автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Обобщенный метод расчета и профилирования центробежных компрессоров и насосов на основе коэффициентов аэрогидродинамических нагрузок

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

На правах рукописи УДК 621.438

Куфтов Александр Федорович

ОБОБЩЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА И ПРОФИЛИРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ И НАСОСОВ НА ОСНОВЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

05.04.12 — Турбомашины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1994

Работа выполнена в НИИ Энергомашиностроения Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана.

Официальные оппоненты —

Р-Л'

$Гг.тро4 АЯ-

ъоктор пг-еж- каун ^скгяср те**-

версии? Ко

Феъгн&р ¿¿¿¿шс.

^ „ЦК^Ш или- ОЫм

Защита состоится «

Ведущее предприятие —

предприятие

часов на

заседании специализированного совета Д.053.15ЛО при Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по'адресу: 107005, г. Москва, Б-5, Лефортовская набережная, д, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 107005, г. Москва, Б-5, 2-я Бауманская ул., д. 5.

Автореферат разослан « .......199^г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. н., доцент

ИВАЩЕНКО Н. А.

Подписано к печати Объем 5.0 п. л.

Типография МГТУ им.

Тираж 100 экз. Зак. 476, Баумана

■ оадя харшерисша. рабой

Актуальность, проблемы. Основными направлениями технического прогресса цпнтробехных турбшаяин - компрессоров, насасов Л вентиляторов - является повышение различннх показателей, за-вяояадх от типа а назначения ступени, Иа фоне повышенных требований я экономичности вса большее вшиакиэ уцэллотся а дру-гяи эксплуатационным показателям, таким «ait массогабаритнне, виброакусгические, каватацаошшэ и г , многие аз которых '. являютсяобадоиМЧ разных типов турбомашин. Большинство современных подходов к расчету а оценке показателей центробежных, гурбомавдн разрабатывались независимо для каждого типа, несмотря на то, что процессы преобразования энергии в «их, особенности структуры течения через элементы проточной, части а связан- . .аде: с этим характеристики ступеней имеют много обазго,' ,

На.драктика известны пряшрн удачного исполизал конструкций о отдельными высокаш показателя;®, большинство аз них полу чаян путем экспериментальной н дорогостоящей доводки. Дальнейшее соваряеясгвовагмз качества пра]дадярованая возможно на основа долее глубокого прош-.-давошш в структуру пространственны* течений в эледантах проточно!! части и привлечения мйгодов расчета, базирующихся на распределенных аэрогидродинамических параметрах по поверхности пространственной решетки. Гвдроданама-. ческая целесообразность расаредзлецай этих параметров, используемых в качестве исходных данных при проектирования должна бить определена о точка зрения конкретных требований х ступени.

Обобщение овита адахных областей теории я расчета цонтро-беаных турбомашин различного паоначэшш, углубление шфэрмагии о разике точеная ч^реэ элементы проточной части а особенно через рабочее колесо, выявлекяа характерных особенностей влияния распределения аэрогядроцинамачзскях параметров по поверхности, реаатка' на показатели ступай а..лется актуальной задачей.

цэль работа заключается в исследованиях влияния распределения'нагрузок на структуру и потери в решетках центробежных турбомашин, разработке обобщенных инженерных методов расчета й профилирования центробежных турбомашин различило назначения, позволяющих проектировать ступени с учетом предаавдяэшх к ним требований.

Задачи Ессдодо^анид - проведение теоретических и экспериментальных работ до изучшиэ стр;~«удо :.отока в проточной час- • та турбомашш, в сои часта в относительном движении, разработка обобгонных парамзгров локально^ и интегральной яагружэннос-5а рещэток, ьоодэдоваиаэ влаяива массовых сил, кордолпсозых н цзптробекшх, возшка-зцпх пра врацеяац рабочих колес, на коэффициенты турбулентного обмана а отрыв потока, разработка ¡.гзто-дов расчета, профилирования и рекомендаций по выбору фориы проточной части. Объектом асслодований являзтся цонгробааша коглдрассорц д насосы ссерадиального и радиального гадов как специального, гак и обдего назначения. • '

Научная когтна. На основании штока уравнений и теории частичного подобия дрещтэка обоснование катода анализа и -профишроваши злвшатов проточной части хурбомашк по коэффициентам аорогидродшшачэскйх нагрузок заклачавдэыся в соблюдений кинематического подобия полай скоростей идеальной гддкости б модельной и проектируемой решетках, рассматриваемых так гранд л ыа уеловая на кицках границах для уравнений вязкой аидхостя.

.Из статистического анализа сучеотвуювдс конструкций и экс-"' перишнтальяо-теорэтичзскшс исследований влияния массовых елл на.процесса турбулентного обмена определено распределение нагрузок и эквивалентных им скоростей по пробил», гидродинамически целасообразное с точки зрения КОД ступени и справедливое для всех.типов и назначений центробежных турбомашш - насосов, компрессоров а вентиляторов шзашсаш от угла выхода лопатки

К» • ' .

Предложены поправки на параметры отрыва пограничного слоя на вращающейся поверхности, которые показали, что критические значения параметров отрыва, содержащие градиенты .давления или "короста по длине лопатки существенно зависят от вращения, в то время как форшарамегрн, лосс. оешше по характерным толди-нам пограничного слоя и само распределение скоростей над точкой отрыва от врадения практически на зависит.

Проведены сравнительные экспериментальные исследования в • относительном движении в рабочем колесе при гидродинамически целесообразном и традацаонаои распределении нагрузок по промяли, позволявшие эданить влияние распределения нагрузок на сгрук- '• туру потока в рабочем колесе а найти корреляционную зависимость • коэффициентов потерь от коэффициентов нагрузки в виде коэйфи-

шента И'К'Узоргюста л вэллчани тормэзеняя скорости на стороне разрядная.

Разработали кзтоди решения обратных и смэзашшх задач гидродинамика, предназначенные для профилирования решеток рабочих колзс я диффузоров цэятробеглнх гурбомзшин по коэффициентам азрогицродшгаг.пческях нагрузок, где з'качзстве распределенных хоэ^ицаенгоз нагрузок по длано лопагга попользуются бэзразтар- ' нал цпркуляидя, относительные скорости, форгазраглетри пограничного слоя и др.

Предложены лривзяешшо коэффициенты я параметры ступеней, яозволявдзо обобцать шзвдяйея олгт ашшх областей и с единых яозащЗ подходить к вабору параметров а проектированию проточных частей центробежных хошрессороз а насосов.

Достоверность н обоскованяооть паучках положений определяются

- прамэнззпе:,! достаточно обцей сдстемц исходных уравнений двяжзниЗ л теории подобия, с потдьв ютернх обосновивается и выбираются количество и тая аэрогидрояаяаюадегаве коэффициентов к паргкзгрсв;

• ' - дспользоваяызгл ©Лирного эксперт,кэягаяьного материала различных фирм а организаций как отвчаствэтшх, так д.иностранных по параметрам я характеристикам компроссорних и насосных ступеней, а та:кз отделышх элементов проточной часта, составляющих основу статистического анализа;

- применением пря проведения экспериментальных работ по замерам параметров в проточной частя в относительном и абсолпт-нюс движениях общепринятых тагодик а средств язизреямй;

- экспериментальным подтверждением яа специально разработанное сгзндэ определяет^: положений предлагаемого метода, полученных из анализа статистического материала и теоретически: исследований. - г '

Значимость работы для науиг ч практика заключена в том, что:

- развита расчетно-теоретаческие осповц проектирования ч отдельных элементов а всей проточной части цэнтробеяшх турбо-дашан по коэ^ацйеятам аэрогядродшшичзских нагрузок;

- разработаны обобщенные коэффициента я предложены рекомендации яо выбору параметров, опрэдзляйцих форму проточной частя я ее отдельных элементов для ступеней компрессоров я на-

сооов о углами выхода лопатки 15° до 90°;

- предложены ми чела потерь г зеветк х центробежных турбо^, машин в зависимости от коэ^ицавнтов нагрузки, арзваяяэдВе проводить одтлшзациошшэ расчет при выборе основных гводатричвй-* ких раэмзров;

. - разработаны алгоритмы и программы профилирования ороот-ранствешшх решеток по коэффициентам аэрогидродашшчэоадх нагрузок как для общего случая, когда геометрия дротоадой части . i определяется только распределением продольных я поперечных нагрузок по относительной дайна лсдагки, тек а в случае, когда -на геометрические форш накладываются какае-либо ограничения, связанные с методом изготовления я коясгрукглвннми особеннос-тяш! ступени; ".'■ V

- разработаны рекомендации и рассмотрена условия, лозло-ляшде учитывать требования к сгулена на различных стадиях

' профилирования и тем сатм разрабатывать кояструкцииспрог.нозв-руемшлй характеристиками; . . .'""

- результата выполнэяной работы внедрены на предприятиях КБ "Знергомаа", ПО КЕЗ, а такхе. в учебной работе, .:. .

