ по методике /3/ используется большое количество эмпирических коэффициентов, определяемых по рекомендациям /22/.
Метод математического моделирования потерь в кольцевых сборных камерах
Основной задачей теории ЦК, является разработка такого метода расчета, с помощью которого можно было бы определить интегральные газодинамические характеристики проточной части. При современном уровне вычислительной техники и накопления большого количества опытных данных по исследованию различных вариантов того или иного элемента проточной части в принципе можно решить такую задачу на полуэмпирической основе. Однако ее реализация возможна лишь на базе детального анализа физической картины течения, в результате которого должно быть установлено влияние обобщающих параметров, определяющих потери /32/.
Основы метода математического моделирования потерь в элементах проточной части изложены в работе /11/. В монографии /32/ представлена математическая модель для расчета потерь в различных осесимметричных элементах поточной части, в частности в выходных устройствах типа улитка. В общем случае, данный метод базируется на делении потерь по месту их возникновения и физической природе.
Основываясь на представлениях о характере течения потока проточную часть КСК можно разбить на участки определенной геометрической формы и размеров, что существенно облегчает проведение детального изучения потерь напора в КСК.
К таким участкам кольцевой сборной камеры относятся: 1. участок 4-5 — представляет собой поворотный канал (рис. 2.4); 2. участок 5-6 — торовая часть камеры; 3. участок 6-К — выходной конический диффузорный патрубок (рис. 2.5). Рассмотрим основные виды потерь на выделенных участках.
Для участка 4-5, представляющего собой обычно осесимметричный кольцевой диффузор, характерны потери, обусловленные трением, изогнутостью канала и диффузорностью течения. Вследствие двух последних факторов возникают такие виды потерь как потери расширения и вихреобра-зования, а также потери от поперечной неравномерности скоростей и местных диффузорных зон.
Соотношение между вышеперечисленными видами потерь и потерями на трение на рассматриваемом участке будут определяться длиной траектории потока, зависящей от угла потока а4. При увеличении ос4 кривизна линий токов растет, а длина траектории уменьшается. В связи с этим возрастает доля потерь, обусловленная неравномерностью скоростей и вихрями, зато снижаются потери гидравлического трения. Однако, как показал теоретический расчет течения в поворотном канале /32/ в диапазоне изменения углов а4 от 15 до 45 величина диффузорности потока изменяется незначительно. Это позволяет высказать предположение о слабой зависимости потерь вихреобразования от изменения а4 в данном диапазоне. При уменьшении а4 характер изменения указанных видов потерь противоположный, т.е. происходит рост гидравлических потерь и снижение остальных. Известно, что на режимах а4 20 пограничный слой на стенках БЛД имеет значительную толщину и неравномерность скоростей по ширине сечений 4-4 достаточно велика /33/.
В работах /32, 42/ так же указывается на значительную зависимость аэродинамического качества диффузоров от состояния пограничного слоя и эпюры скоростей во входном сечении. Поэтому можно высказать предположение об ухудшении эффективности работы участка 4-5 при уменьшении а4.
На участке 5-6 характерными видами потерь являются меридиональные потери hMep, обусловленные особенностями течения газа в меридиональной плоскости, индуктивные потери пннд, возникающие вследствие радиального градиента давления, а также потери на смешение и расширение. При повышенных расходах появляются дополнительные потери, связанные с процессом разделения потока в начальных сечениях на прямой и обратный.
Потери трения Ьтр на данном участке определяются длиной траектории частиц газа и соответственно соотношением скоростей си и ст. С уменьшением угла а4 в КСК происходит существенное увеличение меридиональных составляющих скоростей ст в ее сечениях, вследствие чего величины Ьф уменьшаются. Следует отметить существенную зависимость потерь трения от формы и гидравлического диаметра поперечного сечения сборной камеры.
Потери смешения возникают при «пересечении» потоков векторы скорости которых направлены под углом друг к другу и имеют различную величину. Так, например, происходит смешение потока, выходящего из сечения 5-5, и потока, движущегося по каналу камеры. Данные потери наиболее значительны при повышенных расходах; при уменьшении ос4 они постепенно исчезают.
На участке 5-6 имеют место потери, обусловленные взаимным изменением скорости потока вследствие увеличения площади проходного сечения. Эти потери более значимы в первой половине камеры, поскольку поток здесь заполняет полностью сечения и изменение скоростей наиболее значительно.
Анализ влияния геометрических параметров на эффективность работы кольцевых сборных камер
Для оценки влияния изменения формы КСК (отношения В/Н) на эффективность работы КС рассмотрим серию вариантов ступеней КС-52 -КС-57 (табл. 3.2), у которых при сохранении геометрии РК и БЛД изменялась лишь форма поперечного сечения КСК. При этом величина интеграла J сечения сравниваемых КСК была одинаковой (табл. 3.1). На рис. 4.38 приведены зависимости коэффициента потерь ,расч. = = f(B/H), полученные расчетным путем по выражению (4.13) для пяти режимов работы. Как видно из этих графиков, наихудшей эффективностью обладают КСК с формой поперечного сечения, вытянутой в радиальном направлении, у которых отношение В/Н 1 (КСК №1 и КСК №2). В этих камерах при уменьшении RBH и В происходит увеличение потерь, а, следовательно, рост потерь КПД Ап на всех режимах работы.
