Исследование ступени вихревого нагнетателя с периферийно-боковым каналом и серповидными лопатками рабочего колеса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.51

В. Н. Сергеев, В. Н. Х м а р а,

Л. Н. Белотелова, М. А. Радуги н,

П. А. Волошин, С. А. О с ь к и н

ИССЛЕДОВАНИЕ СТУПЕНИ ВИХРЕВОГО НАГНЕТАТЕЛЯ С ПЕРИФЕРИЙНО-БОКОВЫМ КАНАЛОМ И СЕРПОВИДНЫМИ ЛОПАТКАМИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА

Вихревые турбомашины отличаются особым механизмом передачи энергии от рабочего колеса к газу, что определяет их особые свойства. Приведены результаты экспериментального исследования эффективности высоконапорной вихревой ступени.

E-mail: [email protected]

Ключевые слова: вихревая ступень, рабочее колесо, рабочий канал,

структура потерь, эффективность компрессора.

Вихревые турбомашины (нагнетатели, компрессоры, вакуум-насосы), являясь машинами динамического действия, отличаются особым механизмом передачи энергии от рабочего колеса к газу. В проточной части машины газ движется по сложной спиралевидной пространственной траектории, многократно взаимодействуя с лопатками рабочего колеса, т.е. многократно получая от него энергию. Этим объясняются особые свойства вихревых машин: сравнительно большой напор в одной ступени при малой производительности; отсутствие помпажных режимов, т.е. устойчивая работа во всем диапазоне изменения характеристик; минимальная потребляемая мощность при максимальной производительности и др. В отличие от традиционных турбомашин, например центробежных, вихревые машины и малопроизводительные получаются сравнительно низкооборотными, что позволяет использовать прямой привод от электродвигателя, а это сильно упрощает конструкцию и повышает ее надежность.

Исследования газодинамических процессов в проточных частях турбомашин вихревого типа проводятся в МГТУ им. Н.Э. Баумана с 1970-х годов. Были получены основные теоретические выводы, основанные на регенеративной гипотезе процесса [1].

На основе экспериментальных исследований разработана методика расчета машин, апробированная при создании целой гаммы конструкций, серийно выпускаемых в настоящее время [2].

В основу разработанной методики положен интегральный метод оценки потерь, базирующийся на экспериментальном материале. Подобная практика достаточно широко используется при расчетах динамических машин со сложной проточной частью, когда поэлементный расчет невозможен. Именно к таким относятся вихревые машины.

B-B

Pw> Тя Pk> тю me

Рис. 1. Вихревая ступень с периферийно-боковым каналом и серповидными лопатками:

1 — корпус, 2 — окно всасывания, 3 — отсекатель, 4 — окно нагнетания, 5 — проточная часть

В качестве интегральных коэффициентов используются коэффициент напора ф и адиабатный КПД пад.

Вихревые машины отличаются большим многообразием типов проточных частей [1]. Интегральные коэффициенты, отражающие потери на отдельных участках проточной части, зависят от многих факторов, в том числе и от типа проточной части, ее геометрии, режима работы.

Ступень с периферийно-боковым каналом и боковыми серповидными лопатками рабочего колеса. Предметом описываемых в настоящей статье исследований послужила вихревая ступень с периферийно-боковым каналом и серповидными лопатками (рис. 1). Такая проточная часть отличается наиболее высокими коэффициентами напора, что позволяет получать сравнительно высокую степень сжатия в одной ступени.

Последнее обстоятельство ставит вихревую ступень в один ряд с машинами объемного типа. В то же время вихревая ступень, в отличие от ряда объемных машин, намного проще, надежнее и, самое главное, экологически чище, поскольку она исключает наличие масляных аэрозолей и продуктов износа в сжимаемом газе. Это очень важно, например, в системах пневмотранспорта для сыпучих пищевых продуктов, в системах аэрации воды, в медицинских установках и т.д.

На рис.2 приведена типичная рабочая характеристика вихревой ступени, построенная в виде зависимости безразмерных параметров: коэффициента напора ф и адиабатного КПД пад от коэффициента расхода

Для вихревой ступени характерно отсутствие максимума на кривой ф = / (ф) и смещение максимума пад в область больших коэффициентов ф.

