CC BY
14
УДК 621.6: 621.515
A.Д. Ваняшов, A.D. Vanyashov
B.Б. Kapaôanoea, V. V. Karabanova, e-mail: adv@omgtu.ru
Омский государственный технический университет, г. Омск. Россия ОАО «Сибнефтетранспроект». г. Омск. Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia JSC «Sitmeftetransproekt», Omsk Russia
ВЛИЯНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ СЕЧЕНИЙ II СПОСОБОВ ОСРЕДНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОТОКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛОПАТОЧНОЙ РЕШЕТКИ ВХОДНОГО НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ТУРБОКОМПРЕССОРА
INFLUENCE OF PROVISION OF CONTROL SECTIONS AND WAYS OF AVERAGING OF PARAMETERS OF THE SPATIAL STREAM FOR OBTAINING INTEGRATED CHARACTERISTICS OF THE SCAPULAR LATTICES OF THE ENTRANCE DIRECTING DEVICE TURBOCOMPRESSOR
Приведены результаты определения коэффициента потерь и угла отставания потока для лопаточной решегкн входного направляющего аппарата турбокомпрессора с использованием программы ANSYS CFX и методик, твесгаых их литературных источников, проанализировано влияние положения плоскостей отбора и осреднения параметров.
Results definitions of coefficient of losses and a comer of lag of a stream for a scapular lattice of the entrance directing device of a turbocompressor with use of the ANSYS CFX program and techniques, their known references are given, influence of provision of the planes of selection and averaging of parameters is analysed.
71
Ключевые слова: турбокомпрессор, входной поправляющий annapain, коэффициент потерь, угол отставания потока, лопаточная решетка
Keywords: turbocompressor, The enîrance directmg device, coefficient of lasses, corner of iag of a stream, scapular lattice
Исследование отдельных элементов проточной части турбокомпрессора (ТО), к которым относятся как рабочее колесо (РК). так и неподвилшые элементы (всасывающие камеры, входные направляющие аппараты, диффузоры, выходные устройства и др.) является неотъемлемой частью для целей проектирования новых машин. Проектирование центробежных компрессоров в настоящее время осуществляется по трем методам:
1) метод прямого газодинамического расчета для поэлементного определения параметров компрессора для ноьшнального (расчетного) режима (при отсутствии базы данных по испытаниям модельных ступеней и натурных машин);
2) метод моделирования газодинамических характеристик (ТДХ), основанный на использовании результатов испытаний модельных ступеней (позволяет создать проточную часть компрессора с использованием теории подобия);
3) метод с использованием поэлементного синтеза газодинамических характеристик отдельных элементов проточной части, полученных по результатам их продувок как в составе проточной части, так и в специальных стендах (применим в случае отсутствия подходящих модельных ступеней).
Таким образом, исследование отдельных элементов проточной части особенно актуально для 1-го и 3-го методов проектирования. В исследованиях газодинамических процессов в элементах проточной части немаловажное значение имеет определение коэффициентов потерь энергии в них, которые формируют величину политропного КПД ступени ТО
Одним из элементов проточной части является входной направляющий аппарат (ВТТА), устанавливаемый перед РК и предназначенный для регулирования ТК за счет создания положительной или отрицательной закрутки потока перед входом на лопатки РК (изменение теоретической работы Л. Эйлера). В НА применяется в конструкциях ТК не часто и сравнительно мало исследован.
Для решения задач проектирования и расчета режимов работы ТК с ВНА, первоочередное значение имеет достоверное определение двух параметров: коэффициента потерь энергии в лопаточной решетке ВНА при различных углах установки лопаток и угла отставания потока от геометрического утла установки лопаток.