Дрррбацзд работу. Материалы диссертации докладывалась на Всэсоаднах тавузовскид кон.]^рошйях',Гаэотурбанкыеи комбаки-рованшз устаноахи"(х.!ДоокБа, 1974, - 1387,; 1931 Г,Г,). Всао&- - ; взной ахшш-сфлхнарв "Газодинамика а яводооймея в анергетачас- , . | ках установках" (г.Язаново, г.), ЗЗсасоэданнх кон^ереядарс . | "Долговечность энергетического оборудования и данадака гицро» ! упругих опстви" (г.Челябинск, 1396 г., г.Ворон',., 1939 V,), ;

Всесошко^ школе-семинаре аогаадагшам-лке больших скоростей- ' (г.Красноярск, 1937 г,}, вд моа&унароцяом симпозиума по гидродинамика лопаточных шши Китайской Акадешш ваук(КатаЙ, Вайя гт» июль 1990 г.), на семинаре по проблемам ыашадоведения < (г.Лосква,-.¡ЫАИ ДН ССОР.-адрэдь Г .'31 г«). /.

Щ^ЫШШШ» Основные материалы диссэртавда. опубликованы : в 23 печатай работах, а такае в акагодаых отчетах до госбвд-датным д хоздоговорным явтл Йнсгатуга Шшковевдядя ш. А.Н, Ьшчжравова за 1.334 - 1939 г,г« '•

А

- теоретически и эксаершэнташк^ обоснованный метод проектирования проточной части цеатрибеяню: ушпрессороз и насосов, основанный на распределенных и интегральных коэффициентах аэрогвдродпнамачвских нагрузок а обобщенных безразмерных лорамзтрах;

- метода лро;ялар'ованпя пространствен.шт. рэпзток центро-беиш:-; турбомаваа ::а основе обратных и снашашшх задач;

- K0MUI3lr.CH!'!Í ПОДХОД К $0РМИР0ВЗН11!Э проточной части, позволявший учитывать требования к ступени на стации про^ктярсш;. нея и создавать конструкции с прогнозируемыми харпктврпстика-¿1E5 при í,ü!lfflr.0.1bj:0íl объема Г:"ВОДОЧНЫХ работ»

Структура и объем работы» Диссертационная работа сос.саг' ?.з введения, 3 глав, заключения а прялоаения (документов, под-гверлсгавздах ваедроша). Глава I содераяг анализ судествущих разу■''-гое исследований пространственного вязкого потока в проточи« а части цонтроболшх турбалавш, методов г проблем проектирования, а гакхе ¡уоргл-дяровкл конкретнее задач исследования. Главы 2-7 оодархат рззультаты зкполненянх гсслецоканий, основные выьу.ды и 1)г>кошиш«аа.

Работа со двр:;тт 270 страниц машинописного текста, \С S рисунков, ? таблиц. Список литература вкла-шет 233 над-кенования.

C0i[SPZAIÍ'I3 РАБОТЫ

до введения обосновывается. актуальность проблзш повшае-ния 9-¿);qkthehoctíi цзитробеявых турбоизкин, заккмавадах значительное косто в современной провдшепнссти. Подчеркивается цолзсоо^гчзкостг, обобаешшх методов анализа, расчета и проектирования кр;"'.э(;сороз ц насосов, позволяющие подходить к ¡шл с единых яозавдй» а таете учатньагь возможные требования к ступени на начальных этапах проектирования. Подчеркивается,, что разработка лои^'шк методов трэбуог расширения дн.±;ормаши.-с точении вязкого , -остраяство;:.гого потока-черв» элементы проточной часта центробежных ту^боглш« и особенно через шш колеса, где течение происходит в условиях тормо:.®я-:я скорости, сильных вторичных течзгин в нолях инерционных сл-т. В

качества критериев качегва потока предлагаются распределенные по поверхности решагки шш другого: эдеыаг :а аэрогидроданама-чесша параметра, названные аэрогадроданашчвскима нагрузками. Приведена обдая характеристика работы. •

В .главе I рассматриваются процессы течения и современное состояние штодов расчаха и профалирбваная. проточной части . компрессоров, насосов и вентиляторов. Отмечается, что физическая картина тачанпя в. проточной части центробежных турбошшн отличается больше сло'-упость», что затрудняет разработку катодов проектирования, , чягиваодах происходящие в ней гидродинамические процессы. Наибольшую . информацию о процессам. течения дают заморы параметров пространственного потока как в контрольных оеченаях, так-к до поверхности'элементов проточной части. Подобного.рода зашры отличаются большей сложностью а часто . требуют специальных отаадов и аппаратуры, '.особенно прд замарах в межяолаточнкх .каналах колеса в относительной двигении. Этим можно объяснить ивькоточжяапнооть акспаршлвнтальных исследований пространственных потоков, особенно в рабочих коле'сах центробежных ступеней. Из зарубежных исследований следует,отметить Фаулера, Зкарда, Крейна, Ариги и Ватанабе,. Кауэрда и Китшра, из отечественных - Тарасова А,И., Тишкна В.И., Икарбуля S.U., Мартынова В.М., Измайлова P.A., Губш.а Б.А., Корзина И.¡4. Методы 'заывров пространственного потот. д в рабочих колесах ь ди|>-фузорах отличаются большим разнообразием: от медленно вращающихся крупномасштабных моделей колес с наружным диаметром = = 2 ми оператором, • врацаицанся вместе с колесо;, до дазар-доп-длеровских методов. Однако, наибольшее число опытов. проводилось традиционными приборами, с передачей сигнала:через передатчика давления ели токосъёмника.

Обобщая результаты различаю, авторов по исследованию ,. пространственного потока в отлос:: эльнои а абсодвмном движениях, можно отметить одедущеа:

I. В вдздооатюве канаяах рабочах колес цантробошшх турбошшн над вдашаам вязкости» кривизна s вращения форщруетоя сложная структура течэюш, ооцардацал области с накзкоэнергати-ческаыа масоаш аадкоогд, с^радоточеняая в угловой зоне манду покрывши дне о» ада корпусом и стороной разрлзданая лопатки.

G

2. Вероятность образования данной структуры, получившей название "струя-след" пропорциональна степени погруженности колеса,.пропорциональной углу выхода лопатки колеса

3. В радиальной части колеса присутствуют вторичные течения, перестраивающие поток по сравнению о течением невязкой жидкости,

4. 'Неравномерный квазиставдонарный поток с высоким уровнем пульсации, попадая в безлопагочный и лопаточный диффузоры за колосом вызывает нестационарные гачвная гак а косом срезе, так и во всем канале лопаточного даЗ$узора.

5. В однотипных колесах структуры потоков в автомодельной-области подобна.

Отсутствие ыатематичесшго аппарата я достоверных методов расчета для уравнений даизвндя вязкой аидкостя с одной стороны я потребности практики с другой выяуяда» яерзходеть к упрощенным моделям течения, дополняется опытам дашшма- по связи геометрических и г-кашних параметров с еа показателям я ха-ракгеристикаяд. ¿¿а осяовашш этнх модзязй разрабатывается раз-лячаые по степени сложности а назначала® изтоди расчета, которые М0/Л50 объединять в тг>л основные группа; расчет по осроднэн-йкм параметра« в контрольных евчгншх т осково законов сохра*-яепия в яйтеграо-ной йергле для этих сэчена Л, позводстщай оценивать осI.' п'И9 парштатри стушзнп; на осноп?яаа дз|фзраш$аяь-ютх уравнений идеальной гадшяя »фф;»' аЛлора, дояолкяэшй, где это возшзно, уравнзняийа -згрзначясго слоя и сяужгзИ яяя определения параметров гзздякя по тъэрхяоет прсекгярузюто эяетвга проточной часта тэду койгролы'й^г с>?зяпяг,я; я, наконец, на осяоео полнях уравнз- Йаг^-Сгокса.

. Степень достоверности ре ульг&тов пра яспсльзогиняя первых двух гзгодов затея? от постоввркосгл оИо'.'л дзкигх З'.'СЯв-ржхота, доатаящах н мшёясядакра унрек^яия осяое'шх уравнений двязяная, Третья, группа ьк ходов ограяячзяа урсш бнег-родэЗствяя еогрэизнних я по уровни разработка штв&атидае-^ еого аппарата ег.э на мояег бить рекомендована для целой ярой- -тлчэсксго псяжнеягя яра продзшровашя осяовнше бязмзягов проточной часта цзятробегних кошре.сссрсв а яаеаеов.

Исхотл яз этих сооЬра-шшй, основной /пор в даяяой работе

при разработка выбора основных геометрических соотношений и профилирован!,« проточной части 6v~ сдала; на первно два метода. Расширение Еозмо,кяоста2 стих методов было реионо проводить путем обобцапия экспоришзнгальша данных на основе распределенных и интегральных аэрогицродияашчзсшх коэффициентов.

