Исследование эффективности двухкаскадных лопаточных диффузоров центробежных компрессоров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Хоанг Конг Чанг

• Хоанг Конг Чанг
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хоанг Конг Чанг

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРОЦЕССЫ ТЕЧЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ДИФФУЗОРОВ,

ПРИМЕНЯЕМЫХ В ВЫХОДНЫХ СИСТЕМАХ ЦБК.

1.1. Классификация диффузоров.

1.1.1. Диффузоры, применяемые в центробежных компрессорах.

1.1.2. Безлопаточный диффузор. Эпюры скоростей на выходе безлопаточного диффузора.

1.1.3. Лопаточный диффузор с лопатками из аэродинамических профилей.

1.2. Обобщенные параметры диффузоров и диффузорных решеток.

1.2.1. Обобщенные геометрические параметры.

1.2.2. Энергетические характеристики диффузоров.

1.3. Особенности течения потока через диффузорные каналы и решетки.

1.3.1. Характеристики плоских диффузоров.

1.3.2. Исследование плоских диффузорных решеток.

1.3.3. Влияние сжимаемости на характеристики плоских решеток.

1.3.4. Некоторые результаты обобщенных продувок плоских решеток.

1.4. Лопаточный диффузор центробежной ступени.

1.5. Особенности двухкаскадных решеток.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование эффективности двухкаскадных лопаточных диффузоров центробежных компрессоров»

Центробежные компрессоры (ЦБК) широко применяются в различных областях техники, в частности, в авиадвигателестроении, химической и нефтехимической промышленности, как нагнетатели газоперекачивающих агрегатов транспорта газа и в других отраслях. В авиадвигателестроении ЦБК применяются как в качестве отдельных ступеней, так и в сочетании с осевыми ступенями в осецентробежных компрессорах для двигателей малой и средней мощности - для вертолетов и легких самолетов, рис. В.1 и В.2 [ЦИАМ].

Рис. В.2. Турбовинтовой двигатель ТВ7-117

Аналогичные конструкции применяются для транспортных двигателей, например, танковых ГТД, ГТД колесных и гусеничных машин и т.д. В авиационных двигателях достоинства центробежных компрессоров проявляются при малых приведенных расходах воздуха - менее 1-2 кг/с, где их КПД приближается к КПД осевого. При одинаковых приведенных расходах и степени повышения давления ЦБК имеет преимущество перед осевым компрессором по осевым габаритам, но проигрывает по радиальным. Удельной масса (отношение массы к мощности) у ЦБК ниже. Центробежный компрессор технологичнее и дешевле осевого, менее чувствителен к течению двухфазных смесей, поэтому используется в стационарных компрессорах общепромышленного назначения. На рис. В.З и В.4 показаны многоступенчатый компрессор сжатия газов пиролиза в установке производства этилена и нагнетатель ГПА [2].

Рис. В.З. Компрессор К88 - 101 -1

Рис. В.4. Нагнетатель 175-21-1

Процессы, происходящие при повышении давления при прохождении газа через проточную часть ЦБК отличаются наличием встречно градиента давления, развитых пространственных течений, высоких чисел Маха, неравномерностью полей скоростей, больших по сравнению с конфузорным потоками потерь давления и т.д. Это усложняет получения эффективных конструкций, особенно при наличии конструктивных ограничений, например, по величине миделя для авиационных ГТД. Надежность получения требуемых параметров зависит от наличия экспериментальных базы, с использованием которой ведется расчет и профилирования элементов проточной части.

Проточная часть ЦБК состоит из двух основных узлов - рабочего колеса с подводящим патрубком и выходной системы с диффузорными элементами и выходным патрубком, рис В.5, В.6. о'

Рис. В.5. Схема осерадиального центробежного компрессора

Рис. В.6. Схема промежуточной радиальной ступени центробежного компрессора tJ П

А-А Б-Б

О.НМ.

Лопаточный диффузор в выходной системе является основным элементом, в котором происходит наибольшее торможение потока. От качества работа лопаточного диффузора в многом зависит КПД ступени, а от конструкции - радиальной габарит. Для авиационных конструкций применяются радиально-осевые диффузоры лопаточного типа (рис. B.l, В.2, В.5), позволяющие сократить радиальный габарит ступени и тем самым уменьшить мидель двигателя. В целом лопаточный диффузор радиально-осевого типа является на сегодня наиболее перспективной конструкций с точки зрения комплекса требований, таких как КПД, диапазон устойчивой работы, габариты и т.д.

