Уточнение рекомендаций по оптимальному проектированию центробежных компрессорных ступеней на основе экспериментального исследования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Козаченко, Лев Иванович

• Козаченко, Лев Иванович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Козаченко, Лев Иванович

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

2.1. Обзор рекомендаций по выбору оптимальных геометрических 11 параметров центробежной ступени

2.1.1. Выбор угла атаки на входе в рабочее колесо

2.1.2. Расчет коэффициента теоретического напора

2.1.3. Выбор густоты лопаточной решетки диффузора

2.2. Современные расчеты вязкого трехмерного потока в ступени

2.2.1. Сравнение экспериментальных и рассчитанных характеристик

2.2.2. Рассчитанные и измеренные диаграммы поверхностной 28 скорости

2.2.3. Физические явления в потоке

2.2.4. Выводы

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Описание экспериментальной установки

3.2. Измерительные приборы

3.3. Контрольные сечения и измеряемые параметры

3.4. Способы осреднения параметров потока по сечению

4. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕЧЕНИЯ НАПЫЛЕНИЕМ КРАСИТЕЛЯ В 52 ПРОТОЧНУЮ ЧАСТЬ

4.1. Цель исследования

4.2. Методика визуализации

4.3. Результаты исследования

4.3.1. Результаты визуализации течения в ступени 048м

4.3.2. Результаты визуализации течения в ступени П028/575/37 и 55 сравнение с результатами расчета потока на FLUENT

4.4. Выводы

5. УТОЧНЕНИЕ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВЫБОРУ УГЛА АТАКИ НА 77 ЛОПАТКИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО МИНИМУМ ПОТЕРЬ НА РАСЧЕТНОМ РЕЖИМЕ

5.1. Задачи исследования

5.2. Сравнение рассчитанных диаграмм поверхностных скоростей с 77 результатами измерений

5.3. Объекты исследования

5.4. Анализ диаграмм поверхностных скоростей, соответствующих gQ минимуму коэффициента потерь

5.5. Оценка точности определения оптимального режима при 94 использовании двухмерного подхода

6. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ВЫХОДНОЙ КРОМКИ ЛОПАТКИ 99 РАБОЧЕГО КОЛЕСА НА НАПОР И КПД СТУПЕНИ

6.1. Цель исследования

6.2. Объекты исследования

6.3. Исследование влияния формы выходной кромки лопатки на 101 характеристики ступени

6.4. Моделирование теоретического напора и способы учета формы 108 выходной кромки рабочего колеса

7. ВЫБОР ТИПА ДИФФУЗОРА ДЛЯ СТУПЕНЕЙ РАЗЛИЧНЫХ 115 ТИПОВ

7.1. Цель работы

7.2. Объекты исследования

7.3. Сравнение эффективности традиционных ступеней и ступеней 121 нового поколения с безлопаточными диффузорами

7.4. Сравнение эффективности низконапорных ступеней нового 124 поколения с ЛД и БЛД

7.5. Сравнение эффективности высоконапорных ступеней с ЛД и БЛД

7.6. Рекомендации по выбору типа диффузора

8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ДОВОДКА СТУПЕНИ П028/575/

8.1. Доводка обратно-направляющего аппарата

8.2. Доводка формы выходных кромок лопаток рабочего колеса

9. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Козаченко, Лев Иванович

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Сравнение результатов расчета потока по коммерческим программам расчета вязких течений с результатами экспериментальной визуализации течения показывает, что результаты расчета оказываются близкими к действительности для неподвижных элементов, но противоречат экспериментальным данным по рабочему колесу. Данное обстоятельство ограничивает применение коммерческих программ при проектировании проточных частей центробежных компрессоров. Таким образом, проектирование центробежных компрессорных ступеней по-прежнему должно базироваться на экспериментальных данных.

2. Для тщательно спроектированных РК с относительно небольшим изменением условий обтекания по высоте лопаток минимуму коэффициента потерь соответствует коэффициент расхода, при котором обтекание лопаточного аппарата близко к безударному на средней поверхности тока.

Для менее тщательно спроектированных РК с заметным изменением условий обтекания по высоте лопаток минимуму коэффициента потерь соответствует коэффициент расхода, при котором обтекание лопаточного аппарата соответствует значительному отрицательному углу атаки на периферии, и положительному углу атаки у основного диска. То есть, условие безударного входа выполняется в среднем по высоте лопаток.

Высоконапорные рабочие колеса имеют очень незначительную нагрузку на начальном участке. У низконапорных рабочих колес нагрузка на входном участке существенно больше, но при этом угол атаки остается нулевым.

3. Для рабочих колес различной напорности и расходности определена оптимальная форма выходной кромки лопатки РК. Показано, что наибольший КПД дает кромка, заостренная с передней стороны. В этом случае КПД ступени повышается на 1^-2%.

Для исследованных ступеней, имеющих разную форму выходной кромки РК, рассчитаны коэффициенты Км, учитывающие уменьшение подводимого напора за счет вязкости газа. Полученные результаты можно будет использовать при проектировании ступеней с близкими параметрами путем выбора тещ или иной формы выходной кромки РК.

