Треугольники скоростей центробежного компрессора

Центробежный компрессор находит широкое применение в транспортных и авиационных двигателях (ГТД), в газотурбинных установках замкнутого цикла (ЗГТУ), а также в стационарных установках и на вертолетных газотурбинных двигателях в качестве последней ступени осецентробежного компрессора.

При вращении колеса воздух по каналам, образованным лопатками, нагнетается к периферии. Перед колесом образуется разрежение и наружный воздух непрерывно по входному устройству поступает к колесу. В рабочем колесе к потоку подводится механическая энергия, под действием которой в рабочем колесе происходит сжатие рабочего тела ( > ) и увеличивается кинетическая энергия потока в абсолютном движении ( > ). Из рабочего колеса газ поступает в диффузор, в котором площадь сечения увеличивается с возрастанием радиуса. Согласно уравнению неразрывности при этом постепенно снижается скорость потока. В соответствии с уравнением Бернулли кинетическая энергия в диффузоре переходит в энергию давления.

Рис. 1. Схема конструктивных типов рабочих колес:

а)-открытое; б)-полуоткрытое; в)-закрытое

На рис.1 приведены схемы применяемых конструкций рабочих колес центробежных компрессоров. Рабочее колесо открытого типа имеет отдельные лопатки, укрепленные на втулке. При использовании РК открытого типа возникают повышенные концевые потери, связанные с перетеканием воздуха. Поэтому, несмотря на сравнительную конструктивную простоту, этот тип колес имеет ограниченное применение. Рабочие колеса закрытого типа обеспечивает наибольшее значение КПД. Наличие покрывного диска снижает концевые потери. Однако этот тип колеса конструктивно значительно сложнее других и имеет меньшую окружную скорость вращения, допускаемую по условиям прочности. До последнего времени наиболее часто применялось РК полуоткрытого типа, сочетающее достоинство открытых (простота изготовления) и закрытых (уменьшенные концевые потери) колес.

При исследовании рабочего процесса в центробежном компрессоре применяется понятие степени реактивности:

Треугольники скоростей для колес с различной степенью реактивности приведены на рис.2.

Рис. 2.Треугольники скоростей РК центробежных компрессоров с различной степенью реактивности:

а–лопатки загнутые против вращения; б–радиальные лопатки; в–лопатки загнутые по вращению

Для радиально расположенных лопаток получим: и . Треугольник скоростей на выходе из РК в этом случае приведен на рис.2,б. В действительности, , происходит существенное увеличение скорости абсолютного потока и, следовательно, уменьшение степени реактивности. В связи с уменьшением степени реактивности в колесах с > их называют активными. При наибольшем коэффициенте теоретического напора и, следовательно, при большем напоре при заданной окружной скорости РК с > обладают наиболее пологим протеканием характеристики ступени и эффективность работы лопаточного диффузора трудно обеспечить в связи с большим значением скорости набегающего на лопатки диффузора потока воздуха.

На рис.3 показана зависимость общей теоретической работы от производительности при различных выходных углах лопаток:

Рис. 3. Зависимость общей теоретической работы от производительности при различных выходных углах лопаток

Испытания проводятся на стенде «Ступень центробежного компрессора», конструктивная схема которого представлена на рис.4.

Рис. 4. Схема стенда «Ступень центробежного компрессора»:

1–входное устройство; 2–рабочее колесо; 3–электродвигатель; 4–датчик тахометра; 5–дроссель; 6–обратный радиальный направляющий аппарат; 7–выходная емкость

Рабочее колесо 2 приводится во вращение электродвигателем 3. Воздух поступает в компрессор через входное устройство 1, мерная часть которого выполнена по лемнискате в соответствии с ГОСТ 27-64. Тем самым создается равномерное поле скоростей перед компрессором. На выходе из компрессора находится обратный радиальный лопаточный аппарат 6, из которого воздух обтекая электродвигатель поступает в выходную емкость 7, проходя затем дроссельную заслонку 5.

Путем изменения частоты вращения электродвигателя и положения дроссельной заслонки можно установить режим работы компрессора в требуемом диапазоне изменения параметров .