Отмечаете;;, что яря проектировали проточной частя должны бить учтены требования к хуроомашша, определяв.»,™ оэ назначением и условиям-: работы. К нш относятся: максимальный КОД ступени, кш-рмальлая вшЗроакустика, минимальные масоогаба-ритние параметры, диапазон и наклон характеристик, технологич-нооть, стоимость и рад друтпх. Конкретный набор требований оговаривается в техническом задании на проектирование и должно учитываться уае на стадии проектирования. Весьма слолкая даргина тачания в проточной части центробежных компрессоров и насосов с проявлением вязкостных эффектов во bcsî; области потока кожа г быть охарактеризована системой распределенных ка-раиетроз, в качества которых выступают локалыше коэфряцнвитк -нагрузка. iopm профиля ставится в соответствие задашогду распределению нагрузок, которое определяется из тех или ппах соображений и долхао учитывать требования к ступени. Поход профилирования по распределениям нагрузок возник как альтернатива геометрическому методу, при котором форма прочтя задается' ' априори по произвольной аналитической кривой, на связанной напрямую о парамзграьа течения в мелшопат очных каналах. Повышение параметров центробеаошх компрессоров (увеличение dîf до 6...12 б о,оной ступени при приемлемом уровне ICI, увеличение КЭД высоконагруаеншх вентиляторов и насосов, а такжз улучше-1Ш8 других показателей ступеней)', полученное в последнее десятилетие во многом связаны с развитием гидродинамических дрдхо-■ эв при профилировании элементов проточной части. Здэсь в порву» очередь следует отметить рас.', ты Кении, Вуда и Марлоу, Бадье за рубежом, Парельмаяа Р.Т. д Паллковского В.И., Соломахо-вой Т.О. (ЦД'И), коллективы авторов во главе с К,П.Селезневым (Ж1>, Г.Ю.Степанова, А.В.Федорова и .других авторов в России. В качестве коэффициентов нагрузок применялись распределения безразмерных скоростей и градиентов давления, моментов скорости, коэффициент'в напора, эквивалентных углов, формпараметров

В

пограничного слоя и другао локальные лэраттры,

Вг.ьсто с хаи ох:,«чается» что выбор тог или иных параметров а качестве коэффициентов нагрузок, а тагско количества шс распределений по поверхности проектируемого олемонга, большинством авторов производится из чисто качественных. соображений. Отсутствует адата;! подход доле при выбора распределений коэффициентов для таких родственных по принципу работы л прообразована» энергия потока турбс.маццн как прессы ::с?гпрессоры и вентилятора, пет ноткой связи :.:o:yiy распрздолоиаек коэффициентов п техняческша поглзатолдга турбо.тадны, не рассмотрены вопросы продельной нагрунекностп рзк-зток рабочих колес г. диффузоров, Решешо парэчаслошшх вопросов поовядена данная работа.

До зтопо^ глчвв даются творотглосгае и яракхзчоокав основы метода щюфилнровгушя рзшзток и других элементов проточкой часта по коэЛициентам аэрогядроддксдячесгах нагрузок.. -Коэффициента нагрузка рассматриваются" как система распределенных и интэграчьных- ааракзтрэв, на основе которых яроязводатся обоб— цепне экспериментальных данных по характеристикам течении через элег/ннты проточно.! части, а такие гак ас::оддав дакшз обратных задач при прс.ралгровакая ресзток. Рассматриваются в критериальной '£оркз уравнения двякокяя зкзгай гддксота а об^зм случае з систеш координат, врадаг,9йея с постоянной угловой скорость»:

S к l| r c^.f = - Е„ у + 1 С^2 Я + % <V• о -Sf, f ф = О

В относительной движении аадкэстд через рабочее колесо и известным коэффициентам подобия Струхаля , ЭЕлера с« и Рейяольдса Re добавляется числа Россба Со « w-.h/vj. я цзнтробекнше сил = <J tH/W^

Проектировать рооеткн по к: !.]}.жцяэнтам нагрузки целесообразно в области авгокодельяоети, в которой характеристики. .течений перестают зависеть от критериев даяашчзокого подобия. Границы автоподедьноота по числам Ь?> , я для решеток я других элементов проточной части известны из опытных данных для числа подобия Россба при течения через рабочие колеса ко;,стрессоров и насосов существует оптимальный диапазон Uj./'Wj, =2,5.. .4,0 и Rc. « Uj/Vj. = 1,3...2,3. ■ лоэ'Фгяцаелт подобия центробежных сил |cv ъ Sir .

поскольку коэйиинент кинематического подобая в уравнении (I) равен единице, что дачз т .аагоме шьной области, для получаная идентичных характеристик потоков додано быть соблюдено полное кинематическое подобие, внразавдееся в равенстве, безразмерных конвективных составляющих течений уравнения (I) в проектируемом и модальном элементе проточной части.

Знание поля производных скоростей реальной жидкости по поверхности олеыеата равносильно решению уравнения (I) на сэг'ллмя для цэл8<! профилирования нереально. До этому ,в ка'частве эквивалентного параметра, распределение которого по поверхности элемента однозначно определяет распределение скоростей реальном аядкости и легко модет быть найдено расчетным путем, предлагается распределение скоростей идеальной: жидкости. Тогда ■распределение скоростей идеальной дидкости служит краевида . (граничньми) условиями для уравнения даисения вязкой задкосш в йорме Наьье-Стокса (X), чго при одинаковых безразмерных уравнениях и собллданал'условий однозначности обеспечивает идентично* л> решений для системы (I) в модельной и проектируемой решетках. Наличие аьтомодольности по коэффициентам динамического подобия не трабует соблюдения строгого геометрического подобия, что расширяет класс рекэток с разной формой, но с бтг:-яш характеристика® течений и параметров потока. , ,

' Таким образом,' профилирование элементов проточной части по коэффициентам нагрузка сводится к соблюдению кинематического подобия течений идеальной жадности в модельном и проектируемом элементе проточной части при наличии ат. оиодельнооти по коэффициентам динамического .подобия.

Вместо распределения производных скоростей по доеерхностя решетки могут быть использованы -дойне другие распределения "■адроданамичоеких параметров, ощюплатао связанных с распределением производных. £ качестве : ких параметров применялись или могут быть' применены: С* С I ) = дР«./^* ~ безразмерный перепад давлений по нормали -а (Кении); СсС I- ) = 1 = л 2 •. - дл^/^ - безразмерный перепад давлений по шагу (ШТ7)'; 4Га { I ) = - перепад скоростей по шагу,

отнесенный.к окружной скорости колеса , (ШШ; = = Съ*~Уя) (Л *//<'--) • (I + ^ Со ) - ¿ормпарамэтр пограничного слоя (-ШУ); $0у { £ ) = I - +*зг М» Д» п У -

критерий даф^узорности Дибланна; и, наконец, сама скорости и

их производннэ по сторонам давления и разряхояия вдоль относительной длины лопатка 1=1 /L« • Условии ганекатячес-кого подобая определяет необходимое и достаточное количество распределений указанных параметров. Данные гидродинамические параметры можно связать с силовыми характеристиками решетки. Иомент сечзшя, например, внракается через коэ^щр.зяти ¿,(i) и как

tx^ ¿Л йзг^ч.

где Г*(I) - относительная циркуляция, приведенная к скорости на входа в сечение решетки. Григорий Дощд'зорностн ■ может быть выражен через сушу продольного fj И (I - w ) и ПОПервЧНОГО J isdil i-p*AM£-Httí.5 Скорости, r^e .

Fu = ftw^/UjJieVcÜ - относительная циркулей приве-

денная к окружной скорости . Исходя из этих соображений, как локальные так а интегральнее параштры объединены обдам названием коэффициентов нагрузки.

' З^ректявность про/нфоваяая элемента проточной частя зависит от того, насколько распределение нагрузок соответствует требованиям к. ступени, одам из ва:.'.нэ/кюс из которых является высокий Hk. Для выявления распределения нагрузок в решетках рабочих колес гидродинамически целесообразных с точка зрения .КПД, был проведен статистический анализ суцествуюднх конструкций, в которых результаты испытаний и распределения нагрузок по поверхности лопаток опубликованы в литературе. В некоторых случаях, когда была известна только геометрия решеток, распределение нагрузок определялось расчетом роаения трехмерного невязкого потока.

В проведенный анализ вошло более.ста рабочий колес различной нааорностп о угла!,« выход« лопатка 15.,.90°, коэффициентами быстроходности я БО..«I5Q;, { Кл « ОД..-. " 0,4), со степзнькГпоБшиешж давления (для компрессоров и нагае-тателеЯ) Síjj я 1,1...15, с чяслои лопаток £.г = С...36. Ступени осерадпачьяого и радиального типов бала спроектированы в различных организациях я йирглах как нашзй страны, таге и зарубежных. IIa первом этапе было проанатязпроваяо влияние максл-

1 А

О//

до О 2 С>4 Об ОД 0 {с /¿"¿о

Изо. I. Изажошо относлтелъкогз квд колэо £ = сг как-

сшиаойоро злачогпа иоэфТздаэяга штрузкз ;ик ра&гах юшрво-ооров, нгоооов и шшжяюроа осврагдашого и родидавмч •дшоз.

' И . зоны осорадлалышх холзе с макотельг-ддл над к на 2 - Ь% :ш:с максяиашюго, ттот-г гтятг — колоо с Е£к\даой системой стзпвва без яотатнак .