Вместе с тем следует отметить, что наиболее полные экспериментальные работы были проведены и обобщенны для осевых решеток, в то время как решетки диффузоров ЦБК - радиальные (в редких случаях - диагональные). Существующий экспериментальный материал по радиальным диффузорным решеткам ограничен и сложно поддается обобщению в виду увеличения количества геометрических параметров, на основе которых осуществляется обобщение газодинамических параметров, поэтому создание новых конструкций ЦБК связано с расширенным объемом доводочных работ. В свете этого в данной работе рассматриваются условия, при которых возможно максимально использовать накопленный экспериментальный материал по осевым решеткам для профилирования радиальных в том числе многокаскадных, что позволило бы получать конструкции с прогнозируемыми характеристиками при минимальной доводке.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Хоанг Конг Чанг

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод и рассмотрены основы методики расчета и профилирования лопаточных диффузоров ЦБК, основанный на использовании экспериментальных результатах продувок плоских решеток.

2. На основании результатов продувок диагональных решеток, проведенных в ЦИАМ Никитиным Н.В., предложен комплекс необходимых условий, обеспечивающих возможность распространения опытных данных плоских решеток на неподвижные пространственные, которые включают в себя:

- частичное геометрическое подобие (равенство гидравлических диаметров на входе, густот решеток и степени торможения скорости в решетках);

- частичное кинематическое подобие, заключающееся в равенстве распределение безразмерных скоростей по поверхностям лопаток);

- динамическое подобие, заключающееся либо в равенстве чисел подобия в решетках (либо в их работе в автомодельной области).

3. Рассмотрено влияние геометрических параметров на габариты и другие показатели радиальных решеток и предложен метод их выбора при различной степени геометрической диффузорности решетки и угла раскрытия диффузора в меридиональной плоскости. Показано, что рекомендуемый в литературе диапазон отдельных параметров (D, Лал и др.) справедлив только для решеток предельной нагружености.

4. Рассмотрены возможные причины противоречивых рекомендаций по величинам окружного смещения каскадов в многокаскадном диффузоре и предложено выбирать окружное смещение таким образом, чтобы распределения нагрузок, по каскадам по крайней мере при дозвуковом течении было равномерным.

5. По предложенной методике произведено сравнения результатов расчета с данными эксперимента, приведенных на двухкаскадных диффузорах средней и предельной нагруженности, и получено их удовлетворительное согласование.

6. Данный метод может быть использовать при профилировании многокаскадных лопаточных диффузоров ЦБК. Он открывает возможности для оптимизации каскадов, позволяет учесть различные требования к характеристикам диффузора, проектируя решетки по максимальному качеству, номинальному углу поворота, по режиму полудиапазона, минимальных потерь и т.д., т.е. позволяет использовать накопленный опыт по осевым решеткам.

123

Заключение

На основе введения понятия эквивалентной плоской решетки был проведен расчет потерь и профилирование радиальных решеток двухкаскадных диффузоров, результаты испытаний которых опубликованы в литературе.

В качестве выражений для расчета потерь были приняты зависимости, полученные для плоских решеток, опубликованных в работах

Комарова А. П., Бунимовича А. И. и Святогорова А. А., Терещенко Ю. М. Зависимости, предложенные этими авторами, были использованы без изменений, за исключением коэффициента увеличения профильных потерь от неравномерности поля скоростей перед диффузором, который был принят на основании опытов с отдельными диффузорами. В целом результаты расчетов показатели удовлетворительное согласование с экспериментом как для двухкаскадных диффузоров средней нагруженности (Fz&2,2), так для высокой нагруженности (Fz «4,2).

Данные работа показана принципиальную возможность переноса опытных данных плоских решеток на радиальные. Специфика обтекания радиальных решеток диффузоров ЦБК в отличие от осевых решеток заключается, прежде всего, в малых величинах удлинений и неравномерности потока перед первым каскадом, поэтому могут потребоваться дополнительные эксперименты для уточнения отдельных коэффициентов или рекомендацией. Однако, введение понятия эквивалентной плоской решетки или прямой решетки переменой высоты, отвечающих по частичным условиям подобия данной пространственной позволяют упростить экспериментальный исследования и получить необходимые опытные данные.

121

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хоанг Конг Чанг, 2006 год

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. — М.: Наука, 1969. — 824 с.

2. Исследования лопаточного диффузора высоконапорной компрессорной ступени / С.А. Анисимов, И.Ф. Бердоносова, Л.Г. Борода и др. // Труды III Всесоюзной научно-технической конференции по компрессоростроению. Казань, 1974. - С. 176-181.

3. Анисимов С.А., Россель В.В., Шерстюков В.А. Исследование двухъярусных лопаточных диффузоров центробежного компрессора с несимметрично расположенными лопатками // Известия ВУЗов. Энергетика. 1983. -№1. - С. 96-99.

