автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Эффективность микрорасходных осевых компрессоров для систем кондиционирования и жизнеобеспечения

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ХОЛОДИЛЬНОЙ ПРШШЛЕННОСТП

11а правах рукописи УДК 621.515 (043.3)

ПОПОВ Андрей Леонидович

Р'ИЛСгаВНОСТЬ МИКРОРАСХОДНЫХ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ ДЛЯ СИСТШ К0НШИ01МРСЗЛ1ИЯ И ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

Специальность 05.04.03 -

Малшнн и аппарат холодильной п криогенной техники и систем кондиционирования

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1992

Робота выполнена в Ленинградском ордена "Знак Почета" научно-исследовательском и конструкторской институте хини-» ческого машиностроения (ЛенНИЙхшшаш).

Научные руководители - Заслуженный деятель науки и

техники РСФСР, доктор технических наук, профессор [ф.С. РЕКСТИН);

- доктор технических наук, пр.фессор В.НЛЮВОТЕЛЬНОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор 11. Н. Бухарин; - кандидат технических наук, наушшй сотрудник Л.М.Коченда

Ведущая организация ШО "Энергия"

Защита состоится г. в. УУ часов

на заседании специализированного Совета К I К 063.02.01 в Санкт-Петербургском технологической институте холодильной проиншленкости.

Отбив па автореферат в двух экземплярах, заверенный печать учреждения, просьба направлять по адросу: 191002, г.Санкт-Петербург, ул.Ломоносова 9, С.-ПТИХП, специализированный Совет й I.

С диссертацией ыогшо ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослал " ^ г.

Ученый секретарь специализированного Совета й I, кандидат технических паук,

и.о. профессора Л.А.Акулов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современное развитие ряда отраслей техники, в особенности, авиационной и космической, потребовало создания обладающих повышенной надекностьв, высокоэффективных систем кондиционирования и жизнеобеспечения. Возросшие требования к системам обусловили к повышение требований к каядсму элементу системы независимо от выполняемой иы функции.

Одним из основных элементов систем кондиционирования и жизнеобеспечения является компрессор или вентилятор. Во многях системах в последнее время нашли применение миниатюрные осевые компрессоры (вентиляторы), имеющие малые значения объемной производительности (менее 0,1 м3/о) я повышения давления (на более 600 Па) при высоких надежности и эффективноси. Машины этого класса, назыгчемыэ микрорасходнши осевши компрессорами, используются такие в различных устройствах охлаждения электронной техники и приборов и в оредствах индивидуальной защиты.

Часто, из-за особых условий компоновки и эксплуатации, приходится создавать иккрорасходнне ОК, предназначешше только для данной системы. К этим машинам обычно предъявляются весьма жесткие требования по шуиу, массогабаритным показателям, надежности, а при ограниченных возмонностях энергопотребления - и к эффективности.

Следует отметить малую изученность иикрорасходных ОК и практическое отсутствие данных по юс оптимальному проектировании.

Использование многочисленных рекомендаций по проектировании осевых компрессоров больаой производительности при создании мккрокоипрессороз затруднено из-за технологических проблем и связанной с шши сложности соблюдения геометрического подобия, особенно в части зазоров и шероховатости.

Кроме того, словно соблюсти и динамическое подобие, поскольку, -из-за малых скоростей потока в проточной части (ограниченных возможностями привода и условиями прочности), практически все аикрорасходнне ОХ работав! в области малых

- к -

значений критерия Гейнольдса, что приводит к перераспределению потерь в схуиени и существенному снижению КПД. Последнее обстоятельство весьма важно для машин, подключаемых к автоноишк источникам питания, а также при необходимости повышения производительности и давления иикрорасходного ОК при сохранении прежней единичной мощности приводного двигателя. Эти требования обычно предъявляются к компрессорам, работающим в системах космических кораблей, а такие в автономных средствах индивидуальной защити.

Стремление избегать работы при малых числах Вв приводи? к использовании ступеней с лопатками палого удлинения, что, в ст>ою очередь, из-за несоблюдения геометрического подобия, не позволяет воспользоваться рекоизндаципми по оптимальному проектированию больших ОК.

Кроив того, требования высокой наденности и работы в ви-рокой области рекимов при иевозмоаности регулирования весьма олокно удовлетворить бзз знания характера нестационарных процессов в ступени иикрорасходного ОК и закопоиерностей их возникновения, а такие без проведения конструктивных иероприятий ■по расширению области устойчивой работы компрессора.

