CC BY
34
Ю. А. Фирсова, Э. Р. Хабибуллина, И. Г. Хисамеев СРАВНЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ОКРУЖНОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ДАВЛЕНИЯ, СОЗДАВАЕМОЙ КОЛЬЦЕВОЙ СБОРНОЙ КАМЕРОЙ
Ключевые слова: кольцевая камера, окружная неравномерность давления.
Представлены графики результатов, полученных расчетным и экспериментальным путем по неравномерности давления в кольцевых сборных камерах.
Keywords: the ring modular chamber, non-uniformity of pressure.
Schedules of the results received settlement and experimentally on non-uniformity ofpressure in ring modular are presented.
Кольцевая сборная камера КСК, в силу своих конструктивных особенностей, являются основными источниками окружной неравномерности потока. К настоящему времени проведено довольно большое количество экспериментальных исследований по распределению давления по длине выходных устройств [1, 2, 3]. Определение окружной неравномерности параметров потока в ступени центробежного компрессора ЦК необходимо для расчета радиальных сил, воспринимаемых опорными подшипниками компрессора. Неравномерность давления по окружности рабочего колеса РК также влияет на осевые усилия и изгибающий момент, действующие на ротор ЦК [1, 2]. Кроме того, окружная неравномерность давления является причиной возникновения вынужденных колебаний периферийных частей дисков РК между лопатками, что может привести к их разрушению. Зная величину окружной неравномерности давления, можно качественно оценить уровень газодинамических усилий. Для количественной оценки усилий, действующих на ротор, помимо распределения давления по окружности, необходимо знать распределения давления по дискам рабочего колеса, кинематику потока на входе и выходе из рабочего колеса.
Уравнение для расчета окружной неравномерности давления в КСК получено на основе уравнения движения жидкости с переменным расходом. При этом было принято допущение о пропорциональности расхода потока V углу разворота КСК
9 , т.е. V = V • е.
Уравнение для расчета распределения давления по длине КСК в зависимости от относительного угла разворота имеет вид:
- при 9 = 0...0,75
АРе= 2 ^ 2^^ ф - 2 • Р, • ^(«4 )9\ (1)
1 + («4 )
- при 9 = 0,75...1
р(е) р(о ) - статическое давление соответственно в контрольном 0-ом сечении и сечении при 0 = 0; а 4
- угол потока из предшествующего КСК элемента; Рк - относительная площадь поперечного сечения КСК.
Подробный вывод уравнений (1) и (2) был рассмотрен в статье [4].
Для проверки соответствия расчетных уравнений (1) и (2) реальной картине, а также для определения области применения выполнены экспериментальные исследования распределения давления по длине КСК с тангенциальным выходным патрубком. В качестве метода экспериментального исследования был принят метод статических продувок. На стенде статических продувок производилось варьирование размеров входного и поперечного сечений КСК, введение в полость газосборника разделительных ребер при исследовании распределения давления по длине КСК.
Исследование моделей на стенде статических продувок проводилось при значениях чисел Рейнольдса потока в БЛД модели Ре = (0,3... 1,4) • 10 5, что примерно соответствует значению чисел Яе в реальных машин. На стенде статических продувок была исследована модель 1С, геометрические параметры которой приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Геометрические параметры модели 1С
Внутренний диаметр Бвн, мм Наружный диаметр Бн, мм FK Вариант
370 550 1,643 1 2 3
370 550 2,19 4 5 6
370 550 2,86 7 8 9
370 550 3,487 10 11 12
д_ = 2 - F -tg(a4) . \ \ у 0 _ tg( ). ^ (2)
1 + tg2 (a4 )
гДе Дрв = 2-\р(в) _р(0)]/(о-с42) - относительное статическое давление в 0-ом сечении КСК;
Каждый из представленных вариантов КСК отличается геометрическими параметрами и наличием полного или неполного ребра, полностью или частично перекрывающим проходное сечение камеры. Особенностью всех вариантов КСК с разделительными ребрами является более высокое, по срав-
нению с камерами без ребер (вар. 1, 4, 7, 10), оптимальное значение 1да4. Установка полного разделительного ребра в камере с радиальным выходным патрубком увеличивает значение 1да4опт в 1,31 - 1,59 раза (в зависимости от ширины БЛД), а в камере с тангенциальным патрубком - примерно в 1,1 - 1,2. Следовательно, более сильное влияние полного разделительного ребра на 1да4опт наблюдается в камерах с радиальным выходным патрубком.
