Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

А. В. Бараненко. Холодильные машины

.pdf
Скачиваний:
523
Добавлен:
10.02.2015
Размер:
32.49 Mб
Скачать

Рис. 9.26. Схемы И цикJIы паровых холодильных маШИИ с цеитробежнw:ми компрессорамИ: а - с OДBOKpaтвw:м дросселировавием; (J - с ДВYKpaTRЫM

дросселировавием

1t =Рк/Рн' а ky находят из выражения (7.60). Действительный

перепад энтальпий в компрессоре вычисляют по формуле (7.141):

t -lн = lк. - '-н .

K

11.

После этого по формулам (7.58) и (7.59) уточняют значение k yЧисло ступеней определяют с учетом ограничений, вытекаю­ щих из требований гаЗОДl(намики и прочности дисков рабочих колес. по условиям газодинaмшtИ холодильные центробежные ком­

прессоры с радиальRыии колесами могут эффективно работать при

Ми ~ 1,1 + 1,4, причем менъmим I3b (l3b =15 + 320) соответствуют

болъmие Ми (Ми S1,2+1,4), а большим 132л (132л = 45+900) -

меньшие Ми (Ми S 1,1 + 1,2) . По условиям прочности дисков ок-

ружная скорость на наружном диаметре колеса для стальных

или алюминиевых колес должна быть ~ ~ 300 + 350 м/с, а для

колес из титановых сплавов ~ ~ 400 + 450 м/с. ПоэтОму сначала

принимают число М'" ~я первой ступени, по формуле (9.8) опре­

деляют скорость звука в точке н и затем находят окружную ско-

poc'I'b ~ =МиО:. Для высокомолекулярных рабочих веществ

с низкой скоростью звука - хладонов - обычно и2 < 200 м/с,

для низкомо.лекулярных рабочих веществ с высокой скоростью

звука (аммиака, пропана) получаемая из условий газодинамики

окружная скорость часто превышает допустимую по условиям

прочности. В этом случае и2 снижается до допустимых значений

и рабочее число Ми становится меньше.

Число ступеней определяют с помощью выражения

lк-'-н

(9.149)

ZCT =-- 2 - '

хи2 где Х - коэффициент мощности, вычисляемый по формуле (9.23),

т. е. без учета закрутки потока при входе в колесо. Величины

(1 + I3пр + I3тp) и <1>211' входящие в формулу ( 9.23), находят по

графикам, изображенным на рис. 9.7, или рассчитывают по фор-

мулам (9.32), (9.34) и (9.16). _

Выраженйе (9.149) справедливо в том случае, когда все колеса имеют одинаковую геометрию и работают при одних и тех же коэффициентах расхода и теоретической работы. Это соответст­

вует требованиям унификации дисков колес, которые отличают­ ся только шириной. Если приходится применять колеса одина-

кового диаметра, но с разными ~2л' то необходимо пользоваться

зависимостью

Z.".

- '-н

. (9.150)

LXj = - 2 - '

}=1

и2

 

решить которую относительно Zcт можно методом последователь.­ ных приближений. Полученное значение Zcт округляют до наи­ большего целого числа, после чего численное значение окружной скорости уточняют с помощью выражений:

~= Jiк -или (9.151)

--

ZcтX

По заданной ХОЛОДQПРОИЗВОДительности определяют массовую производительностъ центробежного компрессора

O=~,

(9.152)

16 - t5

 

597

596

которая в цикле с однократным дросселированием будет одина­ ковой для всех ступеней.

Процесс сжатия н - " в компрессоре полагают политропным.

Линию процесса строят по точкам, положение которых рассчи­

тывают. По формуле (7.61) находят теплоемкость цолитропного

процесса Спол для всего компрессора по известным температурам

и энтропиям в точках н и ". Затем, задавшись несколькими

значениями температур Т, в промежуточных ]'Очках, взятых про­

извольно, определяют их энтропии 8, из выражения

(9.153)

Точки нанОСят на поле диаграммы состояния и соединяют плав­

ной линией.

Другой способ построения линии процесса основан на приме-

нении зависимости (7.67). ПО заданному ТJпол определяют услов­ ный показатель политропы из выражения (7.120) и затем, зада­

вая давления в проИЗВоiIЬНЫх промежуточных точках, вычисля­ ют плотности по формуле

Р,=P.(~)~' (9.154)

у многоступенчатого односекционного центробежного компрес­

сора, не имеющего промежуточного охлаждения или подсоса пара,

параметры пара при выходе из предыдущей ступени и входе

в последующую одинаковы, т. е.

t;(J) = t:(J+1) и t:(J) =t:(J-1),

(9.155)

здесь и в дальнейшем j - номер ступени.

