CC BY
104
УДК 621.51
В. Н. Сергеев, В. Н. Х м а р а, Л. Н. Белотелова, С. А. Оськин
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ МАШИН В РЕЖИМЕ ТУРБОПРИВОДА
Приведены результаты исследования вихревых машин в режиме турбопривода. Показаны пути повышения эффективности вихревого турбопривода.
E-mail: vozduhoduvka@mail.ru
Ключевые слова: вихревая машина, турбопривод, проточная часть, рабочее колесо.
Вихревые машины относятся к машинам динамического действия, имеют все их преимущества (сухая проточная часть, простота, надежность и т.д.) и занимают особое место среди динамических машин. Этим вихревые машины обязаны особому механизму энергообмена между рабочим телом и колесом. В отличие от классических центробежных и осевых турбомашин частицы рабочего тела (газа) вихревой машины движутся в ее проточной части по сложной пространственной спиралевидной траектории, многократно взаимодействуя с лопатками рабочего колеса. Благодаря такому механизму энергообмена вихревые нагнетатели способны создавать значительные напоры в одной ступени при сравнительно низких производительности и оборотах колеса, что отличает их от классических турбомашин, которые обычно получаются высокооборотными.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана проведен ряд исследований вихревых машин на режиме турбопривода. Исследования показали, что вихревая машина — это обратимая машина, т.е. она способна работать как нагнетатель и как турбопривод. При этом механизм энергообмена остается одним и тем же в обоих случаях. Вихревой турбопривод при малых расходах получается низкооборотным по сравнению с турбо-приводом классических турбомашин, что позволяет создавать безре-дукторные турбоприводы, например электрогенераторы. Такие конструктивно простые, надежные и дешевые электрогенераторы могут быть использованы, например, для утилизации энергии сжатого газа или пара на газораспределительных станциях (ГРС) или котельных. Расчеты показывают, что привод ГРС со среднесуточным расходом газа 4500 нм3/ч и понижением давления от 1-1,3 до 0,2 МПа позволяет получать мощность до 70 кВт [1].
Исследования, проведенные в МГТУ им. Н.Э. Баумана, показали, что на эффективность работы вихревой машины значительно влияет интенсивность вихревого движения газа в проточной части. В свою
Рис. 1. Схема ступени вихревого турбопривода
очередь, на интенсивность вихря влияет целый ряд факторов, в частности тип проточной части. При этом выбор типа проточной части зависит и от заданного режима работы (привод или нагнетатель).
В работе [2] выполнено исследование проточной части турбопривода с внутренним периферийным каналом. Схема ступени турбопривода показана на рис. 1. Рабочее колесо 1 вращается в корпусе 2 с малыми радиальными и торцевыми зазорами. Рабочий канал 3 корпуса разделен отсекателем 4, отделяющим области высокого и низкого давлений. Воздух подводится и отводится через окна в канале и подсоединенные к ним входной 5 и выходной 6 патрубки. На колесе имеются лопатки 7, закрепленные под углами к оси вращения и радиусу колеса (ву — угол установки и вл - угол наклона).
Вектор абсолютной скорости частицы газа в процессе продольно-вихревого движения в проточной части является векторной суммой трех составляющих скорости: Си — окружной, Со — меридиональной и Сг — радиальной. При этом элементарные частицы газа попеременно двигаются то в канале, то в межлопаточном пространстве колеса. В общем случае в зависимости от принятого типа проточной части действие поля центробежных сил проявляется либо в интенсификации меридионального вихря, либо в его ослаблении или полном гашении. При работе в сжимаемой среде на режиме пневмопривода необходимо принимать во внимание также влияние поля центробежных сил на деформацию линий тока газа в рабочем канале ступени. Суммарное влияние центробежных сил от окружной (Си) и меридиональной (Со) составляющих скорости сказывается в уплотнении линий тока на периферии проточной части. В проточной части с внутренним периферийным каналом кроме положительного влияния поля центробежных
сил на вихреобразование происходит уплотнение линий тока в рабочем колесе. В этой схеме большая часть массы газа взаимодействует с лопатками колеса по сравнению со схемой проточной части с внешним периферийным каналом. В работе [2] показано влияние поля центробежных сил на течение в рабочем канале. Принимая, что линии тока лежат на тороидальных поверхностях, учитывая усредненные значения окружной и меридиональной (ши, ше) угловых скоростей частиц газа, получаем
AP 2 т-> ( r 2 шеr
—Г- = У, j = sm а + sm а + -Ô
рДг \ R шuR,
где jr — сумма центростремительных ускорений, действующих в радиальном направлении меридионального сечения; AP/Ar — градиент давления в этом направлении; R и r — радиусы окружностей диаметром D и d (см. рис. 1); а — центральный угол в плоскости
меридионального сечения проточной части (см. рис. 1, точки 1 и 2).