Напор, создаваемый ступенью, пропорционален квадрату окружной скорости рабочего колеса

Н = фи22,

где ф — коэффициент пропорциональности.

Коэффициент расхода ф выражает отношение объема газа, засасываемого в ступень, к максимально возможному объему, получаемому в предположении, что поток газа в рабочем канале с сечением движется со скоростью, равной окружной скорости рабочего колеса:

=

ф Fк и'

где К — всасываемый объем (производительность).

Таким образом, имея зависимости ф = / (ф) и пад = / (ф), полученные экспериментальным путем, можно использовать их для расчета вихревой ступени на заданные напор и производительность, если соблюдены условия геометрического, кинематического (треугольника скоростей) и динамического (критерия Яе, Ми) подобия.

Существенным недостатком вихревых машин является сравнительно низкий КПД, не превышающий 50%. Это объясняется сложной структурой потерь в проточной части, включающей в себя как потери, характерные для турбомашин, так и потери, аналогичные потерям в машинах объемного типа. К первым относятся гидравлические потери, потери, связанные с перетечками и утечками, а ко вторым — потери, возникающие вследствие переноса газа через отсекатель (см. рис. 1) с нагнетания на всасывание в межлопаточном пространстве рабочего колеса.

Переносимый газ является балластным и производит эффект, аналогичный газу, расширяющемуся из мертвого объема, например цилиндра поршневого компрессора, т.е. поступающий с нагнетания на всасывание горячий газ уменьшает объем всасываемого газа, подогревает его до температуры смешения Тсм, снижая тем самым и возможность получения высокой степени сжатия в ступени.

Повышение эффективности работы вихревой ступени с периферийно-боковым каналом и серповидными лопатками рабочего колеса. В МГТУ им. Н.Э. Баумана было предложено решение, позволившее снизить вредное влияние балластного газа на степень сжатия

<Р

Рис. 2. Типичная рабочая характеристика вихревой ступени в безразмерных параметрах

Рис. 3. Вихревая ступень со сбросом и продувкой балластного газа:

1 — корпус; 2 — окно всасывания; 3 — окно нагнетания; 4 — отсекатель; 5 — венец рабочего колеса; 6 и 7 — дугообразные щели

в ступени [3-5]. В рабочем канале компрессора (рис. 3) между всасывающим и нагнетательным окнами установлен отсекатель. В корпусе и в отсекателе со стороны выходных кромок лопаток венца выполнены сообщенные между собой дугообразные щели 6 и 7 для продувки отсекателя. Окно всасывания также имеет вид дугообразной щели и размещено со стороны входных кромок лопаток венца.

При вращении колеса (на рисунке против часовой стрелки) горячий газ из межлопаточного пространства венца под действием центробежных сил сбрасывается наружу через щель 6. Затем лопатки венца подхватывают свежий газ из окна всасывания и снова выбрасывают его наружу через щель 7, как бы продувая межлопаточное пространство. На конечном этапе свежий газ из окна всасывания поступает уже непосредственно на всасывание в проточную часть.

Данное изобретение хотя и не повышает КПД машины (на сжатие сбрасываемого балластного газа и продувку затрачивается энергия), зато позволяет достичь высоких (до п = 1,8) степеней сжатия в одной ступени при приемлемых значениях температуры газа на нагнетании.

На рис. 4 приведены экспериментально полученные зависимости подогрева газа при сжатии в ступени при работе со сбросом и без сброса.

Как следует из приведенных графиков, использование сброса позволяет снизить температуру нагнетания. При этом повышается температурный КПД ступени п практически в 2 раза, однако, как уже было сказано, общий КПД машины может даже снижаться за счет увеличения потребляемой мощности.

100

80

60

40

20

200 300 400 500 600 v, м3/ч

Рис. 4. Влияние сброса балластного газа на его подогрев при сжатии:

1 — подогрев газа при закрытом сбросе; 2 — подогрев газа при открытом сбросе

С использованием описанного изобретения в настоящее время серийно выпускается целая гамма вихревых нагнетателей под маркой

Формирование окна всасывания вихревой ступени с периферийно-боковым каналом. Резервы для повышения КПД рассматриваемой вихревой ступени имеются. Это подтверждено рядом экспериментов. Кинематика потока вихревой ступени (см. рис. 1) очень близка к кинематике ступени центробежного компрессора. На входе треугольник скоростей обеспечивает безударный вход потока на лопатку с относительной скоростью . На выходе из лопатки поток приобретает не только окружную составляющую абсолютной скорости С2и, но и меридиональную — Се. Благодаря меридиональной составляющей, совершив спиральный виток в окружном направлении канала, газ вновь входит на лопатки колеса. Процесс этот многократно повторяется.