■ и>г Ц/

* * ~

Еио, 2. ■1^да0да1«йш80ка целесообразные области распределения относительных значений. коэг^яцявнта нагрузка С* ~ / п еред- ■ скорости V/ = / дм парифераСэпх сачэшй однорядных рабочих колао, соотвзтствувдпз зоне I ряо. I, ■ ' . • > 1Ц) - скорости на сторонах разрешения и давления при Л-/«4? - 1»Р» '-.—- бвэотршт эдора,' тщг'г.-г - Сс лш ра-

„лалышх резоток,

■

мального значения коэффициента нагрузки Ссг»«* кг относительный КПД колеса \ ~ 'i/Ч ПРИ Работе в ступени (рис.1). Через опитние точки, заполнившие эаштриховашгае поле» проведена огибающая, выделившая « 0,6. ..1,1. Больше значения (до 1,2) при \ ® 1,0 соответствуют ступеням с БЛД. Параллельно огвбаквдвй проведены кривые, где ЛЩ бьш менее максимального на 2..-3% (зока й I), на 3...6% (зона й 2) и меньше (зона Л 3). Для. этих зон были построены распределения нагрузок С* = CtíeJ/OtMa* и ^KJ/W i пери-', ферииного, среднего п втулочного сачений всех ступеней, попавших в эти зоны. Оказалось, что распределение нагрузок, соотвэтст- • вующях- ступеням зоны I укладывается в узкий диапазон независимо от назначения ступени (касос, компрессор, Еентилятор) и'угла выхода лопатки . Данное распределение нагрузок и соответствующее ему распределение скоростей било признано гидродинамически целесообразный с точка зрения 1ОД (рис.2). Распределение нагрузок колес зоны 2 отличаются от распределения нагрузок зоны I по коэффициентам Ít(í). ила и отличаются большим разбросом; в распределении нагрузок зоны 3 не удалось выявить никакой закономерности. Гидродинамически целесообразное распределение нагрузок в радиальных колесах совпадает с таковым радиальной частя осерадиалыих колес. Распределение скоростей,' соответствующее -гидродинамически целесообразному распределения нагрузок, показано на ряс.2 для периферийного сечения оезрадиалы-юго колеса. Среднее и втулочное сечения характеризуются меньшим уровнем нагрукшншети.

Гидродинамически целесообразное распределение нагрузок и скоростей периферийного сечения колеса имеет ряд специфических особенностей. |Лаксшдальная величина нагружекности де:зит в области I = 0,75...0,05 относительной длины лопатки, минимальное ториоденае «усоро-ти - а 0,6. На стороне даълэния осерадиальных колес в области з -орника минимальная скорссть на превышает величины 0,5 от скорости на входе wt , з ра-. диальной .части - 0„25 . lia С'.:-оромэ разряжения радиальной части скорость-близка к постоянной до области .максимальной нагруяенности. Величины суммарных аэрогидроданашчеспнх коэффициентов, соответствулщг. эпюре ЩРС, 'леиат и пределах = 0,45...0,7; Ги = С,23... JB45; = 0,45...0,65.

Статистический анализ подтвердил, что" колеса, ишицаа: максимальный КПЗ, обладают кане» . тнчэал подобным течением в проточной части колеса независимо от угла выхода лопатка, Из условий'кинематического подобая решеток, равенства эпюр ■ скоростей а ах производных по поверхности лопатка, следует оэдать равенства в них относительной ширина каналов я А « = , приведенных чисел лопаток "Йч- = Зг/ыи £ и

приведенных коэ^фицаентов расхода » Сю/(и а

Трвть^ глава посвшена исследованию причин характерных особенностей протекания скоростей по сторонам давления и разрежения на лопатках рабочих колес, заюшчаюдахся, в частности, в том, что на стороне разрешения пра гидродинамически целесообразном распределении скорооть близка к постоянной на всеЕ дайне радиальной части, в то время как по сторона давления ' тормозакие скорости более чаи в 2 раза превосходит критическое (отрывное) значение для неподвижного канала или осевой решет-, кн. Для этого бала привлечена теория пограничного сйоя о анализом массовых сил, кораолисовух я центробежных, влияющих на коау^ивденгы турбулентного, обмена, Преобразование уравнений двяяенад в уравнения дограшчкого слоя на враещщвйся пласгд-не с удержанием членов порядка и выше, оправданных'при

толстых пограничных слоях показало, что градаент даэлан'ия до- . перек слоя в отличав от Ярандтдевского приближения равен не нулю, а суше градиентов от корждао'овшс л центробежных сил, причем градаент давлений от. центробешгых сил ютоянйн поперек слоя. *

Массовые силы а их градиенты образует поля, имевшие разные знака на сторонах давленая и разрядная. Из теории устой- • чивосхи, вооходяцей к работам Ралед а Ляпунова известно, что * если сила..и тардиент этой силы /азного знака, процесс становится неустойчивом а наоборот, пра одинаковых знаках - более устойчивым. Ира турбулентно^ двшенаа ансамблей кадкостя, движущейся из слоя в слой в соответствии с этим правилом, на стороне давлейая происходит увзлаченае поперечной неустойчивости, выражающееся в усиледии турбулентных пульсаций, а на стороне разряЕания - омаблзяае пульсаций и уменьшение касательных напряжений, приводящее к лашнарязащли потока и, тем сашм, к

й -

уменьшению способности противостоять встречному градиенту давления. Качественный анализ,'основанный на теории устойчивости,' позволяет объяснить отмеченные вше особенности протекания скоростей при гидродинамически целесообразном распределении на сторонах давления и разре;зения радиальной части колеса, а также отсутствие отрицатачышх* окоростёй при отрывных течениях на сторона разрежения, отмеченных в экспериментах автора и других исследователей.

Задачей количественного' исследования било введение поправок на распределение параметров погранслоя над точкой отрыва, связанных с влиянием вращения и оценка величин предельного . торможения скоростей на сторонах давления и разрежения лопатки колеса, В основу била принята модель длины пути перемешивания Прандтдя. Было сделано предположение, что приращение длины пу- . ти перемэщватш пропорционально избыточной массовой сие . , вызванной силами Коряолиса-. Центробежные силы от врадаиия колеса как силы потенциального доля избыгочиой массовой силы' не создают, как и работы при движении по .за'яснутому контуру; соответственно, влияние их на турбулентный обман отсутствует. . Прирадзние длины пути пе^зм-зиивадия в таком случае равно

di ~ Jfvsi-rU/siK ~ sig». (fá<?w f,)f» елп где Д^ - коэффициент Монина-Обухова, выступавший здесь как коэффициент пролорциональности, • - характерное время процесса, Я - количество движения из слоя в слой. ¡Ласштаб времени ¡Гi для турбулентного течения макет быть виражзк как

Для ламинарного точения ft~ е'/с где е' а а - длина и скорость свободного пробега молз1сул. Параметр

кг = П/ FK ~ Л ít

мо;:сно назвать критерием влияния массовой силы (в данном случае -кориоласовой) на величину касатэлъяого надрякеняя жидкости при сдвиговом течении. Ъюлэнкш расчет показывает, что на лопатках рабочих колес центробежных гурбомашя при турбулентном тзчзшш ■ tt = 0,05 - ОД; при ламинарном кг = 10"^, что говорит о за.'.юг юм влиянии сил' Кориолиса на турбулентное развитое течение и практически об отсутствии их елияния на ламинарное.

. Коэ.Ткяц'д-знт .Монина-Обухова для вра-цахудихся пох'ран-

слоэв обычио^прдЕилается постоянным. 3 данной работе, исполь-

зуя схему Прандтля вывода касательных турбулентных напряжений, но с учетом дополнительных /ш лор'.олиса от пульсавдон- ■ них составля-одих бнло получено,, что коэффициент ^ .меняется до высоте слоя и может быть выражен через отношение нор- . мальншс е касательных напряжении •

где {* - ко&> Тициент одноточечной корреляции, Ч = уЛС -относительная толщина слоя, Т> - голодна пограничного слоя. Характер изменения ^¿('0 на сторонах давления и разрежения, построенный на основании экспериментов ¡4уна во вращающемся канале постоянной площади, построенной по данному выражению, показан ка рис» 3 . Средние значения « соответствующие ряс о з а равные 2 „5 на. стороне 'разрекеная и ~ 4 на ■ стороне давления удовлетворительно согласуются с рекомендациями Бредшоу и Джоне г она, получзшшв из условий согласования с глопераизяюм лра расчетах яограыелоев на врадовдейСя поверхности»

Гаспредаяение коэффициента трения поперек слоя в общем случав выраиено как

ът*

* ъм^^к-д . (2)

Пренебрегая Еэличпяоа л производной коэффициента трения на границ слоя, из ' 0. ) бшш получены выражения для распределения скоростей поперек пограничного слоя. \?и>Сч) • величин критических форшараштров , и распределе-

ния коэффициентов трения над точкой отрава как поправка к соответствующим величинам на неас.-.вияной поверхности:.

- Чн( А 1 2 к^ЫлЙ) '■( 4.)

Здесь'принято, что ' , где !б> -коэффициент пропорциональности, индексы ¿> и м обозначают вращаацуюся я ?.алодважную поверхности.'