Цель исследовании. Целью диссертационной работы является совершенствование методики расчета микрорасходных осевых компрессоров с нетрадиционными геометрическими соотношениями проточной части, работающих при малых значениях критериев Рейнольдса.

Ь качество объекта была использована двухзвенпая ступень цатурш по иикрорасходного ОК с нетрадиционный!! геометрячески-Ш1 соотношениями. Натурный компрессор служит для обзспечош-.л циркуляции воздуха в системе принятия водных процедур (СПВП) па орбитальной станции "Мир".

. Цеучкан новизну. Получена полуэшшрическая завио!шость для расчета потерь в ступени иикрорасходного ОК. Экспериментально исследовано влипуче критериев Рейнольдса и геометрических соотношений на основные газодинамические характеристики микрорасходной осевой ступени, а такяо на некоторые закономерности возникновения и протекания низкочастотных нестационарных процессов в ступени. Вперлче выполнено эксперимен-

тальиое исследование двухзвенной ступени иикрорасходного Ш о нетрадиционной геометрией на специально созданной для этих целей установке переменной плотности с регулируемой частотой вращения в широком диапазоне изменения критериев Рейнольдса при варьировании значений относительного удлинения лопаток РК и относительного радиального зазора.

Практическая ценность и внедрение. Получена полуэмпирическая зависимость для расчета потерь, позволяющая оценнть КПД микрорасходной осевой ступени еще на стадии предварительного проектирования. Определено значение границы автомодель-пости по R&Wi i которое целесообразно использовать при про- -ектировании микрорасходных ОК.

Результаты данной работы бйли внедрены в осевых микро-аагнетателях M0-16-I, !Ю-1, ИО-2 и ЫО-3, разработанных и изготовленных в ЛениИЯхяымате для НПО "Энергия".

Агсробапия работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на УИ Всесоюзной научно-технической конференции "Создание компрессорных машин и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического комплекса" (г.Супы, 1989 г.), а также на заседаниях секции HiC ЛенНЙИхиммаш.

Публикации. По теме диссертации опубликованы тезисы двух докладов на Всесоюзной конференции (г.Сумы, 1989 г.), одна статья в ыегвузовскои сборника ЛГИХЗ (1987 г.), одна статья депонирована в НИИхимыап (1989 г.).

Объем' и структура работы. Диссертация содержит 105 страниц машинописного текста, 38 рисунков, 8 таблиц, 17 страниц приложений, 103 наименований литературных иогоч-ников. Она состоит из введения, четырех глав, заключения п приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор и анализ литературных данных о влиянии эффективности микрорасходных осевых компрессоров на термодинвчичео-кое совершенство систем кондиционирования и жизнеобеспечения, а также о зависимости характеристик осевого компрессора от критериев Рейнольдса а безразмерных геометрических парамет-

- б -

ров проточной части показали недостаточность да иных по опт- -мальноиу проектированию микрорасходних осевых компрессоров и позволили сформулировать задачи исследования.

Как показало рассмотрение основных положений теории подобия применительно к ыякрорасходной осевой ступени, наибольшей влияние на характеристики этой ступени оказывают критерии Рейнольдса. Била определена взаимосвязь местных и условного критериев Рейнольдса применительно к двухзвенной ступени мик-рорасходаого ОК, состоящей из РК и СА.

Поскольку отношение давлег-й в ступениТ[=рз/р1 невелико, а скорость на вх^цс в ступень осевая, било приипто, что

А Т>2 'Рз У . Р1 т рг-р л" Р '

4> = ся/и=с,/и . Ят =1-(4-с!)/2Ьт=/- с£и/2и .

С использованием этих допущений, а такяе известных зависимостей для безразмерных параметров, были получени форцулы:

»^«ШШ^411-^5 ■ 131

Из этих фориул очевидна также взаимосвязь местных критериев Рейнольдса. Полученные зависимости свидетельствуют о той, что данные местные критерии Рейнольдса не ыогут однозначно определять течение во всой ступени, однако, можно в первой праб-лиЕении приипть в качестве определяющего местный критерий Рейнольдса на входе в стутнь Я в и>1 •

На основе анализа составляющих потерь в проточной части иикрорасходиого ОК получена зависимость для отнооительних потерь в ступени

После подстановки в формулу (5) зависимостей для отдельных составляющих потерь получен обдий вид полуэыпирической зависимости для расчета потерь в ступени иикрорасходного СИ:

