Чегринцев Ф.О., Моря А.О., Шевченко Т.О.

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова

ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ КАНАЛЬНОГО ДИФУЗОРА ВІДЦЕНТРОВОГО КОМПРЕСОРА З ПОВОРОТНИМ ДИСКОМ

Регулювання відцентрових компресорів може здійснюватися всілякими способами із застосуванням низки конструктивних пристроїв [1,2].

В даній роботі подано результати аналізу можливості змінення характеристик відцентрових машин за допомогою канального дифузора, який складається із нерухомого та поворотного дисків, обладнаних перемичками, які утворюють відповідні канали. Конструкція такого дифузора захищена авторським свідоцтвом на винахід [3] та наведена на рис.1. На рис.2. зображена розрахункова схема дифузора.

Рис.1. Канальний дифузор з поворотним диском

Перемички каналів дифузора утворюються двома частинами (а і в, а' і в', а'' і в'' і т.д.), одні з яких, наприклад а, а', а''… розміщені на нерухомому дискові 1, а другі в, в', в''… - на рухомому дискові 2. За провертання диска 2 в напрямку годинникової стрілки між частинами а і в (а' і в' і т.д.) створюються канали 4, які збільшуються в окружному напрямку, а канали 3, відповідно, зменшуються. Таким чином, число каналів подвоюється.

З досягненням певного кута повороту φ_max частини в (в', в''…) торкаються протилежних частин межуючих перемичок (обмежуючи подальше провертання), а саме: частина в впирається в частину а', в' в а'' і т.д. ,через це кількість каналів стає рівною вихідній; водночас як і в проміжних положеннях так і в правому крайньому дифузорність каналів безперервно змінюється, відрізняючись від вихідної. Це змінення дифузорності залежить не тільки від положення рухаючихся частин в, в', в''…, а й від геометрії останніх, а саме від величини співвідношення кутів β₁ та β₂.

На рис.2 наведена схема двох каналів: I-го – вихідного, до повертання частин в, в', в''… та II-го – після повертання на максимальний кут φ_max. Як свідчить рис.2, в положенні II ширина входу до каналу в₂ істотно менше, ніж в₁ за практично однакових значень ширини за виходу з каналу, тобто і дифузорність каналу в другому випадку буде значно більшою. До цього ж, дифузорність каналу II буде

Рис.2. Розрахункова схема дифузора

тим більше, чим меншою буде сума кутів β₁ і β₂, та буде змінюватися в залежності від співвідношення кутів β₁ і β₂ (див. рис.2).

Рис.3. Залежність кутів розкриття каналів дифузора від кута повороту диска φ, град. Θ₁ – кут розкриття лівого каналу, град; Θ₂ – кут розкриття правого каналу, град; 1-β₁=3 град; β₂=11 град; 2-β₁=β₂=7 град; 3-β₁=11 град; β₂=3 град.

Рис.3 ілюструє залежність змінення кута розкриття каналу від кута повороту φ рухомого диска за різних кутів β₁ і β₂.

(1)

Тут: ω₃, ω₄ – площі входу в канал та виходу з нього, мм²; - довжина каналу, мм; r₃, r₄ – радіуси входу в канал та виходу з нього, мм; α_сер.=0,5(α₃+α₄) – середній кут потоку в каналі, град; α₃, α₄ – кути входу в канал та виходу з нього, град.

Очевидно, що за проміжного значення кута повороту φ, тобто 0< φ < φ_max (до речі φ_max визначається вихідною кількістю каналів Z), кожний вихідний канал I поділяється на два канали: лівий і правий, причому зі збільшенням кута φ дифузорність лівого збільшується (рис.3.) до максимальної за φ= φ_max (канал II, рис.2), а дифузорність правого, відповідно, зменшується та згодом за певних умов перебігає в конфузорність [Θ₂=f(φ)] (рис.2, 3).

Логіка ри.3 підказує, що найбільш ефективним буде те проміжне положення, за якого дифузорності обох каналів будуть однаковими, або ж близькими, чому відповідають точки перетинання залежностей Θ₁ та Θ₂ від кута φ (рис.3).

Наведені на рис.3 залежності розраховані для трьох значень співвідношень кутів β₁ і β₂ канального дифузора компресора серійного турбонагнітача ТКР-11Н з такими геометричними характеристиками: r₁=60мм, r₂=85 мм, α₃=16 град., α₄=40 град., β₁+β₂=14 град., Z=19.

Як видно з рис.3, чим менше кут β₂, тим більша дифузорність лівого каналу, дифузорність же правого каналу не залежить від співвідношення β₁ і β₂.

Таким чином, на відзнаку від нерухомого канального дифузора з незмінною дифузорністю, пропонуємою конструкцією можна забезпечити принаймні три доцільних положення частин перемичок, які дають три різних значення дифузорності, за яких робота дифузора буде достатньо ефективною: вихідне положення – канал I; проміжне, що відповідає точці перетину характеристик Θ₁=f₁(φ) та Θ₂=f₂(φ) та крайнє праве – канал II.

За цього, природно, зміняться й показники роботи машини (подача Q, кінцевий тиск, тощо) та її характеристики.

Щодо ефективності запропонованого дифузора, то нами виконано розрахунки втрат в каналах – вихідному та декількох проміжних положеннях. Втрати енергії обраховувалися як сума:

Δh=Δh_тер.+Δh_уд.+Δh_роз. (2)

де Δh_тер.- втрати на тертя; Δh_уд.- втрати на удар; Δh_роз.-втрати на раптове розширення.

Рис.4. Залежність відносних значень втрат енергії в дифузорі від подачі компресора: 1- вихідний канал (φ=0); 2 – подвійний канал (φ=2º, β₁=β₂=7º); 3 – подвійний канал (φ=2º, β₁=11º, β₂=7º).

Результати розрахунків (рис.4) показують, що за змінення кутів β₁ та β₂ за певних значень кута φ втрати в запропонованому дифузорі зростають від 15% за номінального (Q/Q_ном.=1) режиму до 10% в режимі Q/Q_ном.=1,6 і, практично однакові з вихідним варіантом за значення Q/Q_ном.=0,4.

Враховуючи те, що нагнітачі працюють переважно в межах змінення подач від Q/Q_ном.≈0,7 до Q/Q_ном.≈1,3, можна стверджувати, що в цьому діапазоні втрати збільшуються незначно і такий спосіб змінення характеристик компресора можна рекомендувати на рівні з досі відомими способами регулювання.

Окрім того, подвоєння числа каналів покращує рівномірність течії за виходу з дифузора та роботу наступних елементів машини.

Таким чином, використовуючи запропонований дифузор, як один з пристроїв для регулювання відцентрової машини, можна істотно розширити діапазон режимів роботи машини за рахунок змінення її характеристик.

Література:

1. Лившиц С.П. Аэродинамика центробежных компрессорных машин. М-Л. «Машиностроение», 1966. – 340с.

2. Регулирование режима работы центробежных компрессорных установок. ЦИНТИ – Химнефтемаш, М.,1982г. – 36с.

3. А.с. СССР №1800132. Канальный диффузор центробежного компрессора. А.А. Моря, Ф.А. Чегринцев, В.А. Редьки, Е.И. Трушляков. - Заявлено 12.12.90. Опубл. 7.03.93. Бюл. №9.