4. Бедржицкий E.JI. Исследования дозвуковых диффузоров // Промышленная аэродинамика. (М.). 1986. - Вып. 1(33). - С. 123-158.

5. Бекнев B.C., Куфтов А.Ф., Тумашев Р.З. Расчет и проектирование центробежных компрессоров ГТД. М.: МГТУ им Н.Э Баумана, 1996. -42 с.

6. Бекнев B.C., Куфтов А.Ф. Расчет и проектирование центробежных компрессоров газотурбинных двигателей: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию по курсу "Компрессоры". -М.: МГТУ им Н.Э Баумана, 1975. 70 с.

7. Газовая динамика / B.C. Бекнев, В.М. Епифанов, А.И. Леонтьев и др. -М.: МГТУ им. Н.Э Баумана, 1997. 667 с.

8. Турбомашины и МГД- генераторы газотурбинных и комбинированных установок / B.C. Бекнев, В.Е. Михальцев, А.Б. Шабаров, Р.А. Янсон -М.: Машиностроение, 1983. 392 с.

9. Бекнев B.C., Панков О.М., Янсон Р.А. Газовая динамика газотурбинных и комбинированных установок. М.: Машиностроение, 1973.-392 с.

10. Богод А.Б., Кимасов Ю.И., Панков С.В. Расчет трехмерного течения невязкого газа в лопаточных венцах осевых компрессоров сиспользованием схемы Годунова-Колгана // Лопаточные машины и струйные аппараты. 1996. —Вып. 9. — С. 7-29.

11. П.Богод А.Б., Соркин И.Л. Расчет смешанного невязкого двумерного течения газа в радиальном лопаточном диффузоре // Лопаточные машины и струйные аппараты. — 1998. -Вып. 10. С. 7-20.

12. Боровский Б.И. Энергетические параметры и характеристики высокооборотных лопастных насосов. — М.: Машиностроение, 1989. — 181 с.

13. Бунимович А.И., Святогоров А.А. Аэродинамические характеристики плоских компрессорных решеток при большой дозвуковой скорости // Лопаточные машины и струйные аппараты. 1967. - Вып. 2. - С. 535.

14. Василиенко С.Е. Исследование течений в решетках осевых компрессоров. Дисс. . канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1980.- 138 с.

15. Гелетуха Г.Г. Исследование влияния формы поперечного сечения межлопаточного канала рабочего колеса центробежного компрессора. Дисс. канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1992. - 111 с.

16. Госмен А.Д. Численные методы исследования течений вязкой жидкость. М.: Мир, 1972. - 324 с.

17. Гостелоу Дж. Аэродинамика решеток турбомашин. М.: Мир, 1987. -391 с.

18. Гурвич И.А., Левашов Л.Л., Этингоф М.Н. Результат экспериментального исследования малоразмерной центробежной компрессорной ступени // Теплоэнергетика. — 1970. —№ 3. С. 41-44.

19. Дантон, Пиемсомбун, Дженкинс. Измерения характеристик и полей течения в лопаточном радиальном диффузоре // Труды амер. общ-ва инж- мех. Теоретич. основы инж-расчетов. 1986. —№ 2. - С. 212-223.

20. Дейч М.Е., Зарякин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. М.: Энергия, 1970. - 384 с.

21. Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах. — JL: Машиностроение, 1973.-272 с.

22. Ден Г.Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров. JL: Машиностроение, 1980.-231 с.

23. Ден Г.Н., Тилевич И.А. Газодинамические характеристики лопаточных диффузоров центробежных компрессоров машин // Теплоэнергетика. -1970.-№7.-С. 33-36.

24. Джонтон, Эйд. Турбулентный пограничный слой на лопатках центробежного компрессора // ТОИР. 1976. - № 3. - С. 139-147.

25. Довжик С.А., Морозов А.И. Исследование концевых диффузоров осевых турбомашин // Промышленная аэродинамика. 1961. - Вып. 20.-С. 168-201.

26. Дорфман А.Ш., Сайковский М.И. Приближенный метод расчета потерь в криволинейных диффузорах при отрывных течениях // Промышленная аэродинамика. 1966. - Вып. 28. - С. 98-121.

27. Дофман П.А. Численные методы в газодинамике турбомашин. JL: Энергия, 1974.-272 с.

28. Епифанова В.И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального типа. М.: МГТУ им. Н.Э Баумана, 1998. - 623 с.

29. Зарянкин А.Е. Теория диффузорных течений: Учебное пособие. М.: МЭИ, 1979.-94 с.