Энтальпию пара между ступенями определяют для такого ком­

прессора с помощью соотношения

*

*

*

J

*

J

(9.156)

t;(J) =t;;(J+1)

=t;;

+ L lцn) =tH

+ L х(n)и2 ,

 

 

 

n=1

 

n=1

 

гдеl, (n) - внутренняяработа n-йступени, ft(n) =t:(n) - t:(n); Х(n) -

коэффициент мощности n-й ступени.

Чтобы вычислить размеры рабочих колес, необходимо знать

бe5Jpaзмерныеплотности &щ.j) = Рщ.j)/Р~j) 'и &О(Л =PO(J)/P:m' ПЛот­

ность пара при выходе из колес Рщ.j) определяют по диаграмме

состояния. Положение точек 2и) находят по перепаду энталь-

пий, определяемому с помощью коэффициента реактивности nH·-:~)) (9.36),

 

(9.157)

J-1

 

tщ.J) =t; + L l,(n) +ОН·-щ.J) l'(j) •

(9.158)

n=1

При расчете с помощью формул (9.157), (9.158) сделано допу­

щение, что параметры торможения в точках н} и "} можно счи­

тать примерно равными статическим параметрам из-за малости

скоростей пара в этих сечениях. Плотности пара в сечениях О и 1

сприем~емой точностью можно определить, полагая процессы н-о

и0-lизоэнтропными. Для этого вычисляют io =~ - СМ2 и на­

ходят положение точки О на пересечении линий io =const и 8н =const. После этого определяют РО. При kc =1,0 + 1,1 допус­

тимо считать Р1 1:= РО

Аналитический способ определения плотностей основан на ис­

пользовании метода условных температур. Для этого не обяза­

те.льно строить линию политропного процееса сжатия. Энталь­

пию торможения в точке н, для которой уже известна условная

температура, находят по формуле

-1: =crsRT;H'

(9.159)

Численно она может отличаться от энтальпии, взятой из диа­

грамм или таблиц, на значение постоянной энтальпии, которая для разных таблиц или диаграмм может быть различной. Важно, что разности энтальпий, вычисленных по формуле (9.159) и най­ денных ~o таблицам или диаграммам, будут одинаковыми. Это

обеспечивается при определении условного показателя изоэнтро­

пы по зависимостям (7.58)-(7. 60). Условные температуры в точ­

ках 2(Л находят после расчета энтальпий i2(Л по формулам (9.157)

и (9.158)

(9.160)

После этого по уравнению политропы вычисляют плотности

 

1

 

*

(Тущ.J)]nY-1

(9.161)

Рщ.J) =рн(J)

-т.*

ун(j)

598

599

 

Плотности Рощ определяют аналогично:

*

'2

 

сош

(9.162)

ТуО(}) =Тун(J) -

2cr R;

гу

(9.163)

НеобходИмо отметить, что значение &ОИ требуется знать. Чтобы

найти по по формуле (9.55), т. е. раньше, чем известна скорость

СО' Поэтому сначала принимают, что ЕО(л =0.96 + 0.99, причем

большим скоростям соответствуют меньшие &O(i) , а затем скорос­

ти СОт находят из уравнения расхода

G

CO(J) = . ' (9.164)

рн(J)ЕО(J)FО(J)

гдеF~j)-I11IOЩ8ДЬВХОДНoroооченияКOJlЮi, FO(j) =O,251t(D~j) - d~j))'

После этого определяют плотности PO(J) из уравнения (9.163),

а затем уточняют принятые значения &O(i)'

Цu"л С двy"paтHЫAt дроссе.лuрованue.м. (рис. 9.26,6) рассчи­

тывают в два этапа. Сначала строят цикл с однократным дроссе­ лированием и по выбранной геометрии рабочих колес определя­ ют число ступеней. Затем ступени группируются в секции. Если холодильная машина имеет несколько испарителей с разными температурами кипения, то rpaницы секций определяются давле­

ниями насыщения в них.

Давление нагнетания первой секции и всасывания второй бу­

дет ниже, чем Роп' на величину гидравлических потерь. Массо­

B~e расходы вещества -через оба испарителя вычисляют по фор­

мулам:

G - QOII

 

(9.165)

ИП-ig_

'

Массовая производительность первой секции компрессора рав­ на расходу вещества через перв~й испаритель

Gr = GH1 •

Массовую производительность второй секции рассчитывают с помощью уравнения материального баланса

ГL _

ан1 + анlI

'

(9.166)

"'11-

1-%

 

где % =(i 5 - iJ/(t8 - t 6) - степень сухости влажного пара, образо­

вавшегося после первого дросселирования.