-
Величина Jr = —-— может быть различной и значительной, что
шиR
приводит к уплотнению линий тока на периферии проточной части, т.е. в колесе. Повышение эффективности вихревого турбопривода вследствие применения рассмотренного типа проточной части, оказывается существенным. Это подтверждается данными работы [3], в которой отмечено, что уровень адиабатического КПД проточной части с внешним периферийным каналом, если не применять дополнительных мероприятий, составляет лишь 10... 13 % против 30... 33 %, полученных в работе [2]. Это объясняется отрицательным действием центробежных сил на формирование вихря во внешнем периферийном канале. Отметим, что сравнительно невысокий общий уровень КПД вихревого турбопривода вызван отчасти тем, что исследовались малоразмерные турбины, для которых, вследствие влияния значительных относительных зазоров и других параметров, КПД не превышает 50% даже для классических турбин [4].
Тем не менее в работе [3] приведены резервы для повышения эффективности даже проточной части с внешним каналом.
Газ (рис.2) через сопло 1 поступает в проточную часть, образованную каналом 2 корпуса 3 и межлопаточными каналами 4 рабочего колеса 5, вращающегося в корпусе с малыми радиальными 6 и торцевыми 7 зазорами. Вектор абсолютной скорости частицы газа, движущейся в проточной части, является векторной суммой трех составляющих: окружной Cu (тангенциальной, расходной), меридиональной Ce (циркуляционной) и радиальной Cr. Средняя окружная составляющая скорости Си(с р) (среднерасходная скорость) рабочего колеса в кана-
А-А
Вид Б
В-В
Ъ
а
Рис. 2. Схема проточной части вихревого турбопривода
ле больше окружной скорости u рабочего колеса. Чтобы эффективно использовать энергию рабочего тела, находящегося в канале, нужно организовать продольно-вихревое движение по длине проточной части.
Отметим, что при работе вихревой машины на режиме привода в сжимаемой среде уменьшается масса газа, переносимая в межлопаточных каналах рабочего колеса в единицу времени (из-за уменьшения плотности рабочего тела по длине проточной части) и увеличивается окружная скорость в канале корпуса. Таким образом, спиралевидные линии тока как бы растягиваются, что, в свою очередь, приводит к уменьшению числа взаимодействий рабочего тела с лопатками рабочего колеса, приходящегося на единицу длины проточной части от входа к выходу ступени. Поэтому в вихревом пневмоприводе важно так организовать поток газа, чтобы обеспечить интенсивную передачу энергии на начальном участке проточной части. В работе [3] это достигнуто применением сопла, определенным образом ориентированного относительно лопаток рабочего колеса.
Укажем также на возможность образования и интенсификацию продольно-вихревого движения, являющегося базовым при передаче энергии от рабочего тела лопаткам колеса. В результате известных исследований тороидальных труб выявлено, что в проточной части вихревого пневмопривода в принципе может быть организовано устойчивое продольно-вихревое движение посредством простых конструктивных мероприятий, например смещением оси сопла относительно оси симметрии по ширине колеса.
Отметим ряд других положительных особенностей, связанных с применением сопла: возможность эффективной работы больших перепадов давлений в одной ступени, понижение уровня давлений в рабочем канале, уменьшение ударных потерь при выходе во время режима раскрутки и др.
