CC BY
12УДК 621.51
Л. Н. Белотелова, П. А. Волошин, С. А. Оськин, М. А. Радугин, В. Н. Сергеев, В. Н. Хмара
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ СТУПЕНИ С КОЛЬЦЕВОЙ ЗАСЛОНКОЙ В ЗОНЕ НАГНЕТАНИЯ
Приведены результаты экспериментального исследования высоконапорной вихревой ступени турбомашины с устройством для снижения потерь от балластного газа в проточной части. Представлены рекомендации по геометрии устройства, обеспечивающие повышение КПД вихревой ступени турбомашины.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: вихревая турбомашина, вихревая ступень, рабочее колесо, рабочий канал, структура потерь, эффективность компрессора.
При ряде преимуществ у вихревых турбомашин имеется один существенный недостаток - сравнительно низкий КПД. Это обусловлено особенностями процесса сжатия в вихревой ступени, в котором имеют место потери, характерные как для турбомашин, так и для машин объемного типа. Существенное влияние на эффективность работы вихревой ступени оказывает процесс переноса сжатого нагретого газа через отсекатель с нагнетания на всасывание, что является основной причиной низкого КПД вихревой ступени. Уменьшая количество "балластного" газа, можно ожидать повышения эффективности работы вихревой ступени.
Предлагается один из вариантов решения этой задачи [1-3]: балластный газ просто сбрасывается в атмосферу, не смешиваясь с холодным газом, поступающим на всасывание. Экономии в этом случае нет, поскольку на сжатие балластного газа затрачена энергия. Однако отсутствует и подогрев всасываемого газа от смешения с балластным газом, тем самым увеличивается степень сжатия в одной ступени. Экономия может быть получена, если часть балластного газа изъять из межлопаточного пространства рабочего колеса еще в зоне нагнетания, направив его в нагнетательный патрубок. В МГТУ им. Н.Э. Баумана для решения этой задачи предложено устанавливать на входе в лопатки рабочего колеса в зоне нагнетания кольцевую заслонку в окружном направлении, длина которой определяется соотношением L = Ьзасл/Ь или центральным углом у = L ^360°. Схема вихревой ступени с кольцевой заслонкой на нагнетании приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема вихревой ступени с кольцевой заслонкой в зоне нагнетания
Работает заслонка следующим образом: в зоне ее расположения находящийся в межлопаточном пространстве рабочего колеса сжатый горячий газ отбрасывается на перефирию центробежными силами, а поступлению снизу новой порции газа препятствует заслонка. В результате через отсекатель в межлопаточном пространстве на всасывание переносится газ с меньшей плотностью, т. е. с меньшей массой балласта.
Экспериментальные исследования проведены на серийном вихревом нагнетателе ВВК-2М с периферийно-боковым каналом и двусторонней проточной частью. Длина заслонки в зоне нагнетания изменялась в диапазоне £засл = 50.. .285 мм (50, 80, 100, 200 и 285 мм), что соответствует диапазону значений L = 0,095.0,273. Характеристики вихревой ступени с различными кольцевыми заслонками представлены на рис. 2 (в физических параметрах) и на рис. 3 (в относительных параметрах).
Рис. 2. Влияние длины заслонки на характеристику вихревой ступени
Анализ характеристик вихревой ступени при различной длине кольцевых заслонок в зоне нагнетания показывает, что установка заслонки длиной Ьзасл = 100 мм (Ь = 0,095) приводит к наибольшему увеличению КПД ступени (птах = 0,318 по сравнению с Птах = 0,29 для
той же ступени без кольцевой заслонки) и почти не снижает создаваемого перепада давления Арступ. Заслонки длиной 50 и 80 мм мало влияют на характеристику вихревой ступени. При Ьзасл > 100 мм понижается как Арступ, так и ^ступ, т. е. заслонки на нагнетании могут быть использованы для регулирования работы вихревой ступени.
Коэффициент расхода ф
Рис. 3. Влияние длины заслонки на адиабатный КПД цаа вихревой ступени
Таким образом, при установке кольцевой заслонки в зоне нагнетания можно достичь существенного повышения эффективности
вихревой ступени (при Ь ~ 0,095...0,105, у ~ 40°). Кроме того, установка заслонки является довольно простым методом регулирования
работы вихревой ступени (при Ь > 0,11).
Аналогичный эксперимент проведен на серийном нагнетателе ВВК-300 с улучшенной аэродинамической схемой (рис. 4).
Рис. 4. Результаты использования заслонки на серийном нагнетателе ВВК-300:
Щи Пад1 - исходная характеристика; щ2, Пад2 - У = 60°; щ3, щад3 - у = 50°
Рис. 5. Совместное влияние улучшенной аэродинамической схемы и заслонки
Использование заслонки с у = 50° приводит к увеличению КПД на 24 %. Применяя заслонку совместно с новым каналом грушевидной формы в одной ступени (рис. 5), получаем повышение КПД на 48 % по сравнению с исходной характеристикой ступени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент РФ № 2070993. 27.12.1996.
2. European Patent Specification EP 0 646 728 B1. 27.12.1993.
3. United States Patent № 5499900. 19.04.1996.
Статья поступила в редакцию 14.09.2012