Параметры пара при всасывании второй секции в точке Нп определяют по уравнению теплового-баланса с учетом смешения пара, выходящего из первой секции, с насыщенным паром, обра­

зовавшимся после дросселирования во втором испарителе

. (

GHI ) . GHI

(9.167)

iип =19

% + -

+ lкl - .

 

GrI

GrI

 

После того как точка НII найдена, определяют новое положе­

ние точки" l'Геометрия колеса (или колес, если их несколько) и

КПДBTOpoif секцииужеизвестныиз первогоэтапарасчета. Поэ­

тому необходимо уточнить давление нагнетания РКII =Рк И найти

новое положение точки "п. Повышение энтальпии вещества во

второй се~ции

Аtп =t.tп -iип = ilt(J) =iX(J)U~,

(9.168)

J=l

J=l

 

где n - число ступеней во второй секции.

Изоэнтропный перепад эитальпий находят по формуле (7.141)

гII = iквп - iип =(iкп - iнп}rts, где 11. ~ссчитывают с помощью

выражения (7.152), а 7tп = РкН/РнП' Из точки Нп проводят

линию s = const и на ней находят точку "BU! которая определит уточненное давление нагнетания PкII =Рк' ино будет несколько

выше давлен~я Рк' принятого на первом этапе расчета, так как

после учета"смешения по формуле (9.167) температура и, значит,

скорость звука в точке НП снизились. При неизменной окружной скорости и2 это соответствует переходу на более высокое значение

Ми' при котором Пн будет выше. Обычно это превышение незна­

чительно и может быть скомпенсировано выбором меньшей раз­ ности давлений рк - Ркд на первом этапе расчета. Положение та­ чек 2о), определяющих состояние пара при выходе из колес в пределах каждой секции, находят так же, как и для цикла

с однократным дросселированием. При расчете цикла с дву­

кратным дросселированием .и одним испарителем в формулах (9.165)-(9.167) нужно положить QOII =О, GHH =О. После расчета

циклов и определения параметров пара при входе и выходе из

колеса каждой ступени рассчитывают геометрические размеры ра­ бочих колес, диффузоров и других неподвижных элементов про­

точной части рассмотренными ранее способами. В соответствии

стребованиями унификации в пределах одного корпуса все колеса

иПОКРЫвaIOIЦИе диски выполняют, как правило, одинаковых диа­

метров D2 и Do' а изменение площади Fo от колеса к колесу осу­

ществляется за счет увеличения диаметра втулки do'

Конструкции хоJJодильвыx центробежных компрессоров. Ам­

миачный пятиступенчатый компрессор lАЦ4-1-7-З (рис. 9.27)

601

600

разработан во ВНИИхолодмаше и изготавливается на Казанском

компрессорном заводе (ККЗ). Корпус литой, состоит из верхней 1 и нижней 9 половин и имеет горизонтальный разъем. Компрессор

выполнен двухсекционным, поэтому в нижней половине корпуса предусмотрены два всасывающих и два нагнетательных патруб­

ка. Ротор 2 вращается в подшипниках скольжения: опорно-упор­

ном 11 и опорном 8. Оба подшипника современной конструкции

с самоустанавливающимися колодками, имеющими баббитовую

заливку. В упорном подшипнике с двух сторон упорного диска

расположены секторные колодки, воспринимающие осевую,силу,

передаваемую от ротора. В опорных подшипниках применены

колодки в виде пяти подвижных самоустанавливающихся сегмен­

тов. Все пять рабочих колес, установленных на роторе, радиаль­ ного типа, закрытые, с лопатками, загнутыми назад, Р2л < 900. Диффузоры дервой, третьей и четвертой промежуточных ступе­ нейкомбинированные с протяженным безлопаточным участком; второй и пятой концевых ступеней - безлопаточные. Первая секция двух-, вторая - трехступенчатая. Секции расположены

оппозитно так, что всасывающие отверстия колес каждой секции

направлены в противоположные стороны. Это позволяет умень­

шить осевые силы, передаваемые на опорно-упорный подшип­

ник, И избежать применения разгрузочного поршня.

Перед ,входом в каждую секцию установл~ны входные регули­ рующие аппараты (ВРА) 12 и 6. Здесь применены ВРА радиаль­

ного типа с лопаткаМи, оси вращения которых параллельны оси

ротора. На оси каждой лопатки расположена зубчатая шестерня,

все шестерни находятся в зацеплении с центральным зубчатым

колесом, обеспечивающим одновременный синхронный поворот всех лопаток ВРА. Привод ВРА осуществляется с помощью спе­ циального вала к оси одной лопатки.

Неподвижные элементы щюточной части - диффузоры и обрат­

но-направляющие аппараты расположены в пакетах диафрагм 3, 5.