Наибольшую аэродинамическую эффективность имеет КСК № 3 круглой формы поперечного сечения, близка к ней по эффективности КСК № 4 квадратного поперечного сечения со скругленными углами (В/Н =1).
Увеличение В/Н (КСК № 5 и № 6) вызывает значительно меньший рост потерь КПД. Следовательно, наиболее существенное влияние на показатели работы КСК при отклонении формы сечения от круглой происходит при отношении В/Н 1.
С уменьшением В/Н растет интенсивность обратного течения, усиливается неоднородность потока в начальных сечениях КСК и патрубка, увеличиваются размеры вихревой зоны на его задней стенке. Поскольку при повышенных расходах указанные процессы усиливаются и оказывают существенное влияние на величину потерь, то вполне закономерно, что уменьшение RDII и В ведет к росту Ал. Вместе с тем, переход от круглой формы сечения к прямоугольной вызывает появление дополнительных гидравлических потерь, особенно при течении закрученного потока. Совокупное действие указанных видов потерь, по-существу, и является причиной увеличения крутизны характеристик КСК при снижении RBH и В. С увеличением этих геометрических параметров в КСК № 5 и № 6 происходит некоторое улучшение структуры потока в сечениях патрубка, в основном, из-за менее интенсивного обратного течения, что улучшает показатели работы КСК. Однако, с другой стороны, ухудшается однородность потока в начальных сечениях КСК, появляются дополнительные потери, обусловленные отклонением формы сечения канала от круглой (В/Н = 1) и возрастанием потерь от расширения.
На оптимальных режимах работы худшие показатели работы имеет КСК с прямоугольным сечением, вытянутым в радиальном направлении (В/Н 1). По сравнению с КСК круглого сечения, снижение эффективности работы КСК прямоугольного сечения, обусловлено большим гидравлическим сопротивлением сечений и худшей структурой потока в их начальной части и в патрубке из-за имеющегося слабого обратного течения. Для КСК с сечением, вытянутым вдоль оси (В/Н 1), возрастание Аг на указанных режимах работы следует отнести как за счет больших потерь на расширение, так и усиления рециркулирующего течения. Следовательно, увеличение отношения В/Н приводит к уменьшению потерь и величины площади F. Однако, при величине В/Н более 2,5 его влияние на величину потерь и площади несущественно, при этом также могут возрастать габариты ЦК. Таким образом, рекомендуемые значения параметра В/Н находятся в диапазоне В/Н =1,0-1,6.
Показатели работы КСК, наряду с собственными геометрическими характеристиками, во многом определяются параметрами элементов ступени. К таким параметрам относятся: относительный диаметр D4=D4/D2 и относительная ширина b4 = Ъ4 /Ь2 диффузора. Для оценки влияния каждого этих параметров на эффективность работы КСК и ступени под руководством А.А. Мифтахова были проведены экспериментальные исследования серии КС, скомпонованных из различных вариантов элементов ступени.
Исследование влияния величины D4 БЛД в ступенях с КСК проводилось на ступенях КС-54, КС-60 и КС-66, в которых относительный диаметр D4 равнялся соответственно 1,56, 1,72 и 1,85. КСК названных ступеней имели круглую форму сечения и одинаковую величину J. На рис. 4.39 представлена зависимость с,расч =/(7J4) для КСК №№ 3, 9, 14. По мере увеличения относительного диаметра D4 величина потерь КПД падает. Экспериментальные характеристики КСК №№ 3,9, 14 (рис. 4.40) также показывают, что увеличение D4 приводит к существенному снижению коэффициента ; в зоне повышенных значений угла а4. Это обусловлено тем, что с увеличением Дорастет площадь F4, так и расчетная площадь F поперечного сечения КСК (при сохранении интеграла J). При этом происходит снижение уровня скоростей на входе в КСК и, соответственно, динамического давления р4д. В канале КСК понижение скорости является следствием двух факторов: уменьшения скорости с4 на входе в КСК и увеличения площади сечения КСК F. Эти факторы в совокупности приводят к тому, что при а4 о.4опт снижение абсолютных потерь в КСК АР4 _К, по сравнению с уменьшением р4д, происходит более интенсивно, что и вызывает повышение эффективности работы КСК.
Как видно из графиков на рис. 4.40 КСК № 3 и № 9 во всем диапазоне изменения углов а 4 не получено явно выраженной точки с наименьшим значением коэффициента q , что не позволяет сделать однозначного вывода об эффективности их работы при а4 «а4о„т. Однако, учитывая тенденцию изменения характеристик этих КСК при а4 а4опт, можно предположить, что с увеличением диаметра D4 коэффициент cjV, будет возрастать. Последнее обусловлено тем, что по мере увеличения D4 происходит «набухание» пограничных слоев на стенках БЛД, которое вызывает заметное ухудшение структуры потока на входе в поворотный участок 4-5. Это, в свою очередь, вызывает отрицательное влияние на эффективность работы КСК и повышает его коэффициент потерь.
На режимах Ф Фопт коэффициент потерь ; _4 БЛД сравниваемых ступеней одинаков (рис. 4.40). С уменьшением коэффициента Ф величина ;3 _4 становится тем больше, чем выше значение D4. Максимальное значение коэффициента r d получено для ступени КС-54 с наименьшим значением параметра D4. Увеличение D4 снижает эффективность работы ступени и сдвигает их характеристики в сторону больших расходов. Из этих же графиков видно, что в ступенях КС-54 и КС-60 имеет место рассогласование в работе их элементов.