Продолжая аналогию с центробежной ступенью, логично предположить, что правильно организованный вход на лопатки существенно снижает гидравлические потери. Из этих соображений окно входа в канал было выполнено дугообразным и расположено со стороны входных кромок лопаток (см. рис. 3).

Были проведены исследования влияния длины дуги окна всасывания на эффективность ступени (рис. 5). По данным эксперимента, режим максимального КПД соответствует дуге в 70 0. При входе на лопатки через дугообразное окно вихревой поток в канале становится многозаходным, и чем длиннее дуга, тем больше заходов. Однако при большой длине дуги часть газа первого захода, совершившая спиральный виток в окружном направлении канала, попадает не на лопатку, а обратно в дугообразное окно. Измерения направления входной скорости С вдоль дуги окна подтвердили это предположение: при увеличении длины дуги свыше 70 0 скорость С в этом месте меняет направление на обратное.

ЭФ-100.

Рис.5. Влияние длины дуги окна всасывания на эффективность работы ступени:

1 - Фад (0вс = 30°); 2 - фад(0вс = 60°); 3 - фад(^вс = 70°); 4 - фад(^вс = 90°); 5 -Пад (0вс = 30°); б - Пад(^вс = 60°); 7 - Пад(^вс = 70°); 8 - Пад(^вс = 90°)

Влияние входного угла лопаток. Ранее проведенные эксперименты по визуализации вихревого потока показывают, что спираль вихря имеет переменный шаг, уменьшающийся от всасывания к нагнетанию. Поэтому безударный вход потока на лопатку возможен только на ограниченном участке канала. Это было проверено испытаниями рабочих колес с различными входными и выходными углами лопаток (рис. 6).

Наилучшие результаты показало колесо с углом входа 550. Но этот угол соответствует радиальному входу потока на лопатки (имеется в виду радиальное направление абсолютной скорости С потока). А такое направление имеет поток только в пределах окна всасывания. Следовательно, минимум потерь, связанных с входом на лопатку, обеспечивает лишь правильно организованный вход. Отметим, что попытки организовать безударный вход на других участках канала с помощью расположенных в канале неподвижных направляющих лопаток не

Рис. 6. Влияние входного угла серповидной лопатки рабочего колеса:

1 - Фад(01л = 42°); 2 - Фад(01л = 55°); 3 - фад(01л = 70°); 4 - Пад(01л = 42°); 5 -Пад (01л = 55°); б - Пад (01л = 70°)

Рис. 7. Основные геометрические параметры ступени в меридиональном сечении:

1 — покрывной диск; 2 — рабочее колесо

дали положительных результатов. Гидравлические потери при этом только возросли.

Влияние покрывного диска на эффективность работы вихревой ступени. В работе [6] установлено, что применение центрального тела в рабочем канале стабилизирует вихревой циркуляционный поток, исключая возникающие в его ядре срывные зоны. В проведенных экспериментах по исследованию проточной части роль центрального тела играл покрывной диск рабочего колеса (рис. 7). Положительная роль покрывного диска подтверждается экспериментальными зависимостями, приведенными на рис. 8.

Влияние геометрии меридионального сечения канала вихревой ступени. Известно, что форма меридионального сечения рабочего канала существенным образом влияет на КПД ступени [7]. Наибольшую эффективность имеет ступень, меридиональный профиль канала которой эквидистантен линиям тока вихревого течения. С этой точки зрения, для серповидных лопаток, расположенных на торце рабочего колеса и активирующих вихревой поток на радиальном участке канала, необходим канал с овальным меридиональным сечением, вытянутым в радиальном направлении. К основным геометрическим параметрам меридионального сечения относятся (см. рис. 7):

— отношение площади, занятой лопаткой, к площади канала

Рис. 8. Влияние покрывного диска на характеристику ступени:

1 — фад; 3 — пад (без использования покрывного диска); 2 — фад; 4 — пад (с использованием покрывного диска)

и отношение

й* = й/Б,

где Б — диаметр колеса; й — диаметр круга, площадь которого эквивалентна сумме площадей + ).