Кие

Л Ш | ^А^ЛЯЦ^Д^ +

.Г 10-0»)* г

+0.5 ¿слГсАр а-ЯтТ] \хб +Х7ГсЛ + Хв ¿г^ х* ^ 1 „ / А )

ум^Т "У I '(6)

На ос 11ов9 анализа построенных экспериментальных криш х л (Нвщ) била предлогена формула для поправочного ко-

эффициента

Полученные экйпериментальные данные позволили прозооти идвнлфинацшэ зависимости для расчета потерь з ступени иикрорасходного ОК. Для этого виранение (6) с учетон (7) было преобразовано к виду

й(Х1,...Х1г)=0 ,

а затем с помощью метода спирального координатного опугка на ЭВМ СИ 1420 был' проведен поиск минимума фу*жции

В результате получены значения эмпирических коэффициен-

+

СА

тов в зависимости для относителышх потерь:

XI =2,313-КГ3; 2,813-Ю"3; Х3 = 0,0108;

Х4= 0,5823; Хб = 3,015; Х& = 1,926-Ю"3;

1,926-Ю"3; Х8 = 0,0252; Хд = 0,2583; А^о =0,1827; Д^а 8,455 1,249.

Зависимость построена таким образом, что мокно оценить долю отдельных составляющих похерь в общем балансе потерь в ступени. С /Гласно этой оценке, преобладающее влияние на эффективность ступони оказывают индуктивные потери и потери на ограничивающих поверхностях, чтс хороко согласуется с литературными данными. 7

Среднее отклонение расчетных значений 7]аЭтах ог использованных для идентификации эхспзриыентальных ^адгиах составило примерно 0,02. Танин образец, поено сделать вывод о достоверности зависимости потерь от параметров ступени и считать оё пригодной для инаевзрних расчетов на стадии предварительного проектирования м.шрорасходннх Щ.

Для решения поставлешшх в диссертационной работе задач била в соответствии с общепринятыми рекомендациями разработана методика экспериментального исследования ступени микрорасход-иого ОК. На рис.1 показана принятая в качестве объект следования исходная ступень натурного микрорасходного осевого компрессора 110-16-I. Она имела нару2ний_ДЕаметр проточной час-тиОц = 155,6 ни, втулочное отношение Пет "Шъ/Вн =0,82, длину лопатка РК Ьрк - 13,5 ии и относительный радиальный зазор Ог =8г/1 =0,03. Угол установки хорды профиля на средней диаметр составил для РК 33,5°, а для СА 67,5°. Лопатки исходного варианта имели профзль постоянной толщины (1 - 0,8 им, изогиутнй по дуге окруиности. Относительное удлинение лопаток %^1/Ь и густота лопаточных решеток Т =Ь!Ь составили 0,24 и 2,3 для РК и 0,27 и 2,8 для СЛ соответственно. Осгаль-иао Б вариантов ступени обличались от исходного нарушшм диаметром £К к величиной радиального зазора, что позволило получать диапазон изменения Хрх = 0,14 ... 0,24 и 5/- э0,03...0,7ь. Входные кромки лопаток была подрезаны с учетом профиля скоростей иабогаюцаго потока. Исследовании проводились на специально разработанном стенде вамкпутого контура с на разомкнутой кода-

'Рис.1. Схека сгупэпа

фикации э^->го стенда. Стенд состоял из экспериментального иик-рорасходкого ОК, показанного па рис.2, системы трубопроводов, системы измерения параметров встроенного двигателя, системы измерения газодинамических параметров в контуре, системы регистрации нестационарных процессов в проточной части, а такхе систем заполнения коитура воздухом и вакуумирования. Встрорк-ны?1. приводной эл. :стродвигатель имел номинальную мощность 2 кВт и позеолял -.'енять частоту вращения в диапазоне 25 ... 400

Исследования проводились в 2 этапа. На первой этапе изучалось влияние критериев Рейнольдса на характеристики ступени. Диапазон изменения Явщ = 3,5.10^...5,4-105 достигался за счет совместного изменения давления в контуре и частоты вращения. При этом полагалось, что ступень работает в автомодельной по числам М области и влияние сжимаемости но учитывало...

На втором этапе изучалось влияние геометрических соотношений Хр1г (tS.lt i-B.lt> 3) цбг (В.® 3-Я.® 9) на характеристики микрорасходной ступени и на зависимость эффективности ступени от чксол Явцц « диапазон изменения которых составил 5,'МО4 ... 2, МО5.