Диафрагмы литые и также имеют горизонтальный разъем. В цент­

ральных частях диафрагм, прилегающих к валу и покрывающим

дискам колес, устанавливают втулки с лабиринтными уплотне­ ниями 4 и 10.

Вщодные устройства выполнены в. виде кольцевых камер

с сечениями произвольной формы непосредственно в отливке кор­

пуса. Торцовое уплотнение 7 препятствует утечке аммиака в ат­ мосферу. Масляная система компрессора герметичная, так как

масло находится в контакте с рабочим веществом.

Хладоновый двухступенчатый компрессор для водоохлаждаю­ щей холодильной машины тоже разработан во ВНИИхолодмаше и изготавливается на ККЗ (рис. 9.28). Особенностью его кон­

струкции является неразъемный корпус 13 цилиндрической фор­ мы, в котором осевой сборкой размещаются детали компрессора.

Внутренние полости диафрагм 9-11 образуют проточную часть компрессора. Ротор 8 вращается в опорно-упорном 7 и опорном

602

603

12 подшипниках скольжения. На роторе располагаются разгру­

зочный поршень - думмис в и рабочие колеса 5 закрытого типа

с лопатками. загнутыми назад. Для обеспечения осевой сборки компрессора рабочее колесо первой ступени установлено на шли­ цах. Перед первой ступенью расположен входной регулирующий аппарат 4. Диффузоры - безлопаточные. Промежуточный под­ сос пара во вторую ступень осуществляется через специальный патрубок корпуса и внутреннюю полость диафрагмы 10. соеди­ ненную отверстиями с выходным участком ОНА первой ступени. Мультипликатор 3 - встроенный планетарного типа с затормо­ женным корпусом сателлитов 2. Коронная шесТерня 1 соединена с тихоходным валом. а центральная шестерня 15 - с ротором

компрессора. Торцовое уплотнение 14 расположено на тихоход­

ном валу, что увеличивает надежность его работы. Пре~мущество такой конструкции компрессора состоит в по­

вышени качества сборки, так как центровка деталей обеспечива­ ется .технологически. за счет обработки соосных цилиндричес­ ких поверхностей деталей за одну установку. Применение встро­

енного мультипликатора позволило уменьшить металлоемкость и размеры компрессора.

§9.2. ОСЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ

вхолодильной технике осевые компрессоры применяют в га­ зовых (воздушных) холодильных машинах. В паровых холодиль­

ных машинах осевые компрессоры пока не используют. однако

по мере увеличения холодопроизводительности в одном агрегате

свыше 10-15 тыс. кВт при применении рабочих веществ с малой удельной объемной холодопроизводительностью или при особо вы­ соких требованиях к энергетической эффективности машин их использование может оказаться целесообразным.

Главными преимуществами осевых компрессоров являются: ~еньшие радиальные размеры, чем у центробежных компрес­

соров той же объемной производитеЛЬНОСТИj

более высокие значения КПД, чем у центробежных компрес­ соров, из-за лучшей организации потока в осевых лопаточных

аппаратах и как следствие - меньших газодинамических по­

'терь в них.

Использование этих преимуществ позволит повысить энерге­

тическую эффективность и уменьшить размеры и металлоемкость

холодильных компрессоров, ЧТО особенно актуально в современ­ ных условиях хозяйствования. Именно они были главной причи­ ной почти полного вытеснения из авиационной техники центро­ бежных компрессоров и замены их осевыми. Эти же факторы обусловили применение осевых компрессоров в тех отраслях на­ родного хозяйства, где требуются большие объемные производи­

тельности в одном агрегате: в качестве доменных воздуходувок,

в крупных стационарных газотурбинных двигателях и т. п.

604

605

 

Возможность получения ООлl.ших объемных производителl.нос­ тей делает осевые компрессоры перспективным типом машин для

пароводяных тепловых насосов, ИСПОЛl.зующих В качестве источ­

ника низкой температуры теплые водосбросы крупных промыш­ ленных предприятий, в первую очередь целлюлозно-бумажных

комбинатов, предприятий химической и нефтехимической про­

мышленности.

Недостатки осевых компрессоров следующие:

Kpyrыe газодинамические характеристики малой щютяженности

ПО расходу;

повышенная чУвствительность к помпажу, который может вы­

звать поломку лопаток рабочих колес.

Однако эти недостатки можно отчасти устранить за счет при­

менения эффективных методов регулирования, повышения уров­

ня автоматизации и культуры эксплуатации машин с осевыми компрессорами.

При производстве осевых компрессоров предъявляются высо­ кие требования к технологической культуре завода-изготовите­ ля, обусловленные сложностями изготовления в первую очередь

лопаточного аппарата.