г

а.8 0,6 о,4

44-!

о : да

£о -

•fч '-г

F

A4« - Г\ s ab 1 / i/ Â

щ

2 ^ 'ZfM

Рис. 3, Распределение козф-fnçicirra Монина-Обухова = с,5w-j-/ поперек враидо- -

иогося канала; I - сторона раз-ро:'.зти, 2 -.сторона давления.

с

9 «г

. > v

/

■ й^ -у"""

*

г4»-

К» s/s"

Рис» 4. Расчетные s зксперя- ' ментальные дашшо по распределению скеростей над зоной отрыва; I, 2, 3, 4 - расчот для различных состояний пограничного слоя, v - эксперименты 1.ГОГУ в рабочем колесе ЦШ; остальные толста - даннпе разных авторов для неподпютой поверхности.

0,0 îs <\os 0,07 s s»

Рис. 5. Расчет точка отрыва на сторона разрекзния вращающегося диффузора; I - относительное изменение критического значения форипараиатра Ч 5 2,3 - текущее изменение формпа-рамотра для шоокого н среднего расходов; 4, 5 - точки отршза; G, 7 - форМ-параметр H ; 8, 9 - коэффициент гранд: на стенка; » ч * - опыты Мура. ,

Из ( з ) и (4 ) следует/ что владение оказывает сучест-. венное вяаяндо на критерий отрыва пограничного слоя и распределение касательных напряжений над точкой отрыва и незначительное - на распределение скоростей. С соответствии со знаком при коэ£.одщеит<з Моника-Обухова критическое значение формпара-метров ^ на стороне разрежения уменьшается, а на стороне давления - увеличивается, в то ко время формпараштры типа

Ц = Б*/ 5 ** от врадения зависят незначительно. Сопоставление результатов расчета по приведенным выражениям ( з ) и () с экрпврчмзнгальнами данныш ¡,1ука и Да. ¡¿ура, полученными при безградаэнтных и дйудозорных вращающихся потоках показали хорошее совпадение (рис. А ). Для оценка справедливости распределения скоростей над точкой отрыва были поставлены специальные эксперименты на рабочем колесе экспериментального центробежного компрессора, спроектированного автором и по,дробно описанном в глава 4. На рис. 5 показаны результата этих экспериментов, ь. такие результаты других исследователей на неподвижной поверхности.

Используя полученные поправки на изменение критических значений ¿орипараматров над точкой отрыва (уменьшение '

в до 0,5..,0,6 на стороне разрежения и увеличение до 2,..2,5 . на стороне давления при уровне 6/ в юКа/и* = 0,05...0,1), была проведана оцонка величин критических значении тормоаения скорости на лопатках. Подучено, что при торможении'скорости по отрыва на неподвишюн поверхности Шц> = 0,55. ..0,6 в радиальной часта колеса критическая величина торможения увеличивается" до 0,7...0,8, а на стороне давления уменьшается до . 0,2...О,'¿5, что находится - хорошем соответствии с гидродинамически целесообразный распределениям скоростей по лопаткам, определенным а главе ? из статус.: .го анализа. .

Ч эп1 четвертой г^авц входит выявление особенностей струтаур точения и определений потерь в рабочих колесах,-лопатки которая били спроецированы традиционным (геометрическим) ма;одо[,:'и по гидродинамически* целесообразному распределения скоростей,, т.а. находящиеся в облает и II в I рис. { Дш этих цадей авто4: был спроектировгл специальный крупно-:'.ас .кабний сте-^ цоцуробежой ступени, которчй позволил прово-

'Ч

.цить замеры параметров потока как в относительном, - так и в. абсолютном двикэнаях. Габариты стенда - диаметр рабочего колеса <ЙЬ = 800 мм и высота лопатки = 40...50 мм - позволили использовать дая замера параметров в ядрэ потока ти- • повыв насадп с размерами приемных элементов 4x4 мм. Скорости в пограничном слое замердлись с помощью трубок полного напора ф - 0, 5 мм. Сигналы от предающихся насадков на вторичные приборы подавались через передатчик давления.

Было испытано пять вариантов проточных частей осерадиа-льных колес, отличающихся »формой меридионального контура и формой лопатки. Параметры испытанных колес соответствуют высо-конагруженнык конструкция;.!, углы лопатки колеса менялись в пределах j>eJj = 60...90°. Данцый. уровень углов сопровождается 'ярко выраженной структурой типа "струя-след", облегчающей исследования характерных особенностей вязкого потока в ступени, Сравнительные испытания различных форм лопаток, спрофилированных по геометрическому методу и по гидродинамически целесообразному распределению нагрузок каздый раз проводились в одном и том же меридиональном контура, но при одинаковых параметрах на входе и выходе'; Форш меридиональных контуров рабочих колес показаны на рис. Q.

Изменение полей скоростей в рабочих колесах, имевших традиционное и гидродинамически целесообразное профилирование лопаток в меридиональном контуре JS I показано на рис. 7 . Данные сечения расположены в радиальной части колеса после поворота от осевого направления. Структура течений в колесах ■с традиционным лроТшироваялем совпадает с аналогичными данными Фоулера, Экарда, Крайня, Шкарбуля С.ГЛ., Тшялина P.M. Наиболее близко совладение с результатами Заулера и Экарда, исследовавших аналогичные типы колес, спрофилированных однотипным методом.

В рабочих колесах, спрофилированных с гидродинамически целесообразным распределением нагрузок, зона отрыва (начало следа) расположатся на периферийном осеспмиетричном сочеяаа . сторона разрежения в зона тормокенля скорости, т.о. в выходном косом срззе, в то время как в колесах с геометрическим профилированием отрывная зона начинается сразу после поворота к радиальному направлении.

В отрывных течениях в зоне следа, как я в эксперименте ', других авторов, наблюдается отсутствие обратных токов и наличие потока вдоль лопайся к выходу с увеличением скорости к стенке. Линия нулевой скорости в зоне отрыва отстоит от стенки на некотором расстоянии, возрастающем по мере, выхода из канала, что совпадает с выводами главы 3.

Вторичные течения в рабочих колесах с гидродинамически целесообразным распределение;.! нагрузок и с традиционным: профилированием отличатся как по характеру, так и по интенсивности. • Общим для всех вариантов является наличие пристенного потока вдоль корпуса и диска колеса от стороны давления стороне разрежения и возвратного течения в средней (по' высоте) части канала. В колесах ,с гидродинамически целесообразным . распределением нагрузок зона возвратного течения в ядре потока, а также максимальное значение меридиональной скорости, расположены бляле к середине высоты канала.

Интенсивность вторичных течений в варианте с гидродинамически целесообразным распределением примерно в два раза нике, при общей тенденции к измельчению вдхровых структур, что объясняется меньшим значением максимальной величины »' :достш. ;утых за счет профилирования лопаток. .

Распределение скоростей по шагу удовлетворительно совпадает с расчетным по теория невязкой жидкости в области забор-япка и существенно расходится с расчетным в радиальпой части, В то ко врет распределение давлений на всей поверхности лопатки соответствует (с учетом осраднешшх потерь) изменению моцеята'количества движения невязкой, жадности, что объясняет успешное применение уравн" шя Эйлэра ддя лопаточных машин для расчетов подвода мощности к колесу, Причина сильного отличия эпюр скоростей лекят, очевидно, сочетании высокойдиффузор-ностл поток-», больших поперечных градиентов давления и воздействие корполнсовых сил как на крупно и шлкомасштабше пульсации потока.

На выходе лз колас распределение скоростей по шагу в области ядра на втулочном я периферийном сечениях примерно равна средне:-; скорости невязкого потока, а для среднего сечения соотвэтетвзнно вшье. Перестройка вязкого потока происходит та-

кям образом, что затормозмянш массн хядкооти поротешот от корпуса я втулки по сторона разрешения, возвращаясь к стороне давленая в середина канала чэрзз ядро потока.

Яря прочих равцмх условиях область следа в варианте с гидродинамически --елесоо^разнш распределением нагрузок ь-аныцо, а рав-пошрность поля OKopocToi! на выходе из колеса я 1-ЭД на 2,5...3% больше, чем в вариантах с трацвдючдам профилированием.

3atapa потерь полного давленая по порзфэрайному, среднему и втулочному сечения:-: з относительном дсишнкд позволила получить двухаораматраческуа зависимость коэффициента потерь от коэ$фаци-знтоз погрузка в вида коэффициента дифТузорноста я степени торьгохзная скорости на сторона разрешая в колоса \5>, pu«, в.

В глава пять араводятся некоторые катода профилирования про-бтранстзеиных'paaaTOît цонгробэиных турболаган яо коэффлционтам нагрузок. Во всех случаях для профилирования аспользовалась обратная зачача гидродянаиш», при которой (з данной случае) исходника даядага яэжяатся распределения яоэ$£пцаенгов нагрузок по относя-зядьной длина продляя. Геометрические двраг.етры реготка является рошиаоа обратной задача,

Отизчаотся, что на практике, за исключением редких случаев, обратная задача пршзялвтоя с эле.,;знта.'.а прямой, что является следствием технологически: ила кояструктишгах ограничений на конкретную конструквди. В таках случаях для осорадиалышх ракеток в качество определявшего сеченая зцбарается пераЬериГшоэ осесш.с.'зт-ричноо езчекао, которое профилируется- по гидродинамически целесообразно:^' распределению нагрузок. Такой подход за счет запаса по нагру-тонностя среднего, и втулочного сочеилй позволяет учесть' при про^ялированаи отмеченные выше геометрические ограничения без ухудшения показателей ступени.