Экспериментальное исследование коэффициентов потерь выполняются либо с помощью продувок отдельных элементов проточной части стационарным потоком воздуха, либо с помощью измерений давлений и температур в сечениях до и после исследуемого элемента на работающей компрессорной машине
В любом случае, коэффициент потерь определяется по формуле
Р* -Р*
-__ ни ont
^! _ 0ЛС2р. *
m
где Ри F''oai -полные давления, осредненные по сечению, соответственно на входе и выходе из элемента проточной части; CÎM - скорость, осреднения» по расходу, через сечение на входе в элемент проточной части; р1г: - плотность газового потока в сечении на входе в элемент проточной части
Угол отставания потока от геометрического угла установки лопатки характеризует насколько лопатка «недотворачивает» поток, т.е. обусловлен инерционностью потока: 5* = 9Я - в* или 5* = а -ая
Для определения угла отставания потока, на номинальном режиме (при отсутствии углов атаки при входе на лопатку), в специальной литературе по аэродинамике, осевым и центробежным компрессорам, рекомендуется использовать эмпирические формулы А. Хауэлла, Картера [1-4]. Исследования радиальных В НА для стационарных ТК выполнялись под руководством Г.Н. Дена, в частности, В.Г. Соловьевым на Невском заводе [5-8]. Для случаев, когда используются ограниченные экспериментальные данные (без поэлементных испытаний), в ОКО «Союз» под руководством О Н. Фаворского разработана методика [9] Сданные ФIII Гельмедова и Г.А. Комиссарова). Исследования компрессорных и турбинных (конфузорных) лопаточных решеток, выполнялись Г.Ю Степановым и В.Л. Эппггейном [10]. решеток ВНА - А.П. Комаровым [11].
Как известно, эмпирические зависимости имеют ограниченную область применения и справедливы с приемлемой точностью для аналогичного конструктивного исполнения лопаточных решеток и условии их работы в составе ТК. Для авиационных высоконапорных ТК с осерадиальным РК и ВНА., характерно наличие предварительной закруши в сторону вращения РК работа в области высоких окружных скоростей (условные числа Маха Ми>1,0). Из обзора и анализа литературных источников по методикам расчета коэффициентов потерь и углов отставания потока следует, что в описании рекомендуемых эмпирических зависимостей отсутствует информация о способах получения и осреднения измеряемых величин.
Для сравнительного анализа результатов расчета углов отставания потока и коэффициентов потерь выбрана лопаточная решетка регулируемого ВН4. входящего в состав проточной части ТК, исследованного в ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро» (ОМКБ) [13]. В исходном положении лопатки ВН4 повернуты на 25,2 по хорде (0вгу=25,2о) и на 39,8° (9^=3 9, Вс) по направлению касательной к средней линии лопатки в выходном ее сечении (на середине лопатки). Под углом поворота лопаток ВНА понимается его значение относительно исходного положения лопаток.
С целью сопоставления результатов расчета по перечисленным эмпирическим зависимостям, определения качественных характеристик и количественных значений можно использован численный метод расчета в программном комплексе АКБУВ СБХ.
Для изучения влияния мест отбора параметров (давления, температуры, скорости) по отношению к входной и выходной кромок лопаток ВН4 и способов их осреднения, для расчета интегральных параметров, были выбраны следующие контрольные сечения: I - вход О'-О", выход 1-1: II - вход О'-О1, выход I1 Г; Ш - вход 0-0, выход Г Г. Результаты расчета коэффициента потерь £вна и углов отставания потока для каждого угла поворота лопаток ВНА Д6Л, осредненные по расходу, изображены на графиках на рис. 1-2.
Рис.1. Расчетные зависимости коэффициента потерь в лопаточной решетке ВНА от утла поворота лопагок
.-.-,-fi.no -.-.-,-.
-15 -10 0 ? 10 15
20
2^
30
40
50
" град
Рнс.2. Расчетные лначення угла отставания потока ог лопатки
Как видно го результатов расчета, имеют место существенные расхождения даже для нулевого угла атаки (исходное положение). Расхождение между минимальным и максимальным значениями коэффициента потерь составляет почти 90%. Группа методов (А.П. Комаров, Г.Ю. Степанов, В.Л. Эпштейн) дает схожий характер зависимости l^ha =/(Авл) и близкие значения (расхождение не превышает 20%). Функция, построенная по зависимости Г.Н. Дена и В.Г. С оловьева и скорректированная на величину хорды лопатки, имеет аналогичный характер и близкие значения с обобщенными данными расчетов в ANSYS CFX в области положительных углов атаки.
