ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ТУРБОМАШИНЫ
INPUT DEVICE OF CENTRIFUGAL TURBINES

Изобретение относится к энергетическим турбомашинам и может использоваться в центробежных компрессорах, нагнетателях и насосах.
Известны входные устройства центробежных турбомашин, имеющие трехмерные участки рабочей поверхности (рис. 56 в отраслевом каталоге "Центробежные и осевые компрессорные машины". - М.: ЦНИИТЭИ по тяж. и трансп. маш-ю, 1992). Недостатком таких входных устройств является большая трудоемкость изготовления.
Отмеченный недостаток устранен во входных устройствах, рабочая поверхность которых не имеет трехмерных участков. Известное входное устройство такого типа (рис. 1 в статье "Сравнение низконапорных воздушных центробежных компрессоров, предлагаемых фирмами стран СНГ." // Труды пятого международного симпозиума "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования". - Санкт-Петербург, 1999, с. 170-174) содержит расположенные последовательно по ходу рабочей среды радиально ориентированный переходник с круглого входного сечения на прямоугольное, секцию увеличения ширины сечения в радиальной плоскости, промежуточную камеру и радиально-осевой осесимметричный конфузор с кольцевым выходным сечением. При этом переходник в направлении хода рабочей среды расширяется в радиальной плоскости и сужается в меридиональной, секция и камера сужаются в направлении хода рабочей среды в меридиональной плоскости с одинаковым углом, граничное сечение между камерой и конфузором - цилиндрическое, а выпуклый меридиональный обвод конфузора закруглен по радиусу.
Недостаток известного входного устройства состоит в значительных потерях напора.
Причинами значительных потерь напора являются:
большое отличие площадей граничных сечений между переходником, секцией, камерой и конфузором от площади входного сечения устройства;
малый радиус закругления выпуклого меридионального обвода конфузора (этот радиус меньше ширины выходного сечения);
существенные изломы рабочей поверхности в граничных сечениях между переходником, секцией и камерой;
угол сужения секции и камеры в меридиональной плоскости принят из конструктивных соображений без учета рациональной площади граничного сечения между секцией и камерой.
Целью настоящего изобретения является уменьшение потерь напора.
Указанная цель достигается тем, что в известном входном устройстве центробежной турбомашины, содержащем расположенные последовательно по ходу рабочей среды радиально ориентированный переходник с круглого входного сечения на прямоугольное, секцию увеличения ширины сечения в радиальной плоскости, промежуточную камеру и радиально-осевой осесимметричный конфузор с кольцевым выходным сечением, причем переходник в направлении хода рабочей среды расширяется в радиальной плоскости и сужается в меридиональной, секция и камера сужаются в направлении хода рабочей среды в меридиональной плоскости с одинаковым углом, граничное сечение между камерой и конфузором - цилиндрическое, а выпуклый меридиональный обвод конфузора закруглен по радиусу,
площади граничных сечений между переходником, секцией, камерой и конфузором равны (1.1…0.9) площади входного сечения устройства;
радиус закругления выпуклого меридионального обвода конфузора равен (4…1) ширины его выходного сечения;
угол сужения переходника в меридиональной плоскости равен углу сужения секции и камеры в этой плоскости;
угол сужения секции и камеры в меридиональной плоскости определяется соотношением
в котором γ - угол сужения секции и камеры в меридиональной плоскости,
ф
ф
f и а - соответственно площадь и ширина в радиальной плоскости граничного сечения между секцией и камерой,
ц
ц
b и D - соответственно ширина и диаметр граничного сечения между камерой и конфузором.
Данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", так как оно позволяет комплексно оптимизировать все основные геометрические параметры известного входного устройства центробежных турбомашин и тем самым обеспечить максимальную газо- или гидродинамическую эффективность этого устройства.
На фиг. 1 изображено входное устройство центробежной турбомашины, меридиональный разрез; на фиг. 2 - радиальный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение вх-вх на фиг. 2; на фиг. 4 - сечение п-п на фиг. 2; на фиг. 5 - сечение ф-ф на фиг. 2; на фиг. 6 - зависимость коэффициента потерь напора ζ радиально-осевого конфузора от аргументов ζ; на фиг. 7 - разрез Б-Б на фиг. 2.
Входное устройство содержит расположенные последовательно по ходу рабочей среды переходник 1, секцию 2, промежуточную камеру 3 и радиально-осевой осесимметричный конфузор 4. Ось 5 переходника ориентирована радиально. Входное сечение 6 устройства и переходника 1 - круглое. Граничное сечение 7 между переходником 1 и секцией 2 - прямоугольное. Граничное сечение 8 между секцией 2 и камерой 3 - фигурное. Граничное сечение 9 между камерой 3 и конфузором 4 - цилиндрическое. Выходное сечение 10 конфузора 4 и устройства - кольцевое.
вып
Переходник 1 в направлении хода рабочей среды расширяется в радиальной плоскости с углом α и сужается в меридиональной плоскости с углом δ. Секция 2 в направлении хода рабочей среды расширяется в радиальной плоскости с углом β и сужается в меридиональной с углом γ, равным углу сужения в меридиональной плоскости камеры 3. Выпуклый меридиональный обвод 11 конфузора 4 закруглен по радиусу R.