Яря про^алироьанап осерад1иш>ноП_реше_тки задаются распределения коэффициентов С ( î ), w ( ê ) и £?,'(£). Первае два из этих коэффициентов определяют (форму профиля па осесшалетричной поверхности, т.е. распределение углов от координат 1 . и 5i , третий-форму меридионального контура. Трехмерная задача решается через две предельнее диуивряив задачи*, np.i этом уравнение равновесия в направлении внеогц канала преобразуется к виду J - С £ - А - СП/С ï 4ÎV. J0

где Ь - CS А- Ш^ЛОл^У, C-Ï йМ

■ 5" - угол навала. _ ^

Уравнение момента имеет вид _

С» * Ык Ь^хМЗ. еС ЦЛ

Геометрические параметры осесимметричпой поверхности: ГШ* lV+ J-i'j^M sím|> ^í - угол наклона струйка,

ЧЮ = ^ + ¿jfj^i^g siKjb - относительный радиус,

2-(ё) = + £ = 1)1^ - относительная длина,

- угол потока, ' •

í¡ s - теку две число Россби.

Потери энергии учитываются гидравлическим способом через ко» эф{ициент потерь ^ = | ( , м/р ) (рие.8), коэффициент заг» ромоздения М6 =1 + ( -t- Дд )/Cfcsív jb^, где толщина вытеснения, Й - форшараметр погранслоя,"

В центробежных компрессорах но распределешш трах коэффициентов нагрузки модно рассчитать лишь одну осесишетричную струйку -(или осесишэтричну» поверхность Ч ( 2 ) и распределение углов па ней при задвшшх значениях ^ , , $s4 и ^ . Следующая поверхность .. л'л определяется через толщину слоя ,4 Í: из уравнения расхода ¿fs = к G;/C Я. Я Í , где aG-í = Gí/ft-- расход через едиплчнуо струйку. Последующие сечения строятся с учетом технологии изготовления, обычно - с линейчатой образует-'. Дня nao асов, лопатки рабочих колес которых изготавливаотся литьем ила рябоваяной ферезой все сечения по высоте могут бить спрофилированы но задаядоиу распределена» нагрузок.

При заданной уорш мори к ¡аяьного контура, (на практике такая задача возникает ари нода^агеидаи сущоствуодих конструкций или в случае профилирования радашмах ре^оток) вначале по прямой задаче расе maaf.'CH осэсшкэтрпчяий поток и в первом приближении .. опре.шдч^'сд липли тока, .Цадое на,этих поверхностях по распрзделе-н:ш коэффициентов нагрузок опрздэдяэгея распределения углов лопатки. Рассмотрены варианты профилирования, в которых в качестве , ко-эр^имзнтов нагрузок испол'-зузтся расирадзление безразмерного относительного, перепада.давлений ио шагу fit- ( ¿" ), скорости на сто-г рояо раэроконпя >7Р ( t ), ¿-орьашяаштра пограничного слоя -- Ъ * MS/l® Ai ) , а гак.» вариант, при котором задается фэрка лоааа.а (а здо ирждоГ;, ^уш оадпшети ¡ьт.д.), а дорма меридао-

нального контура определяется по распределения» 2 г (Й ила iVp(c).

Приводятся уравнения связи геометрических параметров сечений лопатка при изготовлении ее пальцевой фрезой в общем случае движения фрезы сочетающей поворот о'линейным перемещением. Частными случаями так'то изготовления являются "винтовые" поверхности. В конце главы отмечаются некоторые особенности решения уравнений профилирования по обратным задача!' и использованием различных коэффициентов нагрузки.

В глава шест!) рассматривается метод выбора основных геометрических сооткоиоши проточной части на основа оптимизационного поэлементного расчага на максимум КОД студена. lipa этом, в случае необходимости могут быть учтены дополнительные требования к ступени в зависимости от ее типа и назначения. К этим требованиям, в первую очередь, относятся макшлалзная Есасцващая способность для насосов а махосгоикость для компрессоров, минимальная виброактивность a виброакустика, минимальные ыассогабаритные показатели, предельный наклон напорной характеристики, максимальная технологичность. Часть згах требовании приводят к снимашпо 1Щ, однако поэлементный расчет позволяет оценить это снижение по сравнения о пра удовлетворении тех или иных требоъяняй.

Поэлементный расчет основан на полуэипирнчсскдх зависимостях потерь от геометрических и аэрогядродинашчес соотношений а коэфЗицзонтов, рассмотренных в пг>члсо1секчи.

Потери а рабочем колесе рассчитываются по 'храм осесишетрач-Ш1М сечениям с последующим осреднением по расходу, в случае использования зависимости = £ (¿6 -v , v¡7,- ) в расчет закладывается гидро.цднаш'.чзски целесообразное распределение скоростей, a CtMav определяется по Dh^ а. Р»с. .

Первая группа мероприятий, направленных на удовлетворение •требования к ступени осуществляется в рамках предлагаемого метода, касается профллйроъ; шя входных кромок,' косых срезов и сечений профиля по "высоте. Вторая группа связана с изшкеняем основных геометрических соотношений и безразмерных коэффициентов, и третья группы - с конегруктяв'нши мероприятиями типа введения надроторш:: решеток. ,

Часть этих мероприятий «ожег находиться в противоречии друг с другом, к досх'а.ле.чно оадих показателен приЕоцит к ухудшении других, другая часть приводит к улучаетио сразу нескольких показа

зателей. Например, про^слпроьаше входных кромок реаеток рабоче-'•

го колоса и дой^зора под поле скоростей -предыдущего элемента с введением стреловидности может способствовать улучмзнаа махостой-кости (или всасываацей способности для гддромашпн), вяброакусти-ки, уменьшению потерь и расширению рабочего диапазона, однако технология прд этом усложняется вплоть до принципиальных конструктивных 1;з;.инешгд, .что показано на пришре диЪй'зора.

Ряд рекомендуемых мероприятий основан на опубликованных данных, остальные являются обобщением опыта работы автора.в процессе разработрк конструкций компрессоров и насосов в ЫЗТУ ям.Н.й.Бау-глана а'с другими организациями, такими как ЦДАМ им.П.й.Баранова, С±СБ "Турбина", ПО КГЗ им.Ленина, I® "Знергомаш" а др.

В нэкоторих случаях, помимо описанных" в предыдущих главах методов, потребовалась разработка теории и методов расчета с ецпаль-ных конструкций, к которой В первую очаредь относится расчет напор-Ш1х характеристик осевихравых насосов. ...

В качестве примера на рис. б показано улучшение кавитацлок-ных характеристик экспериментального насоса с' цилиндрическими лопатками ¡10 КГЗ, а на рис. 10 - улучшение виброактивных характеристик шзкоцантробелшого насоса КБ "Энзргомап", пояучоншсс с пс-пользоваи.:^.: предлагаэмого метода.

В гелем предлагая,подход направлен на качественную и количественную оцешу различных мероприятий при разработка ступени на за нянино требования ранних стадиях проектирования, что Долнио упростить доводку и позволит перейти к проектировании конструкций с прогнозируемии показателями.

В главе' с.ог-'ь рассматривается общий подход к выбору основных безразмерных параметров к коэ"'.'шиентов ступени и гидродана-личос-ки цнлосаобраэного распределения'скоростей на основе предлагаемого м-.-1:.' о да. К этим параметрам в иэрьуь очередь относятся коэд'йпд-онты н 1ПГ -, расхода, удельной быстроходности и другие, выбираемые н соответствии с типом к назначением ступени. Рассмотрение процесса тичан.ля в элементах ступени о позиций кинематического подобия (полей скоростей) позволяет получить набор обобщенных коо-Ь-¿•лцк-знтов, независящих, топ и гидродинамически целесообразная эпюра без1«1зм-зрннх скоростей от угла выхода лопатка и назначения ступ ж (компрессор, насос, вентилятор). Общепринятые значения пазх^/с-д'рьв получается лугом умночзнпя привааия'шх на уункциа угла кьлО'Ц яопатчи колеса. ..¿и ч'акон подходе ^ становится опредо-

Н ■ : ■

ляющим параметром.

Изменение параметра Россби по выходу из колеса для ступеней с высоким ШД рекомендуется выбирать в пределах' =

= 2,5..Л, соответствующий ксэМацяолг расхода SU^s = 0,25. ..0,4 Соответственно, и р-эалъный коэффициент расхола .для колеса с 90° = 0,25...0,4; для jUji = 20° ûs«

я 0,08...0,14. Приводе яныГ! парамз"о расходности леют в пределах <]>hf = 4 ?s.£«/&>>- =0,01...0,2, оптамалы-ше значения -

- 0,07..,0,12. '

. При- '

ведяшшЛ':соэ'5'Ъе;д:10нт теоретического напора рекомендуется внбпрать в продолах Н/^И ¿ЬУ^ « 0,8-4». .0,91 с дальнейшим уточне-

нием по уравнения баланса работ в ступени.