Установка неполных разделительных ребер увеличивает значение 1да4опт, но в меньшей степени, чем при полных разделительных ребрах. Для КСК с радиальным выходным патрубком - в 1,2 - 1,5 раза. Таким образом, при проектировании КСК с радиальным патрубком для получения наименьшей величины А Ре можно рекомендовать установку полного разделительного ребра.
На рис. 1,2 и 3 показаны распределения относительной величины давления АРе по углу разворота КСК с тангенциальным патрубком, полученные расчетным путем по выражениям (1) и (2) (показаны сплошной линией) и экспериментально для трех вариантов 1, 2 и 3 (в виде точек на рисунке).
Рис. 1 - Распределение давления по углу поворота (вариант 1, без ребра)
Рис. 2 - Распределение давления по углу поворота (вариант 2, неполное ребро)
Для всех исследованных вариантов КСК следует отметить удовлетворительное качественное совпадение теоретических и экспериментальных данных. Кроме того, в зоне, удаленной от нагнетательного патрубка КСК, наблюдается и количественное согласование результатов. Различие между расчетными и оптимальными данными по распределению давле-
ния на участках 9 < 1 практически для всех исследованных вариантов не превышает 6 - 9 %.
Рис. 3 - Распределение давления по углу поворота (вариант 3, полное ребро)
При этом сходимость рассчитанных по формулам (1) и оптимальных значений А Ре не зависит от типоразмера КСК: формы поперечного сечения, наличия того или иного типа разделительного ребра. Таким образом, можно сделать вывод о том, что на точность теоретического значения АРе влияют только погрешности определения величин оптимального угла потока на входе в КСК а 40пт и относительной площади меридионального сечения Рк. Объекты экспериментального исследования охватывают диапазон относительной площади поперечных сечений КСК Рк = 1,6 - 3,5 и режимы их оптимальной работы, соответствующие углам потока на входе. Из анализа рис. 1,2 и 3 видно, что расхождение расчетных и экспериментальных значений
АРе не зависит от абсолютной величины Рк и а 4опт , по крайней мере, в указанных диапазонах их изменения, которые характерны для используемых в практике компрессоростроения ступеней ЦК.
Вывод о том, что расхождение экспериментальных и расчетных значений АРе не зависит от
наличия и типа разделительного ребра, сделан на основании сравнения графиков распределения
А Ре = Ї (е) для вариантов КСК, исследованных методом статических продувок и отличающихся только типом перегородок, установленных в месте соединения нагнетательного патрубка НП с газосбор-ником КСК (табл. 1). Расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями величины АРе в области углов 9 < 1 практически равны. Наличие перегородки в области нагнетательного патрубка в кольцевых камерах способствует увеличению окружной неравномерности давления (в среднем на 2 - 4%) по длине КСК. Это приводит также к смещению оптимальных режимов работы КСК в область больших расходов по сравнению с КСК без разделительных ребер. В общем случае, данный факт объясняется изменением структуры
потока в области его выхода в нагнетательный патрубок КСК.
Таким образом, расчет величины распределения давлении АРе по полученным уравнениям (1)
и (2) позволяет качественно охарактеризовать течение потока в КСК при ее работе на режимах, отличных от оптимального.
Литература
1. Фирсова, Ю.А. Влияние окружной неравномерности давления на работу центробежного компрессора / Ю.А. Фирсова, И.Г. Хисамеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. Т. 14. - № 5. - С. 132136.
2. Фирсова, Ю.А. Расчет распределения давления по длине кольцевых сборных камер центробежного компрессора с тангенциальным патрубком / Ю.А. Фирсова, К.И. Лу-говнин, И.Г. Хисамеев // Компрессорная техника и пневматика. - 2009, вып. 1. - С. 26-29.
3. Луговнин, К.И. Особенности расчета кольцевых сборных камер центробежных компрессоров / К.И. Луговнин, А.А. Мифтахов, Ю.А. Фирсова // Труды XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. Том 1/ЗАО «НИИтурбо-компрессор им. В.Б. Шнеппа». - Казань: Изд-во «Слово». - 2007. - С. 398-403.
4. Фирсова, Ю.А. Расчет неравномерности давления по длине кольцевой сборной камеры центробежных компрессоров / Ю.А. Фирсова, Э.Р. Хабибуллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. Т. 15. - № 5. - С. 154-157.
© Ю. А. Фирсова - канд. техн. наук, доц. каф. холодильной техники и технологий КНИТУ, firsovay@mail.ru; Э. Р. Хабибуллина - магистр КНИТУ; И. Г. Хисамеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. холодильной техники и технологий КНИТУ.