'Устройство осевого компрессора. Осевой компрессор (рис. 9.29) состоит из входного устройства 1, во многом подобного входному устройству центробежного компрессора, описаниому выше, с по­

мощью которого газ подводится к входному направляющему ап­

парату (ВНА) 2. Входной направляющий аппарат организует по­ ток и придает ему необходимое направление движения, после чего

оп поступает на рабочее колесо (РК) 3. Отметим, что в некото­

рых конструкциях осевых компрессоров ВНА может отсутство­ вать, и тогда поток поступает к лопаткам РК непосредственно из

входного устройства. От лопаток РК к газу подводится мех~ни­

ческая энергия, причем характер изменения скорости и давления

газа при e~ движении от входного до выходного сечения РК зависит от коэффициента реактивности ступени. В ступенях с ко-

 

эффициентом реактивности

 

01_2 = О давление в РК не

 

измевЯe'reЯ, а абсолютная ско­

 

рость возрастает; в ступенях,

 

у которых О < 01_2 < 1 , дав­

 

ление в РК и абсолютная

 

скорость газа увеличивают-

 

ся; в ступенях с 01-2 =1

 

давление в РК возрастает. а

 

абсолютная СКОРОСТI. по мо­

s

дулю остается постоянной,

изменяясl. только по направ-

 

лению. Из РК газ поступает

Рис. 9.29. Осевой компрессор

в направляющий аппарат

(НА) 6, в котором изменение его давления и скорости также за­

висит <?т коэффициента реактивности. При 01-2 =О скорость в НА уменьшается, а давление растет,. причем давление у~еличива­ ется только в НА; при О < а1-2 < 1 скорость в НА также умень­

шается, а давление возрастает; при 01_2 =1 давление в НА неиз­

менно, а скорость по модулю постоянна и изменяется только по

направлению (см. рис. 9.33).

При выходе из последней ступени газ проходит спрямляющий

аппарат (СА) 4, который придает выходной скорости осевое на­ правление. Обычно СА выполняют совмещенным с НА последней ступени. Из СА сжатый газ поступает в выходное устройство 5,

которое по конструкции представляет собой обращенное входное

устройство, что принципиально отличает его от выходных уст­ ройств центробежного компрессора.

Ступень осевого "о.м.nрессора состоит из РК и расположенного за ним НА (рис. 9.30). Входной направляющий и выходной спрям­

ляющий аппараты, если они предусмотрены в конструкции ма­

шины, являются самостоятельными элементами проточной части

и в состав ступени' не входят.

Размер~ элементов ступени многоступенчатого осевого ком­

прессора зависят от Выбора формы его меридианного сечения

(2)

(3)1

2

J(1)

 

НА

I

 

 

 

 

I

 

 

I

Р/(

 

J(t)

I.. C"'!/f/eN6

«г60аlJ комnрессора .1

 

 

 

Рис. 9.30. Ступевь осевого компрессора

606

607

(см. ниже). В общем случае высота лопаток при входе и выходе

РК и НА изменяется, умеНl.шаясl. от входного сечения к выход­

ному. Это объясняется тем, что по мере сжатия плотностl. газа

растет, его объемный расход умеНl.шается, и при мало меняю­

щейся осевой расходной составляющей скорости потока в ступе­

ни высота лопаток умеНl.шается.

В зависимости от формы меридианного сечения компрессора средний диаметр

Dиt +DBTt

(9.169)

Dcpt = -- 2 --

может увеличиватl.CЯ (при DИ1 = const), оставатl.CЯ постоянным

(при этом Dиi =var и DBTi =var ) или умеН,l.шатl.CЯ (при DBTi =

= const ). 3десl. индексом .i.. обозначены номера характерных

сечений ступени. Традиц~онно входному сечению РК присваива­ ют индекс .1 .. выходному сечению РК и входному сечению НА - индекс .2 .. ; выходному сечению НА - индекс .3 ... При этом очевидно, что для промежуточной j-й ступени параметры потока в сечении 1 при входе в РК совпадают с параметрами потока в сечении 3 при выходе из НА предыдущей и - 1)-й, а параметры потока в сечении 3 при выходе из НА j-й ступени естl. не что иное, как параметры потока в сечении 1 при входе в РК после­ дующей и + 1)-й ступени. На рис. 9.30 сечения соседних с рас­ сматриваемой ступеней обозначены в скобках.

ТреУГОЛl.ники скоростей при входе и выходе из РК осевой сту­

пени строятся так же, как и для центробежной (рис. 9.31). Отно­ сителl.ная скоростl. при входе в РК равна векторной разности

w1 = С1 - U 1 ' а абсолютная скоростl. при входе в НА равна век­

торной сумме С2 =W 2 + U 2 Векторы абсолютной скорости С1 при

входе в РК, относИтелl.НОЙ W 2 при выходе из РК и абсолютной Сз

при выходе из НА определяются геометрическими параметрами

ирежимом работы лопаточных аппаратов НА предыдущей, РК

иНА рассматриваемой ступеней.