Рис. 5. Рабочее колесо компрессора

Рабочее колесо центробежного радиального компрессора полуоткрытого типа имеет следующие параметры (рис.5):

— диаметр входа;

— диаметр выхода;

— высота лопатки на входе в колесо;

— высота лопатки на выходе из колеса;

— угол входа потока;

— угол выхода потока из рабочего колеса;

Видео:Турбинная ступень. Треугольники скоростейСкачать

— число лопаток;

— толщина лопатки;

— радиус изгиба лопатки;

— радиус окружности, на котором располагаются центры дуг изгиба лопаток.

В процессе проведения эксперимента измеряются:

перепад давления на входном мерном устройстве

температура окружающей среды

полное давление на входе в компрессор

температура воздуха на выходе из рабочего колеса

температура воздуха на выходе из компрессора

Читайте также: Дымогенератор для холодного копчения своими руками чертежи без компрессора

давление заторможенного потока на выходе из компрессора

статическое давление на выходе из компрессора

частота вращения ротора

сила тока

напряжение

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТУПЕНИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Экспериментально получить характеристики ступени центробежного компрессора в виде зависимостей: , , , , .

При работе компрессора в какой-либо системе в связи с изменением режимов работы системы изменяются параметры на входе в компрессор и меняются свойства рабочего тела (воздуха). Например, при работе компрессора в составе авиационного двигателя в связи с изменением высоты и скорости полета изменяются параметры на входе: давление , температура , расход рабочего тела , частота вращения , вязкость воздуха , его теплопроводность и теплоемкость и, следовательно, отношение теплоемкостей . Для КПД и степени повышения полного давления в общем случае можно записать следующие функциональные зависимости:

(1)

Приведенные зависимости, которые называются характеристиками компрессора, неудобны при их практическом использовании. Это связано с тем, что и зависят от многих переменных, что делает практически невозможным их графическое представление.

В связи с этим построение характеристик основывается на положениях теории подобия, позволяющей путем введения безразмерных параметров или критериев подобия уменьшить число переменных, определяющих характеристики лопаточных машин.

Явления подобны, если соблюдается геометрическое, кинематическое и динамическое подобие.

Если исследуется одна и та же машина, то изменение размеров вследствие термического расширения и упругих деформаций не учитывается и делается допущение, что геометрическое подобие сохраняется.

Для выполнения кинематического подобия необходимо, чтобы сохранялось подобие треугольников скоростей, т. е. Отношение окружной скорости к абсолютной в сходственных точках было бы одинаковым

Из теории подобия известно, что газодинамическое подобие в геометрически подобных системах будет выполнено, если критерии подобия равны. Применяя положения теории размерностей или рассматривая уравнения, описывающие явления на исходном и на подобном режимах, можно установить, что газодинамическое подобие определяется равенством следующих критериев:

Видео:Построение Планов скоростей компрессораСкачать

— показатель адиабаты;

— характеризующий влияние сжимаемости потока;

— характеризующий соотношение инерционных сил и сил вязкости в потоке на характер течения и потери от трения;

— характеризующий влияние на поток поля гравитационных сил;

— характеризующий физические свойства рабочего тела и не зависящий от параметров потока.

Если учесть, что для газа влияние гравитационного поля невелико , для воздуха , а в большинстве случаев лопаточные машины работают в такой области (автомодельной) изменения числа , что коэффициенты потерь не изменяются с изменением , то функциональную зависимость (1) можно представить в следующем виде:

(2)

Если вместо чисел употребить однозначно связанные с ними приведенные скорости , а вместо величину функции , то получим характеристику компрессора представленную в виде зависимостей:

(3)

где — приведенная окружная скорость.

Характеристики (3) справедливы для всего семейства геометрически подобных компрессоров и их удобно использовать, например, для определения размеров и параметров нового компрессора, для которого известна характеристика его геометрически подобной модели.

Для компрессоров определенных размеров более удобно использовать характеристики компрессора, в которых вместо и используются однозначно связанные с ними комплексные параметры и — называемые соответственно приведенным расходом и приведенной частотой вращения. Использование этих параметров представляется более удобным, так как они непосредственно связаны с такими важными параметрами компрессора как расход воздуха , частота вращения и параметрами воздуха на входе в компрессор и .