Погрешность определения КПД на всех режимах работы ступени не превышала 3,Ь что позволяет сделать вывод о достоверности полученных з^спериментальшх данных.

Были получены 52 характеристики при изменении условных критериев Рвц от 8,3-Ю^ до 1,6-Ю6 и Ми от 0,0'» до 0,1У.

, В результата обработки этих характеристик построен^ зависимости коэффициентов полезнюго действия 1]адтпа.х , капора ■ *Ял>слл1 и расхода *ролт от относительного критерия Рейнольдса Шил -Вёги^Деща ~ граница овтолодельцости пс

этому критерии для рекиыа максимального КПД). На рис.3 показаны эти зависимости для В.й 1. Они, так хе, как аналогичные зависимости для остальных вариантов, свидетельствуют о том, что умеименио критериев Ройнольдса ниже границы автомодель-ности приводит в пэрвуа очередь к существенному уменьшению КПД, причем интенсивности падения КПД зависит от геометрических соотношений \pjfn Ог • Заметное уменьшение значений {радспт и ^Ропт наблюдалось лишь при весьма малых

Рис.2. Эксе. раменталыг-! компрессор. I - рабочее колесо; 2 - сдрямлотдай аппарат; 2 - корпус; 4 - электродвигатель; 5 - обтекатель; 5 - термопара; 7 - отбор статического давления; 8 - датчик пульсаций дЕвления; 9 - датчик частоты вракения; 10 - г уска полного давления.

ступени

Рис.4. Зависимости относительного 'КПД от относительного радиального зазо-ч

ЛСщ < 0,зЯвюш . Для всех испытанных вариантов зиачение граница автомодельности поЯвцщ Для ракиыа ^ад/пах °°"тави-ло 2,б-10^ на атмосферном давлении.

Результата проведенных исследовани:! влияния Хрд на характеристики ступени свидетельствуют о тоа, что близко к оптимальному для исследованных вариантов, сниаениз Адог до 0,14 (за счет уменьшения длины лопатки) приводит к уменьшению уа&тах от 0,64 до 0,^9. При сыиазнни относительного удлинения лопаток целесообразно для новыиекан эффективности увеличивать густоту лопаточной рэпетки. _

Увеличение относительного радиального зазора 6у приводит к снигвншо'КПД, причем, ири Ог > 0,13 интенсивность этого снижения уменьшается. Сопоставление полученных экспериментальных данных с данными ЦАГИ и результатами расчета по форму-лей для ш, представленное на рис.4, свидетельствует о меньшей зависимости КПД ыикрорасходной осеЕой ступени от радиального зазора, чей это характерно д..я крупноразмерных осени;, компрессоров и вентиляторов. Расчет проводился по формуле Ствфенсо1(а_

/\1]=>23(&г~0.01) («)

и пэ формуле Лакшмииараяны

1 п\2%дсоз}!>т)

Очевидно, что для расчетной оценки влияния увеличения радиального зазора на КПД ннкрорасходной осевой ступени целесообразно использовать формулу (9) до значений^/- = 0,05.

Исследование нестационарных процессов в проточноГ. части проводилось с поыощьп комплекса для измерения пульсирующего давления.

Характеристики вариантов микрорасходных ОК с обычными для этих машин геометрическими соотношениями имели разрыв левой ветви напорной характеристики. Как свидетельствует анализ полученных характеристик и осциллограмм, сразу за разрывом возникал полный однозонный вроцаючийсн срыв, который существовал на всей левой ветви напорной характеристики.

/ С 05 р т

(2)

Переход от устойчивого режима работы к орыву и обратно сопровождался гистерезисом. Момент возникновения срыва, ха-' роктеризуемый границей устойчивости , соответствовал значениям коэффициента' расхода около 0,23. Это значение уменьшалось при увеличении О г и \рк и практически но зазисоло от Пеи!Г

Амплитуда гульсадий давления при сриве_уменьшалась при уменьшении 1Р ,/?£«/у , Ярл и увеличении^ • Частота пульсаций зависела лишь от частоты вращения ротора и составила примерно 0.45Л для Ь.К 1.

Частичный вращающаяся срыв, который согласно литературным данным должен предшествовать полному срыву, а также помпах зарегистрированы не были.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Х.Ыикрорасходный ик является одним из основных элементов систем кондиционирования и жизнеобеспечения ц может оказывать существенное влияние на эксплуатационные характеристики этих систем.