Анализ выбора положения плоскостей осреднения параметров в ANSYS CFX позволяет сделать вывод, чго погрешность в расчете коэффициента потерь составила порядка 30%. Очевидно, что приближение плоскостей отбора непосредственно к входным и выходным кромкам лопаток и осреднение параметров по площади сечения снижает коэффициент потерь. приближая его к данным [9], особенно в области нулевых и отрицательных углов атаки
По данным ANSYS CFX минимум коэффициента потерь приходится на Л9л=-15°, а в диапазоне Д0Л=-1О...-2О° изменение потерь незначительно. Этот результат является неожиданным, поскольку исходному положению лопаток ВНА (A6n=0°) соответствует нулевой угол атаки (i=0°). Однако, проводя анализ между графиками на рис. 1 и рис. 2 следует отметить, что минимальные значения углов отставания потока, также, как и величины коэффициента потерь, лежат в диапазоне -10...-20°. Анализ графиков углов отставания (рис. 2) показывает, что расхождение в его определении также существенно, достигая 60%, причем наблюдается даже изменение принципиатьного характера зависимости l|bha=^(Ai5i).
По результатам выполненной работы следует вывод, что актуальной задачей является проведение дополнительных исследований лопаточных решеток ВНА, как экспериментальных, так и теоретических, с целью получения достоверных расчетных зависимостей. Это необходимо для разработки уточненной методики теоретического расчета ГДХ ТК при изменении закрутки потока перед РК, создаваемой поворотом лопаток ВНА.
Библиографический список
1. Howell. Fluid dinámica of axial compressors // Journal Proc. Inst Mech. Eng. - 1945. -V. 153. - P. 12.
2. Кампеш, H. Аэродинамика компрессоров / H. Кампеш ; пер. с англ. - М.: Мир, 2000 - 688 с.
3. Брусилов скин И. В. Аэродинамика осевых вентиляторов ■ И. В. Брусиловский -М.: Машиностроение, 1984. - 240 с.
4. Селезнев, К. П. Теория и расчет турбокомпрессоров / К. П. Селезнев, Ю. С. Подо-
буев, С. А. Анисимов. - Л.: Машиностроение, 1968 - 408 с.
5. Ден, Г. Н. Механика потока в центробежных кто агрессорах / Г. Н. Ден, - Л.: Машиностроение, 1973. - 272 с.
6 Ден, Г. Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров / Г. Н Ден, - Л.: Машиностроение, 1980. - 232 с.
7. Ден, Г.Н. Некоторые результаты исследований проточных частей ЦКМ с входными регулирующими аппаратами / Г. Н. Ден. В. Г. Соловьев // Энергомашиностроение. - 1971. -№7.-С. 19-23.
8. Кондратьев, В. Н. Оптимальные режимы работы ступени центробежного компрессора с входным регулирующим аппаратом / В. Н. Кондратьев, В. Г. Соловьев // Энергомашиностроение - 1989.-№1_- С. 14-15.
9. Довжик. С. А. Исследования по аэродинамике осевого дозвукового компрессора. -М.: Труды ЦАГИ, 1968. - 280 с. - Вып. 109.
10. Холщевников, К. В Теория и расчет авиационных лопаточных машин ! К. В. Холщевников. -М. : Машиностроение, 1987. - 610 с.
11. Комаров, А. П. Исследование плоских компрес сорных решеток / А. П Комаров 7 Лопаточные машины и струйные аппараты. - М.. 1967. - С. 67-110.
12. Бунимович, А. И. Обобщение результатов исследования плоских компрессорных решеток при дозвуковой скорости / А. И. Бунимович. А А. Святогоров // Лопаточные машины и струйные аппараты. - М., 1967. - С. 36-64.
13. Результаты экспериментальных исследований центробежной компрессорной ступени с осерадиальным рабочим колесом и входным регулирующим аппаратом / А. Д. Ванжпов. А. В. Жерелевич, А. В Грехнев, Д. Я. Дудьев // Омский наличный вестник. -2010. - № 2 (90). - С. 105-108.