Осевые (расходные) составляющие скорости C1Z и C2z могут от­

личаты:я друг от друга, так как прИПрофилировании стремятся

получитl. достаточно боЛl.шие высоты лопаток последних ступе­ ней компрессора, чтобы обеспечить приемлемые значения их КПД.

В пределах одной ступени умеНl.шение осевой скорости Cz обычно

невелико и не превышает 10-15 м/с.

ТреУГОЛl.ники скоростей на'среднем диаметре ступени осево­ го компрессора, построенные в общем случае с учетом отмечен­ ных особенностей конструкции проточной части, представлены

на рис. 9.32,а. 3десl. принято: " 2 > "1' что соответствует наибо­

лее распространенному варианту профилирования меридианного

сечения с постоянным наружным диаметром Dи =const и C2z < c1z'

608

Рис. 9.31. Кивематика IЮ.\'()ка, ступеии осевого ком­

прессора

Эл,е.менrrюрная ступень осевого "о.м.nресropарасполагается между

двумя сооспыи ЦИЛИНДрическими поверхностями радиусов r и r +dr

(см. рис. 9.30). Развернув цилиндрическое сечение радиуса r на

плоскOCТI., получим бесконечную систему профилей, расположен­

ных под одним и тем же углом к фронту решетки на одинаковых

расстояниях друг от друга. Профили подвижного ряда, соответст­

вующего РК и движущегося со скоростью, равной окружной скорос­

ти на поверхности цилиндра радиуса r, могут отличаТI.CЯ от Профи­

лей неподвижного ряда, соответствующих НА.

Полученная таким образом систе~ профилей называется МОС­

"Ой решет"ой nрофил.еЙ (см. рис. 9.3.1). Совокynностl. двух рас­

положенных друг за другом плоских решеток профилей, из кото­ рых первая, соответствующая РК. перемещаe'i'cя по плоскости

параллелl.НО фронту решетки со СКОРОСТl.ю и. а вторая. соответ­

ствующая НА. неподвижна, рассматривается как элементарная

ступенl. осевого компрессора. У элементарной ступени окружная

CKOPOCТl. постоянна, т. е. " 1 ="2 =U , а осевая скоростl. JIpИки-

39 п/р л. с. Тимофеевскoro

609

Рис. 9.32. Треyroльв:ики скоростей ступеии осевого

компрессора: а - на среднем диаметре при и1

* U z

И СI* Cz.; (J - элементарной ступени при и1 = U z = U

и СI= Cz= с.

= Cz = W z = idem.

мается одинаковой во всех сечениях Czl = Wzi

3десl. t =1, 2,3 - номер сечения.

ТреyroЛl.ники скоростей элементарной ступени приведены на.

рис. 9.32, б. Видно, что приращение oкp~ыx составляющих абсо­

лютных и относителl.НЫХ скоростей одинаковы: АСи =АШи 'что яв­

ляется следствием постоянства окружной скорости в сечениях РК.

Безразмерные параметры осевого компрессора. Характер­

ным геометрическим размером ступени осевого компрессора счи­

тается наружный диаметр РК D 1H (см. рис. 9.30). Характерной

переносной С.КОРОСТl.ю считают либо окружную СКОРОСТI. на сред­

нем диаметре входного сечения РК, определяемом формулой

(9.169) [89]

иlср = nD1cpn = i D1H (1 + Уl)n'

(9.170)

либо окружную СКОРОСТI. на наружном диаметре D 1H [12,74,89]

3десl. индекс .1.

и=nD1H n.

(9.171)

указывает, что соответствующие геометричес­

кие и режимные параметры относятся к входному сечению РК,

и в далl.неЙшем может опускатl.СЯ для упрощения записи. Связl. между этими окружными скоростями устанавливается

соотношением

(9.172)

Для элементарной ступени характерной переносной СКОРОСТl.ю

является окружная скорость U на диаметре D = 2r (см. рис. 9.30).

В этих формулах

 

У1 = Ъ1вт = Чвт / D1H

(9.173)

- безразмерный диаметр втулки (корня лопатки РК во входном его сечении).