30. Зарянкин А.Е., Шерстюк А.Н. Радиально-осевые турбины малой мощности. М.: Машгиз, 1963. - 248 с.

31. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. - 559 с.

32. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров / Перев. Ф.Ш. Гельмедова; Под ред. Н.М. Савина М.: Мир, 2000. - 600 с.

33. Карлсон, Джонсон, Сэйджи. Влияние формы стенки на режимы течения и характеристики плоских диффузоров с прямой осью // ТОИР. 1967.-№1.-С. 173-185.

34. Коватс А. Подобие центробежных компрессоров и насосов // ЭМУ. -1968.-№2-С. 48-50.

35. Комаров А.П. Исследование плоских компрессорных решеток // Лопаточные машины и струйные аппараты. 1967. - Вып. 2. - С. 67110.

36. Котовский В.Н., Ништ М.И., Федоров P.M. Математическое моделирование на ЭВМ стационарного и нестационарного обтекания телесных профилей и решеток идеальной несжимаемой жидкостью //ДАН СССР. 1980.-Т. 252, №6.-С. 1341-1345.

37. Кошевой В.Н. Управление отрывными течениями. М.: Машиностроение, 1980. - 86 с.

38. Краснов Н.В., Кошевой В.Н. Управление и стабилизация в аэродинамике. М.: Машиностроение, 1978. — С. 103-110.

39. Крейн. Исследование течение в центробежном рабочем колесе и диффузоре // ЭМУ. 1981. - Т. 103. - №4. - С. 88-97.

40. Куляница Л.Ф. Некоторые результаты исследования работы лопаточных диффузоров // Энергомашиностроение. 1975. - №3. - С. 21-23.

41. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. — М.: Энергоиздат, 1985. 320 с.

42. Куфтов А.Ф. Обобщенный метод расчета и профилирования ЦБК и насосов на основе коэффициентов аэродинамических нагрузок. Дисс. . докт. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. - 425 с.

43. Куфтов А.Ф. Основы метода профилирования центробежных турбомашин по коэффициентам гидродинамических нагрузок // Газотурбинные и комбинированные установки: Вс. конф. М., 1987. -С. 112-116.

44. Куфтов А.Ф., Хоанг Конг Чанг. Методика профилирования радиальных лопаточных диффузоров на основе продувок плоских решеток // Проблемы газодинамики и тепломассообмена вэнергетических установках: Тезисы докл. конф. Калуга, 2005. — Т.2. -С. 84-86.

45. Куфтов А.Ф., Хоанг Конг Чанг. Профилирование лопаточных диффузоров диагональных и радиальных компрессоров // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2004. - №4. - С. 107-112.

46. Куфтов А.Ф., Хоанг Конг Чанг. Профилирование пространственных решеток с использованием продувок плоских решеток // Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели: Докл. ВНТК. М„ 2004. - С. 84-86.

47. Дедовская Н.Н. Некоторые способы повышения эффективности кольцевого диффузора с большим углом раскрытия // Труды ЦИАМ. -1998. -№ 112.-С. 1-13.

48. Лившиц С.П. Аэродинамика центробежных компрессорных машин. -М.: Машиностроение, 1966. — 340 с.

49. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Л.: Наука, 1987. - 840 с.

50. Экспериментальное исследование диффузоров центробежного компрессора / С.М. Металиков, Ю.В. Бывшев, А.И. Горбунов и др. // Теплоэнергетика. 1970. - №9. - С. 67-70.

51. Исследование радиальных диффузоров при околозвуковой скорости набегающего потока / С.М. Металликов, Ю.В. Бывшев, А.И. Горбунов, В.И. Гайгеров // Теплоэнергетика. 1973. - №10. - С. 64-70.

52. Металликов С.М., Бывшев Ю.В., Горбунов А.И. Расчет и профилирование радиальных двухрядных диффузоров // Двигателестроение. 1980. - № 8. - С. 36-39.

53. Мигай В.К. О влиянии начальной турбулентности на эффективность диффузорных течений // Энергетика. 1966. - №2. - С. 131-136.

54. Мигай В.К., Гудков Э.И. Проектирование и расчет выходной диффузоров турбомашин. Л.: Машиностроение, Ленинград отд., 1989.-272 с.

55. Мунин А.Г., Ефимцев Б.М. Авиационная акустика. М.: Машиностроение, 1986. - Часть 1. - 248 с.

56. Научный вклад в создании авиационных двигателей / Под ред. В.А. Скибина и В.И. Солонина М.: Машиностроение, 2000. - Кн. 2- 725 с.

