Поворотное колено и обратно-направляющий аппарат

Поворотное колесо (ПК) служит для изменения направления газа в меридиональной плоскости на 180° с целью плавного его подвода к обратно-направляющему аппарату (ОНА).

Поворотное колесо представляет собой безлопаточный кольцевой канал для стационарных компрессоров или лопаточный канал для авиационных. Однако в некоторых типах стационарных компрессоров, таких как К-500, К-250, поворот потока на 180° осуществляется в каналах, являющихся продолжением канальных диффузоров и переходящих в каналы ОНА.

В кольцевом ПК для идеального газа выполняется условие сохранения момента количества движения:

,

или для сечений 4-4 и 5-5

Для вязкого газа уменьшение момента количества движения учитывается коэффициентом K_тр <1:

,

который может быть определен по опытным данным С.В. Локтаева [6] в зависимости от соотношения

.

Совместное решение уравнения сохранения массового расхода

и уравнения сохранения количества движения позволяет найти угол потока за ПК

.

Другой способ учета потерь момента количества движения в ПК коэффициентом l _4-5, в этом случае угол потока за ПК [13 ]

,

где ,

где k ₅ – поправочный коэффициент, принимаемый на основании опытных данных [13]: k ₅ = 1,5 – для ступеней с БЛД; k ₅ = 2,0 – для ступеней с ЛД.

Меньшие значения коэффициента k ₅ принимаются для ступеней с БЛД, за которым нет вихревых следов, и потери несколько меньше.

Для высокорасходных ступеней с большими b ₂ /D ₂ (b ₂ /D ₂ > 0,04) ПК могут выполняться с небольшой конфузорностью (b ₅ /b ₄ = 0,9–0,95) для снижения потерь при повороте потока, однако увеличение С ₅ приводит к росту потерь в ОНА, что негативно сказывается на КПД ступени в целом, особенно для малорасходных компрессоров.

Для малорасходных ступеней (0,01< b ₂ /D ₂ £ 0,04) приемлемые потери можно получить даже при выполнении ПК диффузорным (b ₅ /b ₄=1,05–2,0), т.к. в этом случае нетрудно обеспечить достаточно большие радиусы поворота потока R_s. Для сверхмалорасходных ступеней компрессоров высокого давления (b ₂ /D ₂ £ 0,01) отношение b ₅ /b ₄ = 2,0–4,0 [7]. В большинстве случаев для промежуточных ступеней принимается b ₅ /b ₄ = 1,0. Оптимальные соотношения b ₅ /b ₄ можно принимать из внутренней области рис. 12.14 [7].

Потери энергии в ПК:

и потери соответственно потери КПД в нем

,

где коэффициент потерь в ПК .

Рис. 12.14. Рекомендуемый диапазон b ₅ /b ₄ в зависимости
от условного коэффициента расхода

Обратно-направляющий аппарат в стационарных многоступенчатых компрессорах служит для разворота газа в радиальной плоскости после поворотного колеса с приданием ему осевого направления на входе в следующую ступень. Поэтому закрутка потока на выходе из ОНА должна быть для чего угол установки лопаток в сечении 6-6

Средняя линия лопаток ОНА описывается дугой окружности, а сами лопатки могут быть либо постоянной толщины (рис. 12.15а), либо переменной толщины (рис. 12.15б).

 

а) б)

Рис. 12.15. Конструктивные соотношения обратно-направляющего аппарата
и поворотного колена: а) ОНА с лопатками постоянной толщины;
б) ОНА с лопатками переменной толщины

 

 

Угол выхода потока после ЛД обычно составляет около 30°, поэтому угол разворота потока в ОНА . Тогда как в ЛД угол разворота потока . Из-за большой изогнутости лопаток ОНА коэффициент потерь в них больше чем в диффузорах и достигает . Причем в ступенях с ЛД коэффициент потерь мало изменяется с изменением расхода (), т.к. выходной угол лопаток α_л4 обеспечивает примерно постоянный угол потока перед ОНА (), а в ступенях с БЛД изменяется с изменением расхода, т.к. угол α₄ после БЛД зависит от расхода.

Число лопаток ОНА (обычно z ₅ = 12 – 18) выбирается по рекомендациям Б. Эккерта [6, 7, 10]

,

где оптимальная густота одноярусной лопаточной решетки B ₅ /t ₅ = 2,1–2,2.

Лопатки ОНА имеют достаточно большую густоту, поэтому угол потока на выходе .

Течение в каналах ОНА с лопатками постоянной толщины является конфузорным (рис. 12.15 а), что является благоприятным с точки зрения уменьшения потерь (К _6-5= С ₆/ С ₅>1), однако, это приводит к снижению давления и увеличению чисел Маха на входе в следующую ступень (). Поэтому для уменьшения конфузорности в ОНА с лопатками постоянной толщины, необходимо увеличивать ширину ОНА (b ₆ /b ₅>1).

Применяя лопатки переменной толщины можно добиться равноскоростного характера течения (С ₆» С ₅) и выполнить канал ОНА в меридиональной плоскости с параллельными стенками (b ₆ /b ₅ = 1).

В некоторых случаях каналы ОНА могут быть диффузорными (С ₆ < С ₅) для обеспечения требуемой скорости С _0¢ на входе в следующее РК.

Из уравнения сохранения массового расхода

,

с учетом вышеизложенного рекомендуется К _6-5 = 0,95 – 1,05 [7].

После решетки ОНА газ поступает в кольцевой конфузор (6–0^’), конфузорностью

.

Часто потери энергии и отношение скоростей системы элементов, включающей ПК, ОНА и кольцевой конфузор, объединяют. Например, обобщенный коэффициент потерь между сечениями 4-4 и 0¢-0¢ согласно опытным данным [13] может выбираться в пределах z_4-0¢ = 0,4–0,9.