4.2 Особенности течения газа в лопаточном аппарате

ротора ЦБК

Ротор одноступенчатого центробежного компрессора состоит из рабочего колеса и вращающегося направляющего аппарата, насаженных на вал и соединенных вместе. Способы укрепления на валу их втулок могут быть различные - шпоночные, шлицевые и т. п. При этом лопаточный венец вращающегося направляющегося аппарата по ходу потока всегда является предвключенным к колесу. Иногда лопатки вращающегося направляющего аппарата выполняют даже без самостоятельной втулки за одно целое с' лопатками рабочего колеса. Рассмотрим особенности геометрии лопаток и преобразования энергии в межлопаточных каналах ротора.

4.2.1 Вращающийся направляющий аппарат

Из входного треугольника скоростей (см. рис. 4.3, 4.4) видно, что поток поступает во вращающиеся каналы со скоростью под углом к окружному направлению. Для уменьшения так называемых потерь "на удар" необходимо при этом обеспечить безударное обтекание радиальных рабочих лопаток. С этой целью угол загиба их входных кромок выполняют близким или равным поточному углу . Разность этих углов называется углом атаки . Вдоль радиуса в сечении 1-1 (см. рис. 4.3) изменяется не только величина, но и направление . Это означает, что при заданных приходится выполнять входную кромку рабочей лопатки закрученной, с переменным по высоте . При этом межлопаточные каналы ротора получаются сложной, пространственной конфигурации. Изготовлять их целиком с учетом высоких требований к точности и качеству поверхности весьма сложно технологически. Для упрощения технологии входные части лопаток ротора обычно выполняют отдельно на своей втулке в виде предвключенного к колесу лопаточного венца (аппарата).

Помимо того, что вращающийся направляющий аппарат создает безударный вход потока в каналы колеса, он еще и повышает давление, благодаря диффузорности каналов и уменьшению в них скорости относительного движения. Для характеристики диффузорности обычно используют угол раскрытия эквивалентного диффузора, для чего рассматривают прямолинейный диффузор в виде усеченного конуса. Площади круговых сечений конуса на входе и выходе равны соответствующим площадям канала в направляющем аппарате, а его длина равна длине средней линии канала (см. рис.4.6). Из аэродинамики известно, что в зависимости от ряда факторов (числа Re, шероховатости и т. п.) предельный угол раскрытия эквивалентного диффузора лежит в диапазоне 8-14°. Особенностью течения во вращающемся направляющем аппарате являются сравнительно большие углы поворота . Для безотрывного течения при этом необходима определенная густота решетки. Поскольку шаг лопаток определяется их числом, то густота и соответствующий ей угол раскрытия эквивалентного диффузора обеспечиваются выбором необходимой осевой ширины лопаток .

Рисунок 4.6 - Сечение канала вращающегося направляющего аппарата и схема эквивалентного диффузора

Как правило, переменная по высоте, но желательно, чтобы в среднем соблюдалось соотношение = (d₁ - d_o)/6.

4.2.2 Конструктивные типы рабочих колес.

По конструкции рабочие колеса центробежных компрессоров различают в зависимости от формы лопаток и типа меридионального сечения. По форме лопаток в радиальной плоскости существуют колеса с лопатками, загнутыми назад, т. е. в сторону, противоположную вращению, с радиальными лопатками и с лопатками, загнутыми вперед, т. е. по направлению вращения (рис. 4.7).

Рисунок 4.7 - Типы лопаток рабочих колес: а - загнутые назад; б - радиальные;

в - загнутые вперед по вращению

Загнутые назад лопатки вносят в поток меньшие возмущения и позволяют достичь высокой экономичности, но энергия, сообщаемая газу, при этом снижается. Наибольшую энергию, можно сообщить газу, при прочих равных условиях в колесе с лопатками загнутыми вперед. Однако в этом случае сильно развитые срывные зоны на обратной стороне лопатки создают неблагоприятные условия для работы такого колеса. Кроме того, при загнутых лопатках в их заделке на дисках возникают дополнительные напряжения от распрямляющего действия центробежных сил. Отсюда следует, что колеса с радиальными лопатками, занимающие промежуточное положение, можно использовать при больших окружных скоростях, получая большие напоры.

По типу меридионального сечения колеса могут быть закрытыми, полуоткрытыми и открытыми, с односторонним или двусторонним всасыванием (рис. 4.8). Размещение переднего покрывающего диска в колесе закрытого типа позволяет изолировать течение в канале от газа, находящегося в зазоре, однако закрытые колеса сложны в изготовлении, и ограничены по скорости вращения (и₂ ~ 300 м/с).

Рисунок 4.7 - Меридиональные сечения рабочего колеса: а - закрытое; б - полуоткрытое;

в - открытое; г - полуоткрытое двухстороннего всасывания

Весьма просты и технологичны колеса открытого типа. Однако низкая экономичность и недостаточная прочность ограничивают их применение. У колес полуоткрытого типа наличие рабочего диска обеспечивает необходимую прочность лопаток, а отсутствие покрывающего диска - хороший доступ к внутренней поверхности каналов при их обработке. Высокое качество поверхности и сравнительно меньшие напряжения в заделке радиальных лопаток на дисках полуоткрытых колес позволяют развивать значительную окружную скорость на наружном диаметре. У стальных колес до 500 м/с, а у колес из специальных сплавов - до 600…700 м/с. Проделанный анализ конструктивных свойств центробежных колес показывает, что для транспортных компрессоров наиболее перспективными являются колеса полуоткрытого типа с радиальными лопатками и степенью реактивности .