и значение температуры и давления при стандартных условиях на входе в компрессор,

— называется приведенным расходом, а т.к. он соответствует определенному значению , то можно его рассматривать в качестве параметра подобия.

Из условия можно записать для двух подобных режимов:

— называется приведенным числом оборотов.

Характеристики компрессора, построенные в виде зависимостей:

(4)

называют универсальными характеристиками и позволяют при одинаковых условиях на входе сравнивать параметры различных компрессоров.

Рис. 6. Типовая характеристика компрессора

Характеристика компрессора в форме зависимостей, определяемых соотношением (4) показана на рис.6. Важной особенностью характеристики компрессора является наличие границы устойчивой работы, называемой границей помпа. Левее этой границы, из-за резкого падения параметров и роста динамических нагрузок, работа компрессора недопустима. Вправо находится область устойчивых режимов, которые используются при работе компрессора в составе ГТД. На такую характеристику обычно наносят в виде топографических линий линии .

Читайте также: Ремень шкива компрессора газ 66

При заданных условиях эксплуатации центробежная ступень имеет производительность , а общая теоретическая работа определяется уравнением (ЦБК с 0 происходит заметный отрыв пограничного слоя. Это имеет место не во всей решетке одновременно, а в одном из ее каналов. Возникающий срыв приводит к загромождению этого канала и растеканию потока по обеим его сторонам. С одной стороны канала углы атаки возрастают, с другой уменьшаются. Рост углов атаки приводит к срыву потока в выходной части лопаток колеса. При этом образуются вращающиеся зоны отрыва. Угловая скорость их вращения в 2-3 раза меньше угловой скорости колеса. Такое течение называют вращающимся срывом. Дальнейшее уменьшение расхода газа через ступень компрессора связано с усилением срывных явлений, возбуждением вибраций.

С увеличением расхода сверх расчетного угол атаки уменьшается и становится отрицательным вследствие роста радиальной составляющей скорости. Это приводит к срывам потока с вогнутой поверхности профиля, резкому возрастанию потерь и, «запиранию» компрессора. Необходимо отметить, что в центробежных компрессорах с лопаточными диффузорами «запирание» определяется, как правило, режимом обтекания лопаток диффузора, существенно сокращая диапазон устойчивой работы компрессора по расходу.

4.3.ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Видео:Как рисовать треугольники скоростей на экзамене. Паровые турбиныСкачать

4.3.1. Обработка экспериментальных данных проводится на основании экспериментальных данных, полученных в лабораторной работе №1.

4.3.2. Абсолютное значение скорости потока на входе в колесо центробежного компрессора берется из лабораторной работе №1.

, так как (осевой вход в колесо).

4.3.3. Окружная скорость на входе в колесо:

где — диаметр входа потока в колесо,

— диаметр выхода потока из колеса,

— окружная скорость на выходе из колеса.

4.3.4. Угол входа потока в колесо:

где — геометрический угол входа потока в колесо.

4.3.6. Относительное значение скорости потока на входе в колесо:

4.3.7. Абсолютное значение скорости потока на входе в колесо на оптимальном (расчетном) режиме работы компрессора:

4.3.8. Относительное значение скорости потока на входе в колесо на оптимальном (расчетном) режиме работы компрессора:

4.3.9. Результаты расчета занести в таблицу (см. таблицу 3).

4.3.10. На миллиметровой бумаге построить треугольники скоростей на входе в колесо центробежного компрессора, построить зависимость .

Эксперимент проводится подгруппами по 6 человек. Каждый студент в подгруппе подробный расчет одного режима по расходу. Отчет должен содержать следующие части:

• цель работы;
• расчетные формулы;
• таблица с результатами вычислений;
• треугольники скоростей на входе в колесо центробежного компрессора;
• графическая зависимость ;
• краткие выводы по результатам работы.

КИНЕМАТИКА ПОТОКА НА ВЫХОДЕ ИЗ КОЛЕСА ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Исследование кинематики потока на выходе из колеса центробежного компрессора.