Входное устройство выполнено в соответствии с изобретением:
площади граничных сечений 7, 8 и 9 между переходником 1, секцией 2, камерой 3 и конфузором 4 составляют (1.1…0.9) площади входного сечения 6 устройства;
вып
вых
радиус R закругления выпуклого меридионального обвода 11 конфузора 4 находится в пределах (4…1) ширины b выходного сечения 10 конфузора 4;
угол δ сужения переходника 1 в меридиональной плоскости равен углу сужения γ секции 2 и камеры 3 в этой плоскости;
угол γ сужения секции 2 и камеры 3 в меридиональной плоскости соответствует соотношению (1).
Входное устройство работает следующим образом.
вх
вых
вых
вх
Рабочая среда из подводящей трубы (на чертежах труба не изображена) поступает в круглое входное сечение 6 устройства со скоростью с, последовательно проходит переходник 1, секцию 2, камеру 3, конфузор 4 и выходит из устройства через кольцевое выходное сечение 10 со скоростью с на вход в первое рабочее колесо турбомашины (на чертежах колесо не изображено). Скорость с намного больше скорости с, поскольку в любой центробежной турбомашине площадь выходного сечения входного устройства намного меньше площади его входного сечения (с. 521 в книге Ю.Б. Галеркин "Турбокомпрессоры". - М.: Информ. - издательский центр "КХТ", 2010). Течение рабочей среды по устройству сопровождается потерями напора.
2
Переходник 1, секция 2, камера 3 и конфузор 4 представляют собой местные сопротивления, так как их длины невелики в сравнении с их гидравлическими диаметрами. Потери напора в местных сопротивлениях складываются из потерь трения и дополнительных местных потерь (раздел 1.5.4 Справочника по расчетам гидравлических и вентиляционных систем. - Санкт-Петербург: Изд-во "Мир и семья", 2002). Поскольку потери трения пропорциональны с, то при заданных площадях входного сечения 6 и выходного сечения 10 эти потери в переходнике 1, секции 2, камере 3 и конфузоре 4 тем меньше, чем больше площади граничных сечений 7, 8 и 9 между переходником 1, секцией 2, камерой 3 и конфузором 4 по сравнению с площадью входного сечения 6. Местные потери обусловлены локальными диффузорными зонами в потоке рабочей среды. Поэтому эти потери, в отличие от потерь трения, тем меньше, чем меньше площади граничных сечений 7. 8 и 9 по сравнению с площадью входного сечения 6. Следовательно, условием минимума потерь напора во входном устройстве является приблизительное равенство площадей граничных сечений 7, 8 и 9 площади входного сечения 6 устройства, что и отражено в изобретении.
вып
вып
вых
вып
вых
ц
вых
вып
вых
ц
вых
вып. опт
вых
вып
вых
вып
вых
вых
вып
вых
Целесообразность фигурирующей в изобретении рекомендации для радиуса R закругления выпуклого меридионального обвода 11 конфузора 4 (R=(4…1)b) следует из фиг. 6, на которой представлена зависимость коэффициента потерь напора ζ конфузора 4 от его безразмерных геометрических параметров R/b и b/b. Приведенные на фиг. 6 кривые рассчитаны по методу, изложенному на с. 14…16 в №4 журнала "Компрессорная техника и пневматика" за 2011 г. Из фиг. 6 видно, что оптимальная величина R/b, соответствующая минимуму ζ, практически не зависит от b/b и равна приблизительно 4. Поэтому, если преследовать единственную цель уменьшения потерь напора в конфузоре (и, следовательно, во всем входном устройстве), то R≈4b. Однако величина R, превосходящая b в 4 раза, обусловливает большие размеры входного устройства, в особенности радиальные. Поэтому, имея в виду ограничение размеров устройства, можно допустить R меньше 4b, но не менее 1b, так как при R<1b согласно фиг. 6 ζ начинает возрастать очень быстро.
Фигурирующая в изобретении рекомендация приравнивать угол δ сужения переходника 1 в меридиональной плоскости к углу γ сужения секции 2 и камеры 3 в этой же плоскости способствует достижению цели изобретения (уменьшению потерь напора) благодаря тому, что при δ=γ исчезает излом рабочей поверхности устройства в граничном сечении 7 между переходником 1 и секцией 2 в меридиональной плоскости (см. фиг. 1).
Фигурирующее в изобретении соотношение (1) для угла γ сужения секции 2 и камеры 3 в меридиональной плоскости вытекает из выражения
ф
для площади f граничного сечения 8 между секцией 2 и камерой 3. Ниже приводится доказательство выражения (2).
Из фиг. 5 видно, что
Из фиг. 7
Из фиг. 2
Подставляя (5) в (4) и (4) в (3), имеем
Согласно таблице неопределенных интегралов (п. 125 на с. 97 Справочника по математике И. Н. Бронштейна и К.А. Семендяева издания 1986 г.)
Следовательно, определенный интеграл в (6)
ф
Подстановка (7) в (6) дает выражение (2) для площади f, что и требовалось доказать.