4. У ступеней с низконапорными РК при хут ^ 0.5 -г- 0.55 применение БЛД не является препятствием для получения максимального КПД, не уступающего КПД ступеней с ЛД, даже при малых радиальных размерах проточной части. Преимущества ступеней с БЛД в «запасе по помпажу» делает их использование в низконапорных ЦБН и СПЧ предпочтительным. Применение низконапорных ступеней с ЛД с целью повышения КПД может быть целесообразным для концевых ступеней, коэффициент потерь в выходном устройстве которых больше, чем в ОНА (сужение зоны работы неизбежно). В данном случае целесообразно применение решеток с малой густотой ЬЛСр «0.70.

У ступеней с высоконапорными РК при ц/т ^ 0-65 + 0.75 применение БЛД препятствует получению максимального КПД, не обеспечивая преимуществ в зоне работы. Преимущества ступеней с ЛД в максимальном КПД делает их использование в высоконапорных ЦБН и СПЧ предпочтительным, так как не ведет к практически значимому сужению зоны работы. Сравнение характеристик ступени с разным числом лопаток ЛД подтвердило правильность рекомендуемых значений оптимальной густоты решеток, однако, в случае необходимости, могут применяться и значительно более редкие решетки (L/tcp = 1.0), без заметного отрицательного влияния на эффективность ступени.

5. С учетом полученных рекомендаций выполнена доводка ступени П028/575/37. КПД в расчетной точке повышен на 3% при снижении напора на 2%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Козаченко, Лев Иванович, 2004 год

1. Галеркин Ю.Б. и др. Труды научной школы компрессоростроения СПбГТУ. Под редакцией проф. Ю.Б.Галеркина. СПб, 2000. - 443 с.

2. Галеркин Ю.Б., Данилов К.А., Митрофанов В.П., Попова Е.Ю. К использованию численных методов при проектировании проточной части центробежных компрессоров. СПб.: СПбГТУ, 1996. - 68 с.

3. Галеркин Ю.Б., Попова Е.Ю. Промышленные центробежные компрессоры, физические основы рабочего процесса, применение численных методов для решения задач оптимального проектирования и оптимальной эксплуатации. - СПб., 1994. - 79 с.

4. Галеркин Ю.Б., Рекстин Ф.С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. Л.: Машиностроение, 1969. - 303 с.

5. Герасимов. A.B. Структура потока и потери в центробежных компрессорных колёсах, спрофилированных по методу ЛПИ: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. Л., 1982. - 308 с.

6. Данилов К.А. Создание математической модели и программных комплексов для оптимального газодинамического проектирования холодильных центробежных компрессоров: Дис. канд. техн. наук / СПбГТУ. СПб., 1999. - 176 с.

7. Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах. Л.: Машиностроение, 1973. 272 с.

8. Ломакин A.A. Центробежные и пропеллерные насосы. М. Л., Машгиз, 1950.

9. Лившиц С.П. Аэродинамика центробежных компрессорных машин. М.: Машиностроение, 1966. 340 с.

10. Митрофанов В.П. Исследование течения газа в центробежных компрессорных колесах с различным характером распределения скоростей и нагрузки по лопаткам // Автореф. . к. т. н. Л., ЛПИ, 1977. 20 с.

11. Примак А.Н., Авдеев Н.П., Тучина И.А., Шкарбуль С.Н. Теоретическое и экспериментальное исследование потока во вращающихся центробежных колесах // В кн.: Исследования в области компрессоростроения. Труды III ВНТК по компрессоростроению. Казань, 1974.

12. Примак А.Н., Селезнев К.П., Шкарбуль С.Н. Визуальное исследование течения в рабочем колесе центробежного компрессора // Тр. ОмПИ: Вопросы машиностроения. Омск, 1972.

13. Пфляйдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М.: Машгиз, 1960. 683 с.

14. Рекстин А.Ф. Оптимизация проточной части промежуточных ступеней центробежного компрессора с применением математической модели потерь и элементов САПР: Автореф. дис. канд. техн. наук / ЛПИ. -Л., 1990.- 16 с.

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

16. Селезнев К.П. и др. Теория и расчет турбокомпрессоров. Л.: Машиностроение, 1986.-389 с.

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

18. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б., Митрофанов В.П., Зараев В.И. Визуализация характерных зон течения в элементах проточной части ц.к. с помощью напыления мелкодисперсного твердого красителя // "Энергомашиностроение". М., 1980, N5, с.2-4.

19. Циткин С.И. Центробежные вентиляторы и дымососы. Москва -Киев, Машгиз, 1953.

20. Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры (пер. с нем.) М. Машгиз, 1959.

21. Flaszynski P., Galerkin Yu. В., Puzyrewski R. Experimental and numerical identification of separation zones ion the centrifugal compressor// Proceedings of International Conference SYMKOM 2002 Compressor & Turbine

22. Stage Flow Path Theory. Experiment & User verification. Poland, Lodz, 2002, pp. 47-54.

23. Galerkin Y., Mitrofanov V., Geller M., Toews A. Experimental and numerical investigation of flow in industrial centrifugal impeller//Inernational Conference on Compressors and their Systems. London: City University, UK., 2001. - p.251-259.

24. Gallus H.E. Recent Research Work on Turbomachinery Flow//Yokohama International Gas Turbine Congress. Yokohama, 1995.

25. Wood Hause H. Inlet Conditions of Centrifugalcompressors for Aircraft Engine Superchargers and Gas Turbines.-"Journal Aeronautical Sciences", 1948, N7.