Исследование кинематики потока на выходе сводится к построению треугольника скоростей для различных режимов работы. Треугольник скоростей, при известной геометрии колеса и частоте вращения, может быть построен, если известны радиальная составляющая и окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из колеса.

Если предположить, что проточная часть рабочего колеса состоит из бесконечного числа каналов, образованных бесконечным числом лопаток нулевой толщины, то направление потока будет полностью соответствовать профилю лопаток. Газ будет выходить из рабочего колеса с относительной скоростью под углом , равным углу наклона лопатки при выходе из колеса.

Работа, затраченная на вращение колеса на каждый килограмм массы воздуха, согласно уравнению Эйлера (без учета трения боковых поверхностей диска колеса), определится по формуле:

и для осевого входа в колесо:

.

Здесь величина зависит от числа и длины лопаток. При конечном количестве лопаток уменьшается. При рассмотрении движения газа в рабочем колесе в предложении бесконечного числа лопаток принимается, что все линии тока имеют одинаковую форму, а лопатки представляют собой отрезки линий тока. Отсюда следует, что скорость на каком-либо радиусе рабочего колеса постоянна по всей окружности. Однако для передачи энергии от лопаток рабочего колеса к потоку необходима разность давлений между обеими сторонами лопатки, что возможно лишь при разности скоростей на этих сторонах. Таким образом, в противоположность струйной теории скорость движения непостоянна по окружности и периодически изменяется, так как в каждом канале, ограниченном двумя соседними лопатками, картина течения должна быть одинакова. В канале вращающегося колеса с конечным числом лопаток благодаря ускорению Кориолиса относительные скорости на дуге данного радиуса изменяются по линейному закону в зависимости от полярного угла. Вследствие этого у передней стороны лопаток скорости меньше и давление выше, а у задней стороны – наоборот (рис.9).

Читайте также: Компрессор автомобильный дэу dw40l

Видео:Движение жидкости в рабочем колесеСкачать

Рис. 9. Изменение скоростей и давления в канале центробежного компрессора

Чем меньше число лопаток, тем больше различие в скоростях у передней и задней стенок лопаток. Появление дополнительной окружной составляющей можно объяснить рассматривая процесс выравнивания скоростей на выходе из колеса, где поток течет свободно, без воздействия внешних сил. При выравнивании скоростей струи, обладающие большей скоростью, уменьшают свою скорость до некоторой средней величины, а струи, обладающие меньшей скоростью, увеличивают ее до этой средней величины. В результате этого происходит некоторое перемещение масс воздуха на периферии в направлении, противоположном вращению колеса, вследствие чего появляется некоторая окружная составляющая . Из-за наличия уменьшается и, следовательно уменьшается теоретический напор, или работа, сообщаемая 1 кг воздуха, проходящего через колесо. Уменьшение окружной составляющей принято учитывать с помощью коэффициента . Коэффициент (его принято называть коэффициентом уменьшения передаваемой энергии) на основании теоретических и экспериментальных исследований для радиальных лопаток можно определить по формуле Казанджана:

;

где — средний диаметр входного сечения колеса.

По формуле Стодоллы коэффициент равен

Среднее значение коэффициента колеблется в пределах

Треугольник скоростей на выходе из колеса центробежного компрессора представлен на рис. 10.

Рис. 10. Треугольник скоростей на выходе из ступени центробежного компрессора

5.3.ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

5.3.1. Обработка экспериментальных данных проводится на основании экспериментальных данных, полученных в лабораторной работе №1.

5.3.2. Окружная составляющая скорости на выходе из колеса:

где — работа, затраченная на вращение колеса на каждый килограмм массы воздуха;

— окружная скорость на выходе из колеса.

5.3.3. Площадь выходного сечения колеса:

где — толщина лопатки на выходе из колеса;

— число лопаток;

— высота лопатки на выходе из колеса.