В результате использования сопла в проточной части с внешним периферийным каналом был достигнут уровень КПД примерно 30%, т.е. такой же, как в проточной части с внутренним периферийным каналом. Поскольку схема с внешним каналом более технологична и позволяет размещать вдоль оси ротора несколько параллельных проточных частей, полученный в работе [3] результат, безусловно, важен.
Дальнейшим продолжением повышения эффективности вихревого турбопривода с внешним каналом явилась работа [5], в которой показано положительное влияние смещения оси сопла относительно оси канала, формы сечения сопла (прямоугольная, вытянутая в окружном направлении), расширяющегося от входа к выходу сечения канала и др. В итоге был достигнут уровень КПД, равный 42... 46%.
Результаты исследований были реализованы при создании пневмопривода вихревого типа для системы самообдува промышленных испарителей ИА-185, ИА-345 в НПО "Криогенмаш".
Поиск путей повышения эффективности вихревого турбопривода в работах [2, 3, 5] базируется на анализе структуры потерь, включающей в себя как гидравлические потери, потери на утечки и перетечки, потери на дросселирование во входном и выходном патрубках, так и потери, специфичные только для вихревых машин.
Принцип работы вихревой машины подразумевает наличие в рабочем канале отсекателя, разделяющего области высокого и низкого давлений. Перенос газа через отсекатель в межлопаточном пространстве колеса из одной области в другую — это тоже потери. В режиме турбопривода с этим переносом связана потеря давления при смешении масс газа, поступающих в канал через патрубок входа, и масс, переносимых через отсекатель. Кроме того, при таком смешении происходит охлаждение газа, поступающего через патрубок входа, что тоже является потерей. Оригинальная попытка получить канал без отсекателя была запатентована. В предлагаемом решении [6] периферийный канал выполнен винтовым (рис. 3). Вход в канал и выход из него организован со стороны торцов ротора.
Отсутствие отсекателя позволяет избежать связанных с ним потерь. Имеющиеся перетечки вдоль межлопаточного канала 3 ротора 1 происходят через ряд витков канала 4 статора 2 и участвуют при этом в подкрутке существующих в канале 4 продольных вихрей, повышая тем самым КПД. Достоинством схемы является отсутствие радиальных усилий на роторе и возможность выполнения канала неограниченной длины.
Рис. 3. Схема вихревой машины с винтовым периферийным каналом
Опытный образец турбопривода с винтовым каналом был изготовлен и успешно испытан в 1996 г. на Наро-Фоминском заводе электроизоляционных материалов в составе устройства для намотки барабана рулонным материалом. Применяя турбопривод, упростили устройство за счет исключения из него фрикционного вариатора. Переменную нагрузку на привод отслеживали простым регулированием подачи воздуха в турбопривод.
В заключение следует отметить, что в последнее время внедрение в практику исследований трехмерного моделирования с последующей печатью сложной объемной модели позволяет расширить диапазон испытаний различных типов проточных частей вихревых турбомашин и не ограничиваться только типами, приведенными в настоящей статье.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Денисов-ВинскийН. Д., Сергеев В. Н. Установка для утилизации энергии магистрального газа на базе вихревой машины // Вакуумная и компрессорная техника и пневмоагрегаты. Сб. трудов I Всерос. студ. науч.-практич. конф. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЗАО "Атлас Копко", 2008. - С. 75-81.
2. Сергеев В. Н. Разработка пневмопривода вихревого типа с внутренним периферийным каналом и исследование влияния газодинамических и геометрических параметров на его эффективность. Дисс. ... канд. техн. наук. - М.,1983.
- 127 с.
3. В а н е е в С. М. Разработка и исследование вихревого пневмопривода с внешним периферийным каналом и сопловым аппаратом. Дисс. ... канд. техн. наук.
- М.,1986. - 183 с.
4. НаталевичА. С. Воздушные микротурбины. - М.: Машиностроение, 1970.
5. Староверов К. В. Совершенствование и исследование вихревой машины с периферийным каналом в режиме пневмопривода. Дисс. ... канд. техн. наук.
- М.,1990. - 137 с.
6. Патент РФ № 2002112 от 05.11.1991г.
Статья поступила в редакцию 15.04.2011