Параметр й/Б по сути выражает относительную длину проточной части в окружном направлении: меньшее значение отношения й/Б соответствует большей длине.

В вихревых ступенях серийных нагнетателей ЭФ-100 при расширении площади рабочего канала и сохранении геометрии лопаток рабочего колеса параметры ж и й/Б изменяются в следующих диапазонах: ж = 0,23 ... 0,31 при й/Б = 0,132 ... 0,117.

Характеристики этих ступеней в относительных параметрах приведены на рис. 9. Как следует из представленных зависимостей, совместное влияние увеличения ж и уменьшения значения й/Б приводит к заметному возрастанию напора ступени, хотя максимум КПД пад смещается в зону меньшего значения коэффициента расхода ф.

Повышение напора ступени можно объяснить, повидимому, увеличением числа заходов газа в рабочее колесо и получением дополнительной энергии при снижении значения отношения й/Б и повышении ж.

Экспериментально был выявлен положительный эффект от смещения меридионального сечения канала в сторону оси вращения колеса (рис. 10). Такое смещение способствует стабилизации меридиональной составляющей Се скорости потока, а значит, и снижению гидравлических потерь, особенно при входе на лопатки рабочего колеса.

Таким образом, можно констатировать, что проточная часть с периферийно-боковым каналом и серповидными лопатками имеет

*7ад ^ад

0,42 г 7

0,36 - 6

0,30 - 5

0,24 " 4

0,18 " 3

0,12 - 2

0,06 - 1

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 <р

Рис. 9. Влияние расширения рабочего канала вихревой ступени (на примере нагнетателей ЭФ-100):

1 — Фад (<и = 0,132; ж = 0,23); 2 — ^д (<и = 0,123; ж = 0,28); 3 — фад (<и = 0,117; ж = 0, 31); 4 — пад (<и = 0,132; ж = 0, 23); 5 — пад (<и = 0,123; ж = 0, 28); 6 — пад (<и = 0,117; ж = 0,31)

*7ад ^ад

0,42 г 7 -

0,36 " 6 -

0,30 - 5 -

0,24 " 4 " 2

0,18 " 3 " 1

0,12 - 2 -

0,06 - 1 -

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 <р

Рис. 10. Влияние смещения расточки канала корпуса в сторону оси вращения по отношению к высоте лопатки:

1 - Фад (S/h = 0); 2 - ^ад (S/h = 0,07); 3 - Пад (S/h = 0); 4 - Пад (S/h = 0,07)

хорошие перспективы применения в высоконапорных вихревых ступенях, что подтверждается уже сегодня серийным выпуском ряда конкретных отечественных конструкций: ВВК-1, ВВК-2М, ВВК-4, ВВК-5, ВВК-300, ВВК-600, ЭФ-100. Продолжающиеся исследования подтверждают возможность дальнейшего повышения эффективности такой проточной части.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хм ар а В. Н. Теория и расчет вихревых вакуумных компрессоров: Учеб. пособие по курсу "Динамические машины" / Под ред. П.И. Пластинина. - М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1988. - 44 с.

2. Воздуходувки в системах аэрации воды / В.Н. Сергеев, В.Н. Хмара, Л.Н. Белотелова и др. // Журнал С.О.К. - 2005. - № 1. - С. 45-49.

3. П а т е н т РФ № 2070993, 27.12.1996.

4. European Patent Specification EP 0 646 728 B1, 27.12.1993.

5. U n i t e d States Patent № 5499900, 19.04.1996.

6. А н о х и н В. Д. Исследования вихревого вакуум-компрессора: Дисс. ... канд. техн. наук. - М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1975. - 66 с.

7. Виршу бский И. М., Р е к с т и н Ф. С., Шквар А. Я. Вихревые компрессоры. - Л.: Машиностроение, 1988. - 272 с.

Статья поступила в редакцию 15.06.2011