В реЗУЛl.тате оБОБщения реЗУЛl.татов эксперименталl.НЫХ ис­

следований уС'i'a1l0влено, что среднее значение уделl.НОЙ работы

ступени осевого компрессора примерно равно уделl.НОЙ рабоre эле­ ментарной ступени, расположенной на среднем радиусе, котОрЫй

делит высоту лопатки пополам. Поэтому при расчетах осевых

компрессоров и отделl.НЫХ ступеней по обобщенным эксперимен­ талl.ным характеристикам плоских решеток, обычно выполняе­

мых по среднему диаметру, в качестве характерной скорости ис­

ПОЛl.зyIOТ среднюю окружную скоростl. иср,

При проектирова;нии компрессора по характеристикам моделl.­

ных ступеней в качестве характерной скорости принимают ок­ ружною СКОРОСТI. на наружном диаметре РК ин [12]. В любом случае необходимо следитl. за тем, чтобы все бёзразмерные ре­

жимные параметры, такие как коэффициенты расхода, мощнос­

ти, теоретической, эффективной работ и другие, ИСПОЛl.зуемые в расчетах, были определены с применением той характерной скорости, которая была выбрана в качестве определяющей.

Бе;Jразмерные скорости <i>i' условный коэффициент расхода Ф, условные числа Маха Ми определяют по формулам, аналогичным

(9.2)-(9.5) и (9.9), в которых вместо и2 записывают иср, ин ИЛИ,

для элементарной ступени, и. При определении скорости Сф' вхо­ дящей в зависимостl. (9.5) для Ф, вместо диаметра D 2 записыва-

ют наружный диаметр РК DH • •

В далl.неЙшем все параметры, полученные с ИСПОЛl.зованием

в качестве характерной окружной скорости на наружном диамет­

ре РК ин, будут обо!Jначатl.CЯ теми же символами, что и найден­

ные с ИСПОЛl.зованием в качестве характерной средней окружной

скорости иср, СО штрихом.

Коэффициент расхода определяют по осевой (расходной) со­ ставляющей скорости. Для элементарной ступени коэффициент

расхода

(9.174)

вобщем случае изменяется по радиусу, поэтому для ступени

вцелом используют условные коэффициенты расхода

(9.175)

или

(9.176)

610

39*

611

 

 

 

Условные числа Маха по осевой скорости C1zy определяются

соотношениями

(9.177)

где скорость звука в заторможенном потоке при входе в компрес­

сор или ступенl. находят по формулам, приведенным в табл. 7.1.

Условную осевую скорость определяют по плотности торможе­

ния при входе в ступенl.

 

 

4G

 

 

(9.178)

C1zy = * (2

~ ')

 

Pl 1t

д1н -

lвт

 

Коэффициенты расхода Ф также различаются толl.ко значени­

ем характерной скорости

(9.179); (9.180)

При этом

(9.181)

и

(9.182)

Связl. между параметрами, зависящими от характерных ско­

ростей, в первой ступени устанавливается такими соотношениями:

'Pz y Ф M~ и..

2

(9.183)

'P~y = ф' = Ми = "ер = 1 + Vl •

 

Коэффициенты теоретической. эффективной и изоэнтропной

работ элементарной ступени определяют по формулам:

 

'I1T='-a/u2 ;

(9.184)

'1'

= lэф/u2

= 11h'l'T;

(9.185)

\JI:

=1;/и2

= 11.\JIT·'

(9.186)

Для ступени в целом, в которой имеются потери на протечки

и трение, к этим трем коэффициентам добавляется коэффициент

мощности:

х =~/и~p = (1 + f3пр, + f3тp)'I1T ;

(9.187)

и р

(9.188)

'I1t ='-а/ : ;

 

'11 =~/u:p =1'IпOJlХ ;

(9.189)

\JI*. =l.*/"ер2 ='11*. Х. •

(9.190)

Если ИСПОЛl.зоваТI. В качестве характерной окружной скорос­ ти Uи' эти параметры будут обозначатl.СЯ теми же символами со

штрихом: х.', p~, \JI~, \JI', \JI:', а СВЯЗI. между ними устанавливает­

ся на основе формулы (9.172) такими соотношениями:

(9.19~)

Заметим. что f3пр. строго говоря. одинакова в обоих случa.sa. так

как зависит толl.КО от отношения массовых расходов (см. ниже).

Внутренняя МОЩНОСТЬ ступени. Гидравлический КПД. Ко­

эффициент реактив!,ости. Внутренняя мощностl. ступени осево­

го компрессора складывается из тех же составляющих. что и

внутренняя мощностl. ступени центробежного компрессора N, =

=Na + ,Nтp'

Лопатка осевого компрессора имеет профилl.. изменяющийся

по высоте, окружиая и осевая составляющие скорости по высоте

лопатки также изменяются, поэтому теоретическая (Эйлерова)

МОЩностl. должна определятl.CЯ интегрированием по высоте ло­

патки. С учетом того, что в peaJIl.HblX ступенях высота лопатки'

РК при выходе может бытl. меНl.ше. чем при входе. получим такое выражение для момента. приложенног,9 к РК:

 

.