5.3.4. Плотность заторможенного потока на выходе из рабочего колеса:

5.3.5. Радиальная составляющая скорости потока на выходе из колеса:

В первом приближении принимаем, что . Из уравнения неразрывности:

5.3.6. Абсолютное значение скорости потока на выходе из колеса:

5.3.7. Статическая температура воздуха на выходе из колеса:

5.3.8. Статическое давление на выходе из колеса:

Видео:Рабочий процесс в осевой ступени турбиныСкачать

5.3.9. Плотность потока на выходе из колеса:

5.3.10. Уточняем значение скорости на выходе из колеса:

5.3.11. Относительное значение скорости на выходе из колеса:

5.3.12. Угол выхода потока из колеса:

5.3.13. Угол выхода потока из колеса в абсолютном движении:

5.3.14. Угол отставания потока:

где — геометрический угол выхода потока из колеса центробежного компрессора.

5.3.15. Коэффициент уменьшения передаваемой энергии:

где — окружная составляющая скорости на выходе из колеса при бесконечном числе лопаток.

По формуле Стодоллы коэффициент определяется как:

5.3.16. Абсолютное значение скорости на выходе из колеса при бесконечном числе лопаток:

5.3.17. Относительное значение скорости на выходе из колеса при бесконечном числе лопаток:

5.3.18. Геометрический угол выхода потока из колеса в абсолютном движении:

5.3.19. Результаты расчета занести в таблицу (см. таблицу 4).

5.3.20. На миллиметровой бумаге построить треугольники скоростей на выходе из колеса центробежного компрессора, построить зависимость .

Эксперимент проводится подгруппами по 6 человек. Каждый студент в подгруппе подробный расчет одного режима по расходу. Отчет должен содержать следующие части:

• цель работы;
• расчетные формулы;
• таблица с результатами вычислений;
• треугольники скоростей на выходе из колеса центробежного компрессора;
• графическая зависимость ;
• краткие выводы по результатам работы.

1. Холщевников К. В., Емин О. Н., Митрохин В. Т., Теория и расчет авиационных лопаточных машин: Учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели». 2-е изд., перераб. и доп.- М.:Машиностроение, 1986. 432 с.,ил.

2. Ден Г. Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров: Термогазодинамические расчеты. – Л: Машиностроение. Ленингр. отд-ние,1980. – 232 с.,ил.

3. Черкасский В. М. Насосы. Вентиляторы. Компрессоры. Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов. М., «Энергия»,1977

4. Селезнев К. П. Подобуев Ю. С. Теория и расчет турбокомпрессоров-Л:Машиностроение,1968.-408 с., ил.

Дата добавления: 2015-07-10 ; просмотров: 4983 ;

• Свежие записи
  • Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
  • Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
  • Какие моторы бывают у стиральных машин
  • Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
  • Как снять стопорную шайбу с вала

  
  

  источники:

  Видео:Курс ""Турбомашины". Раздел 5.1.1. Характеристика компрессора лекция №1 (лектор Батурин О.В.)Скачать

  

  https://evakuatorinfo.ru/treugolniki-skorostey-tsentrobezhnogo-kompressora

  🔥 Видео

  Курс ""Турбомашины". Планы скоростей и принципы работы с нимиСкачать

  

  Лекция 3 Основы рабочего процесса ВРД. Часть 1 Работа ступени осевого компрессораСкачать

  

  Центробежный компрессорСкачать

  

  Воздушная навигация.Навигационный треугольник скоростей-элементы и взаимозависимость.Скачать

  

  Курс ""Турбомашины" Глава 3.2 Рабочий процесс центробежного компрессора. ч. 1 (лектор Батурин О.В.)Скачать

  

  Компрессоры. Цикл обучающих роликов (№5.3)Скачать

  

  Курс ""Турбомашины" Глава 3.2 Рабочий процесс центробежного компрессора. ч. 2 (лектор Батурин О.В.)Скачать

  

  Многоступенчатый центробежный компрессорСкачать

  

  Построение планов скоростей турбиныСкачать

  

  Курс ""Турбомашины". Раздел 7.4 Изменение параметров по высоте компрессора (лектор Батурин О.В.)Скачать

  

  Центробежные компрессоры SeAH в РоссииСкачать

  

  Пятиступенчатые центробежные компрессоры Dresser RandСкачать

  

  ТМиВО Лекция 17 19 04 21Скачать

  

  Центробежный компрессорСкачать