57. Никитин Н.Б. Исследование диффузорных диагональных решеток, лопаточные машины и аппараты // Лопаточные машины и струйные аппараты. 1966. - Вып. 1. - С. 1-АЪ.

58. Перлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М.: Машиностроение, 1960. - 684 с.

59. Повх. И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1974. - 480 с.

60. Рено Л.Р., Джонстон З.П., Клайн С.З. Характеристики и расчет плоских диффузоров с прямолинейной осью. Стэнфорд. Стэндфордский университет (США), 1980. - С. 160-172.

61. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Л.: Машиностроение, 1981.-351с.

62. Рот, Джонстон. Влияние вращения системы на характеристики двухмерных диффузоров // ТОИР. 1976. - №3. - С. 191-201.

63. Савин Н.М. Экспериментальное исследование зависимости предельного угла раскрытия плоского диффузора от относительной длины, чисел Re и X II Лопаточные машины и струйные аппараты. — 1970.-Вып. 4.-С. 10-16.

64. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры. Л.: Машиностроение, 1982.-271 с.

65. Теория и расчет турбо-компрессоров / К.П. Селезнев, Ю.Б. Галеркин, С.А. Анисимов и др. Л.: Машиностроение, 1986. - 390 с.

66. Симонов A.M., Россель В.В., Бадахов В.И. Оптимизация параметров двухрядных диффузоров // Компрессорная техника и пневнематика. — (СПб.). 1994. - Вып. 5. - С. 17-20.

67. Симонов A.M., Россель В.В., Гнездилов СМ. Исследованиеэффективности лопаточных диффузоров унифицированных высоконапорных центробежных нагнетателей // Компрессорная техника и пневматика. (СПб.). 1993. - Вып. 2. - С. 38-40.

68. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. М.: Машгиз, 1960. -462 с.

69. Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.-512 с.

70. Степанов Г.Ю. Основы теории лопаточных машин, комбинированных и газотурбинных двигателей. М.: Машгиз, 1988. - 312 с.

71. Стечкин Б.С. Теория тепловых двигателей. М.: Наука, 1977. -410 с.

72. Теория реактивных двигателей / Б.С. Стечкин, П.К. Казанджан, Л.П. Алексеев, А.Н. Говоров, и др. М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1956. -548 с.

73. Стрижак Л.Я., Суслина И.П. Исследование безлопаточных диффузоров // Труды научной школы компрессоростроения СПбГТУ. -Санкт-Петербург, 2000. С. 169-188.

74. Терещенко Ю.М. Аэродинамика компрессорных решеток. М.: Машиностроение, 1980. - 115 с.

75. Потребители производители компрессоров и компрессорного оборудования // Труды третьего международного симпозиума. — СПб.: СПбГТУ, 1997. - 256 с.

76. Уайтмен, Рено, Клайн. Влияние условий входа на характеристики двумерных дозвуковых диффузоров с прямолинейной осью // ТОИР. -1967. -№1. С. 167-172.

77. Уваров В.В. Газовые турбины и газотурбинные установки. М.: Высшая школа, 1970. - 320 с.

78. Федоров P.M. Устойчивость течения воздуха в компрессорах ГТД // Труды объединенных научных чтений по космонавтике. — М.: АН СССР, 1980.-С. 61-73.

79. Франкфурт М.О. К оценке потерь в коническом диффузоре с большим углом раскрытия // Промышленная аэродинамика: Сб. тр. 1986. -Вып. 1(33).-С. 168-170.

80. Халил, Табакофф. Исследования вязкого и неадиабатического течения в радиальных турбинах // ЭМУ. 1980. - №3. - С. 1-11.

81. Хенталов В.И. Исследование лопаточных диффузоров // Труды научной школы компрессоростроения СПбГТУ. Санкт-Петербург, 2000.-С. 145-168.

82. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1986. - 432 с.

83. Центробежные компрессорные машины / Ф.М. Чистяков, В.В. Игнатенко, Н.Т. Романенко, Е.С. Флоров М.: Машиностроение, 1969. -326 с.

84. Шлитинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969. - 742 с.

85. Japikse D. Centrifugal compressor design and performance. Vermont, (USA) 1994.-535 c.

86. Morris R.E., Kenny D.P. High pressure ratio centrifuged compressor for small gas turbine engine // The American society of mechanical engineers. -New York, 1971. -C. 47-53.

87. Ohashi H. Theoretical and experimental investigation on tandem pump cascades with high deflection // Ing. Archiv. 1959. -27. — С. 115-125.

88. Railly J.M. and El-Shara M.E. An investigation of the flow through tandem cascades // Proc. Instn. Mech. E. 1966. - Vol 180. - C. 45-85.