1\и

 

М= JC2u r 2dGp.K -

JclarldGp:K

(9.192)

и для теоретической мощности

 

 

 

llи

 

 

 

N{J = JС2ии2dGP.K -

JC1uU1 dGp•K

=Gp,K(C2uU2ep -

CluUlep)' (9.193)

'28'1'

r18'1'

 

 

 

в последнем уравнении, полученном для применения в расче­

тах осевого компрессора по среднему диаметру. среднеинтеграль­

ные окружные составляющие абсолютных скОростей. приведен­

ные к среднему диаметру соответствующего сечения, находят

с помощью выражений:

(9.194)

и

(9.195)

612

613

Массовый расход газа через колесо осевого компрессора боль­

ше, чем через выходное сечение ступени, на величину протечек.

При наличии бандажа, расположенного в верхней части лопаток

и ЯQляющегося для осевого колеса аналогом покрывающего дис­

ка у закрытого колеса центробежного компрессора, протечки идут

из области более высокого давления Р2 за колесом в область более низкого - Рl перед колесом через зазоры в лабиринтном уплот­ нении бандажа. Если бандажа нет, то протечки идут через зазор

s между корпусом и верхним сечением пера лопатки из одного

Jежлопаточного канала в другой со CTOPOHbI вогнутой части ло­

патки (корыта) к выпуклой (спинке) (см. рис. 9.30). При этом общее направление Про.течек сохраняется таким же, как и при наличии бандажа. Вследствие этого общий массов~й расход газа

через колесо будет больше GpK =G + liGK ' где liGK - массовый

расход протечек.

Пренебрегая влиянием протечек на кинематику потока в РК,

находим из выражения (9.193) теоретическую (Эйлерову) мощ­

ность В таком же виде, что и для центробежной ступени,

Nэ =(G + liGK ) и2ср - с1ииlср)

(9.196)

Переходя к безразмерным величинам, находим

 

N. ~G (1+ A~.)(~.. ~: - ~+1,~.

(9.197)

Внутреннюю мощность ступени с учетом мощности трения оп­

ределим в таком виде:

N, ~G

1+ AG. + (

N..)

 

](j)2U ~2CP- «Р1и)и~cp.

 

G

D2cp

2

lср

 

G

«Р2и D - «Р1и "1ср

 

 

 

lср

 

 

 

 

 

 

 

Обозначив относительные потери на протечки аналогично фор­

муле (9.19) через Рпр , а на тpeHlJe дисков в виде

Р.. ~N..ЛG(~.. ~:-~1')иl,.].I (9.198)

найдем окончательное выраже~ие для внутренней мощности

N t =G(1 + ~np+ ~TP)(j)2и ~2cP

- «Р1и)и~cp=

 

lср

 

 

=G(1 + ~пр + ~тp)''l'TU~CP =GXurcp'

(9.199)

614

Коэффициент мощности осевой ступени, приведенный к сред­ ней окружной скорости "1ср'

Х=(1 + Рпр+ ~TP)(j)2иD2cp - «Р1и]=(1 + ~пр+ ~TP)'1'т' (9.200)

D1cp

Внутренняя удельная работа осевой ступени

~ = d=(1 + ~пр+ ~тp)(j)2и ~2CP - «Р1и]и~cp = xи~cp. (9~201)

lcp

Связь между внутренней и теоретической (Эйлеровой) работа­

ми устанавливается соотношением (9.25), в котором теоретичес­ кая работа.

. =(j)2и ~2CP - «Р1и]и~cp.

(9.202)

lср

 

Процессы в ступенях осевых компрессоров обычно ~иабатны,

поэтому для них справедлива зависимость (9.27), принимающая

вид

(9.203)

и присз '" С1.- зависимость (9.28), принимающая следующий вид:

. l, =iз -~.

(9.204)

Эффективную работу ступени'находят с помощью внутренне­

го, как правило, политропного КПД:

~ = ltТlпол =(1 + Рпр+ Ртр)(<I>2и~2сР - <l>1и]= U~срТlпол =

. lср

(9.205)

с помощью этого выражения непосредственно определяют

икоэффициент эффективной работы \JI по формуле (9.189).

Политропный или внутренний КПД ступени, равный в соот­

ветствии с выражениями (7.108), (7.115) и (7;116)

lэф

lэф

 

Тlпол =l

=- 2 - '

(9.206)

t

хи1ср

 

учитывает все потери в ступени, включая потери на трение

и протечки. Потери, связанные только с движением потока газа, так же как и у центробежных ступеней, определяют с помощью

615