ПряводешшЯ коэф^яцг.енг быстроходности kiwf ~ ле::шт в предола:с_0,0э. ..0,53 яри к'^ = 0,23. ..0,33, практически па зависит от - Д а н в основном определяется <рьг . Для нг\Сосол dj и 500 '--s - iïp;a?9EôHKOO чзсло лсоато:? радиальной час-ч:\ колоса мэг.й-7 находиться Q глрокйх-njwit/wnx = 10...40 прч ¡¡ftffc 16. ..33, Ос«т "?.оть осерадаальяшс колес обычно имеет в дпа раза мзц:-еоо чполо дотатск, длин a osepoft части определяется по оптимальной густота равзгов осешх ступеней,

Гидродинамически целесообразная эпюра скоростой тагде характеризуется набором яоюяшк, я яисгральянх парамэтроп, которые необходимо закладывать з рзечог идя контролировать в прсцоссо проектирования. Из дохаяькпх параметров ото пре-стз всего максимальное значение й09$яяЕЗвчя?а mrpyma, для колоса »ult/vJ = » 0,4,,Л,3; C'J*x ~ О,В...1,0 а тормояе.тао сродной сксростн

а щ/tii а 0,35...1,1; ~ 0,7...0,8. Величина тормо-

;::еная скорости кз сторояз давления в радиальной части колеса при

è = 0,7. • .0,3 . «WiMP,/4/4 « 0,2.. .0,5; М/^1" = 0,25... 0,35; в заборннке - 0,55...0,8, Тормо.кеняе скорости на сто-

роне разрешения v/*r/i- 0,9. ..1,1. К интегральным параметрам относятся безразмерная циркуляция, отнесенная к .скорости на входа Pw =0,2.. .1,0; Г^» 0,45...0,7 и безразмерная циркуляция, отиесайяая к охру;/ло;1 скорости Г«. = = УСь^/Чц^М* 0,1...0,7; ГУ^Т = 0,22.,.0,45, а такме козМи-цяент циЗуузоряости ¿б* = I - wa + Н/(2Р,.кД,)= 0,2...0,85; •¿¡^ = 0,4...0,С5, Пошыо этого рассматриваются рекомендации по измене;шю гидродинамически целесообразной о точки зрения КПД эту]".' скоросге;'. трш учета тробованзЛ всасывающей способности £ма-хосто:;косги) Я ¿хчброакустйш!. которые следует вводить при их нали-

0.5

Ч'

/

/ : -••.J

Ни

у

¿olio

Ф ■

г 2, Z L *Г

(

ъ

Rte.; проточной часта-и кавстациопиш херакторлртаа:

- мад^вдявшшв aapaansj а) фотш проточное часта; б) каетдазжгаг 1-5:=и KmKrteoKûî-ô лоэф&йешг?« Лммходаоотя. Cfy » 3,65TS /. iv«

'¡ Í.£e*1 0.7 0,9 ^o Ц Q

ступени.. ï ~ исходный вариант, 2 -' характерастпяа прг <3-1,2; в) пзме-

H ——■■ »

k 4

C.

\

,1 >

_í

1

i e — у •

ь

í.

-Ui

C,s од qe qg <.o i.£ Q

■foc, ZD. Есшше йадротоп'юго устройства (НРЛйдхпрпкторзстакп инакопентробэшой- ступени, а) форма проточной части} б) памзнош» nesapstoft хврюяоркетаи« з) пзшшенпа -шбрйиоанвй xap&fcpáctfntá; .1.— пнег, 2 - ра~ бо-:ос колооо, 3 - НРГ, 4 - отупэнь без ПРУ, S - ступень о ПРГ.

чаа и учитывать пра профилировании.

9 ■ за*угочаипи отмечается: •

1. Предложен я развит метод проектирования проточной части цэятробезшцх турбоьшмн - компрессоров и насосов различного назначения, позгэляюцяё о: единых' позипдй подходить к Еибору основных аэрогицр оданамаческях параметров и профилирования ступени. Метод основан на соблюдения кинематического подобия полей скоростей в элементах проточной части проектируемой и модельной ступеней в области автоиодельности по динамическим коэффициентам подобая. Рассмотрены различные выражения коэффициентов азрогивдодана-маческах нагрузок, распределение которых по поверхности решетки яла другого улемента однозначно определяет структуру течения вязкой гшдкосгя, ■■'".;'...

Й0казано, что при условии'канеиатичёского подобия полей скоростей сущео.твуют обобщенные параметры расхода, производительности, быстроходности, густоты решеток, числа лопаток, максимального значения локальных нагрузок а других параметров, оптимальные значения которых справедливы дая широкого класса центробанних турбо-кащан - компрессоров и наоосов --независимо от угла выхода лопатка колоса в пределах £ ■>»=» 15...30°.

2. Проведен статистический анализ более ста существующих конструкций, который позволил выявить гидродинамически целесообразное с -.очки зреяяя ШД расдределонао нагрузок до лопаткам, осо-радаальннх а радиалып^ рабочих колес, которые,'как и обобщенные, параметры, одинаково для кошрессоров и насосов при йэиенениях ?гла = 15. .,.90°. В осеродиальных колесах наиболее нагруден-ным является периферийное сечение. Характерки2 особенностью гидродинамически целесообразного распределения скоростей по лопаткам является постоянство скорости на стороне разрежения в радиальной части колеса. На стороне давления тордааениа скорости в области эаборника соответстЕ. ет критическим значениям для осевых решток

и превыщаюдйм ах в даа раза в раааальяой частя. Максимальное значение коэффициента поперечной нагрузки • д*^/«' при гидродияамачвска целесообразном'распределения нагрузок колеблется в шротах пределах - от 0, о До 1,2; при этом болыае значения соответствуют ступеням о вжодныш систедага безлопаточных диффузоров.

3. Проведен качественный в количественный анализ влияния масеошх сил на процесса турбулентного об»,юна е рабочих кслзсах.

Доказано, что определяла влияние на коэффициенты турбулентной вязкости связано с силада ¡Сориолиса. Центробежные силы от вращения при -- как силы потенциального поля но турбулентность не влияют» Доказано, что 1:оэр$пщвнт Монина-Обухова, пред-отавлзнннй как отношение ьоршльлах шпрггавкий к касательным оказывается. эаваседм от товоша слоя к осЕмиогаческа праСлиааетса к кулю в области ламинарного подслоя.

Получены поправка на величины -|ормпарга/©тров отрыва пограничного слоя, учптыва1щие влияние вращения, позволившие рассчитать продольные значения торможения скорости на сторонах давдо-пая и разрешения в рабочих колесах и объяснить характерные осо-бенаосгл гидродинамически целесообразного распределения скоростей, найденного из статистического, анализа.

4. Разработан крупномасштабный стенд шптробекно£ -¿ту дк, иозволяаций проводить изучение проетранотьоч потока з проточкой час:и ь относительное и абсолютном джшяиях в автомодельной облает; течэнчя. На дашкял стондо выявлено различие в структурах твчзг.чЯ и уроию потерь и КЦ& в рабочих колесах, лопатки которых саро^аларована хвоиетрачаЪгащ «.¿'¿одой и по гацродпнаиячве-ка дала00061.-пасму распределению нагрузок. Получана двухпарамет-ррческая з -гЛ1с:ц-лоеть ко9$&щюаха проф1,шшх потерь ст коэ^кца-еята ^.¿'Уэорйоога и ствпояг года»»;:."! скоро-на сторона раз-рз:/.о.;и.я ь ко »со» Дутеп замера скоростей потока лад зокоЗ отрк-а п<;дтвер ;:гон!) ¡.оправки па параметры пограничного слоя, вызванные вр:и;зляа.'; ко'лзса.

5. Разработан метод профилирования пространственных решеток цендоб&шле турбошшн но коэ^ицпенгал аэрогидродинамичвекпх нагрузок на базе обратше «зад 1 гидродинамики, Метод пригоден как ди про{ляиро£|щя парсгаисхшшнх так и для модернизации су-¡¡•^ству конструкции.