2. Полученный в результата проведенных исследований конк-ротьый вид полузмпарической зависимости для расчета потерь ногат быть использован на стадии предварительного проектирования, что позволят усовершенствовать методику расчета иик-рорасходных осевых ступеней с нетрадиционной геометрией.

Как показала теоретические и экспериментальные исследования, наиболее сильное влияние на характеристики микрорасходного (Ж оказывают критерии Рейнольдса. а качество определяющего допустимо принимать критерий Рейнольдса на входе в шПвил » хотя ПРИ строгой подходе выделить единственный критерий Рейнольдса, определяющий работу всей ступени, нельзя.

Установлено значение границы автомодельности по Яв-цд , которое составило г.бчег' на рекаыо максимального КПД при атмосферном давлении для всех иоследованных вариантов проточной части.

Уменьшение до не приводит к замет-

попу ухудшения характеристик, дальнейшее унеиыление RCwt сникает значение TJad/nax > а ПРИ < происхо-

дит резкое уыеньвенне значаннй ^ад.пах> сл;п • 'Р o,i m •

4. Использование колес о л^патиаии палого удлинения и повышенной густотой реоетки в ступенях цикрорасходкых СК позволяет получить довольно высокий КПД. Исходный вариант ступени ¡шел у ад мах -- 0,64 при А,рк = 0,24 и t рк = 2,3. Для иссле-дсвашшх вариантов значение Яр/г = 0,24 бшико к оптииалыюиу.

5. Экспериментально определенное снижеяио_КПД от 0,49 до 0,33 у вариантов с Хруг = 0,Т4 при снижении от 0,03 до 0,76 свидетельствует о ыенее заиетном влиянии увеличенного радиального зазора на эффективность ыикрорасходнсй осевой ступени, чем зто характерно для крупноразмерных ОК.

Снижение критериев -ризедит к уиеньпению влияния

на эффективность ступони.

6. Установлено, что характерным для шшрорасходных ОК ягляотся полный однозонный вращаю'.' Шея срыв со сравнительна небольшой амплитудой и частотой. Переход к срывноыу реяину обычно сопровождается разрывом характеристики в точке левее максимума напора, причем зафиксировано наличие гистерезиса. Амплитуда пульсаций давления при срыве, уменьшалась при уаень-веш.и У , RCtui I Хра и уволлчении^/- , а граница устойчивости Ул t соответствующая началу срыва, сдвигалась в область аеньалх У при увеличении 8'г и Л,р.к и на зависела отRCxvi •

Использование полученных результатов долнно обеспечить повыаашю эффективности и надежности вновь создаваемых шж-рорасходних ОК, а такка уменьшить cpoicn пх разработки.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Очкова-Начвва Л.А., Патрин Ю.В-, ^опов А.Л. Влияние густоты рекетки рабоче-о колеса на эффективность ступони ыа-лорасходного осевого компрессора //Повышенна эффективности компрессорных и теплонспользующих холодильных машин: Меавуз. сб. науч.тр'. - Л.: ЛТ1Ш1, 198?. - С.61-64.

2. Эффективность осевых иалорасходных компрессоров, работающих при визких числах Рейнольдса /Бондаренко D.A., Попов А.Л., Иестова O.P. НИИхии.ыапиноотр., Ленннгр. НИЙхии.

машиносгр. M.-JI., 1989. « 9 с. - деп. 03.10.89, № 2053-X1I89.

3. Попов Л.Л., Рекстин Ф.С. Исследования малортсходных осевых компрессоров, работавших при калах числах Рейнольдса //Создание компрессорных машин и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического комплекса. Секция турбокомпрессоров: Тез. докл. УШ Всесоюз.неуч.-техн. конф. - Сумы, 1989. - С.8.

k. Шустова O.P., Попов A.JI., Димонтова A.A. О выбора рекимных параметров при экспериментальных исследованиях ма-лорасходньх осевых компрессоров на газах с различными физическими свойствами //Создацае компрессорных машин и установок, обеспечивающих интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического комплекса. Секция турбокомпрессоров: Тез. докл. УИ Зсесоюз. науч.-техн. конф. - Сумы, 1989. - С.7-8.

Подписано к печати 03.03.92. Формат СОхБ4 1/16. Бум.писчая. Иечпть: офсетная. Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ IВк. Бесплатно.

Малое предприятие ТеплоКон" Санкт-Петербургского ордена Трудового Красного Зиамеки технологического института холодильной промышленности. 19100?., Санкт-Петербург, ул.Ломоносова,9