Ь. Г-.')1Р0г ча шгажтшюсзсг лочоль потерь с вльментах проточно" ч.-:сг) г^нтро.'о^лих сгулс;^.:. Основные кй.\р|ицивнта потерь в ра-)очза '-'.о.'иао л до5|узора - таюю как лро.рил... ше, в открытом меридионально.-.! зазоре и ударлко иридсташегш в .(-'.гяояиоста от коа&чпоятои нагрузок, г ¡ачссгвэ которых использогани 5г ,

й",. , % , Г'и , . На ссяово игле запаса; юстой и по-

элог шч-ого расчета рспряг>л?8И- штод оитпминаи-'о/ного выбора ое-

иовти •%>8.;э,ерпчвотах

.7, Рассмотрен ряд требований! которые иогут быть предъявле-1ц к цзнтробежшы ступваям в зависимости о® их назначения и условий работы. К: втим требованиям, помимо максимальных ВДЦ,- относятся: максимальная всасиваюцйдсаособяостъ для насооови махоотой-кооть. для компрессоров, минимальная виброакустика, заданный наклон Характеристик, шсоогабаригныэ, технологичеокиа я другие шн казатвля, Предложены способы учета этих требований как на этапа выбора основянхгеомегричвоадх размёров, так и на этапе профилированищ о помощь» различных мероприятий, зашшчшцнхоя в коррекция гаяродайамичаски целесообразного распределения нагрузок, оп- -шшзацаоннам ооглаоовашм основных параметров, а тапке слвциаль-. ных конотруктивша шропраятай в виде надроторных устройств, навала, отреловидносталогшок « т.д.

6, На основа предпокенных зависимостей, рекомендаций и разработанных методов составлены прсграмш Для сВД ароектированяя

• проточной части центробежных турбомаиин, основанные на последовательном р&шениа обратных задач. На первом этапе о помощью оптимизационного подхода выбираются основные геометрические соотношения и гидродинамичеекав коэффициента, обасавчивазздаа максимальный КПД.'миявмальннй кавитациоюшйзапао, минимальные габараты ала другие показатели, ервдъявляешв к стуаени, а также лрофалируют-оя входные кро|дка решаток колеса я лопаточного диффузора. На втором этапе осзпдествдяатся профалированив решеток от входа к выходу по гйдродинамячеоки целесообразному распределению нагрузок, обеспечивающих учет гребованийтехзадяняя-производится на обеих эта-

• пах,;' . ^''/.■,•'•.-'•• : '

О привлечением данной методика бнл'опроактирован ряд турбо-машан, асшиаяный в различныхоргаризахдаях. Результаты иопытаяАй' показала- возмоаиость получения параметров на уровне лучших существующих конструкций ила превосходящих юс по отдельным показатв-ША для данного уровня басгроходносга <&з доводочных работ, •

Ос!ю;виые публикация автора по теме диссертации

I. Загородников А.Г., КуЬтоз А.С., Поздзэв Л.А. Прямая задача -на ососшаетрачноВ поверхности sok/J //ЗШ'у IS73J-J5 3."-С.18-21.

Л. Бэкнев B.C., Кустов А..Ф. Расчет п проектирование ценгробаулых компрессоров газотурбдшшх дамгателейг^^И. { ШХУ, 1975.-72 с.

3. Бокнев B.C., %.Тлов A.i. Проектирование решеток рабочих колес ценгробзл;кых компрессоров с использованием коэффициентов аэро-дш;ачп«зской нагрузки. //Изв.Вузов, Мааиностровние, 1975, В II. С.111-113.

4. Бекйов Б.С., Кустов А.и». О распределении давленая поперек пог-' ранпчного слоя на плоской врадаюдзйся пластика. /Д1зв,Вузов, i.

Маипностроониз, 1976, JS II. С. I8I-I83.

5. Бдкнзв B.C., Куфтов А.Ф., Марткнов В. 1,1. -Влияние характера рас-проделепкя нагрузка на точение в рабочем колоса центробе;хного v кт/чооссора. //Лзв.Вузов^, 1J2, й1аашгостроеиищ-I977e—й 4а-С,36-30

w. 1лююв B.C., Кустов A.S. Делянка массовых сил на яапряаеняе трения во вра;дайцвыся канала. //Йзв.Вузов, Н., Машиностроение, 1377, № 5, С.55-0?.

7. Кустов А.Ф., .¡артцнов В.М,, Туманов Р.З. Профилирование рабочего ко-.jca центробежного компрессора. //Гос.фонд алгоритмов л и программ. 197?', Э с.

3. Кугглтз A.i., ;,1арти(юв B.IJ., Гуыашав' Р.З. Расчет ступени ЦБК по сродней лдпш; тока. //Гос.фонд алгоритмов и программ.. 1977, 3 о. и

j 3. Рa6o4jj колесо центробежного компрессора. //к/с й 59I6I9 от г 15.10.77."

10. -lyJioB А.а., Ш>ур:етн И. Б. " лшанегмв гидродинамических методов расчета лоиаточшос аппаратов для улучшения виброакустических характеристик цантробе;глих .¿асосов. //Сб.Гпдроупругие тепдооаччя в ■ 'дромашнах. /Д1., Наука, 1983, С.77-02.

11, iiac;iEOit;:o С.Л., ау&тов А.а., Ошльчэнко В.Д., Шкуркхин И.Б. фодоларовачио рабочих колес малой быстроходности с улучшенными ьлс^^кустц'ь'скх'ли и энергетическими характеристиками. // Сб. "¡¡олзб'лшш и шороа'-'стячоская активность машин и конструкций*. i.i.. Лаука, I98C, 132-135.

1л. J,Д., -iyl-тон А.а. Уменьшение впброастииюсти центробеж-

ках ступеней за счет рационального распределения гадроданагаа-ч^сш;; нзгр./so;; по г,, j..:uuo лопатки. //Сб."Долговечность энорге-1„-1ис.;ого о^руадония а дапшика гпдроуаругих систем".Ч I.,

v-:.: :::ick, юос. иэ-гл.

ЗС . ' ' .

13. Анкудинов А.А., Зотов Б.М., Куфтов А. .5. Уравнение Эйлера для турбсмлшин с коаксиальным расположение;! лопаток.//Тезисы докл. Есос;научн.копф. "Газотурбинные и комбинированные установки". I.Î., 1ВТУ, 1907. G. 62.

14. Куфтов í>. Основы метода профилирования центробежных турбо-мапян по коэффициентам гидродинамических нагрузок. Тезисы

' докл.Вс, конф, "Газотурбинные я комбинированные установки", ШТУ, 1937.

15. Куфтов А, <5, я др. Автсрскоо свидетельство JS 273183 от 1,7.1983. ;

16. Аникеев Г.И., Добровольский В.А., Йокарова Е.Л.-, Куртов А. Численное исследование нестационарного течения аидкосги в осесимлэтрашшх криволинейных каналах. //Лзв.Вузов. Машиностроение, 123Э, П 7.

27. Аникеев Г.И., Добровольский В.А., Кокарсва Е.Л., Куфтов A.'S., у Е.Л., Малаховский И.В. Влияние геомэтрля дроссельного устройства на структуру и параметры точеная вязкой насжнгаомой анд-кости // Киев. Прошаченцая теплотехника, Наукова думка г.II, 1289, й I.

18. Анкудинов , %фтов А.\5. _ Зпергетичоскаа характеристики осе-вахреЕого насоса. //Язв.Вузов. ¡Лаииностроение, 1969, # 2.

С. 52-56,

19. Кравчэнко C.B., Кустов Л.\3., Лэршнов С.il. Расчет гнпродпнамд-

г ■ -ъ'

ческой вибрации в эяомэнтах трубчатых теплообменников. Промид-леняая теплотехника, Л 4, г.II, 1ЭЗЭ, Киев, Наукова думка, . С. 23-38. ■ с, г,

20. Ьекл-ev V.S.>sî&«bS6.,tCooRo4 дт. R.ST,

fcatísn.« Ьвивф^://«stpe-biwenfeA wwpu^ewií

аегосЦул^ f Pbote^i^ 0 '

He Surtpcsiuw, ^utf 8...12, e*^,

' pp.l^-«5'

21. Бегаэв B.C., Куфгов Л.Ф;, Гелетуха Г.Г. Метод профилирования цантробежннх турбомашин по коэффициентам газодинамических нагрузок, Тезисы докл. Ес.меявуз.конф. "Газотурбинные а комбинирование установка", 1ЯЗТУ, 1991. С.35.

22. Беюгав B.U., Куфтов А., ¥умames Профилирование проточных часта», цаитробе.-ишх компрессоров с использованием коэффициентов аэродинамических нагрузок.//Газиси докл.Вс.конф., Рыбинск, 1993. С.&1,

23. Куфтов Л, j,, Колесников Ю.Я., Огарко Я.. 1.Число лопаток радиальных и осерацаальннх турбошлд1н.//Лзв.Вузов,Л.,;.1аианостроенив, 1933. J5 4. С.23-32, .

А

\гптт

Штш'-

я * г -г- «

7. РазЕпгг? п^сстргнзтвекного потока з каналах работах колео с г) .т о"г_г.:гчеста целесообразным проТялированнем

Итргггзггльзгй I; 2,3,4 - номера контрольных сечений рис.6

С(й «а с» «ц 0,5 0,6 о,7 Й,

?7с.€. коя- Кго. 8. Изу.енспяэ прлведэгагаго

:'.ос.I л С - хоэ№с$«нта потерь от коэ*Ляцяонта н-лкрэ «зтзтсз; 1,2,3,4 - кон- ~!<Т-7зо?:-:ос?к. 1-плоскае репетка, 2-з^жз» еетекэ! загара тара - яерйерагше сечения осевых ступеней, . ' опыг-ше данные МГГУ-и других

организаций.

¿V- -за