ПЕРИФЕРИЙНОЕ ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ КОЛЕНО ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СТУПЕНИ
PERIPHERAL AXISIMMETRIC ELBOW OF CENTRIFUGAL STAGE

Изобретение относится к энергетическим турбомашинам и может использоваться в центробежных компрессорах, нагнетателях и насосах.
Известно периферийное осесимметричное колено центробежной ступени, в котором меридиональные обводы представляют собой полуэллипсы (USA 4344737, 17.08.1982). Недостатком такого колена является сложность технологии изготовления меридиональных обводов.
Отмеченный недостаток устранен в периферийных осесимметричных коленах, меридиональные обводы которых имеют простую форму. Известное периферийное осесимметричное колено (Евдокимов В.Е., Репринцев А.И. О совершенствовании обратного направляющего аппарата ЦКМ // Энергомашиностроение, 1984, №10, с.2-5) содержит меридиональные обводы, выполненные по радиусам. Благодаря этому технология изготовления обводов не сложна.
Недостаток известного периферийного осесимметричного колена заключается в повышенных потерях напора рабочей среды. Причина повышенных потерь напора состоит в том, что рекомендуемые выходная ширина колена и радиус его выпуклого обвода задаются зависящими только от входной ширины колена, в то время как в действительности оптимальные величины их зависят также и от входного угла потока рабочей среды в радиальной плоскости.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение потерь напора в периферийном осесимметричном колене центробежной ступени путем задания выходной ширины и радиуса выпуклого обвода зависящими как от входной ширины колена, так и от входного угла потока рабочей среды.
вых
вып
Указанная задача достигается тем, что в известном периферийном осесимметричном колене, содержащем выполненные по радиусам выпуклый и вогнутый меридиональные обводы, выходная ширина b колена и радиус r его выпуклого обвода определяются соотношениями
в которых
вх
b - входная ширина колена;
вх
α - входной угол потока рабочей среды в радиальной плоскости, выраженный в радианах.
Данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", так как оно, в отличие от известных технических решений, устанавливает зависимость оптимальных величин выходной ширины и радиуса выпуклого обвода колена как от входной ширины, так и от входного угла потока рабочей среды в радиальной плоскости.
вых
вх
вып
вх
вх
вых
вх
вып
вх
вх
вых
вх
вып
вх
вх
вых
вх
вып
вх
вх
вып
вх
вых
вх
вх
вып
вх
вых
вх
вх
вып
вх
вых
вх
вх
На фиг.1 изображено периферийное осесимметричное колено центробежной ступени, меридиональный разрез; на фиг.2 - радиальный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - радиальный разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - зависимости оптимальных значений отношений b/b и r/b от угла α; на фиг.5 - зависимости коэффициента потерь напора в колене ζ от отношения b/b при различных r/b для типичного в центробежных ступенях угла α=30 град=0.5236 рад; на фиг.6 - зависимости ζ от отношения b/b при различных r/b для малого α=10 град=0.1745 рад; на фиг.7 - зависимости ζ от отношения b/b при различных r/b для предельно большого α=90 град=1.5708 рад; на фиг.8 - зависимости ζ от отношения r/b при различных b/b для α=30 град=0.5236 рад; на фиг.9 - зависимости ζ от отношения r/b при различных b/b для α=10 град=0.1745 рад; на фиг.10 - зависимости ζ от отношения r/b при различных b/b для α=90 град=1.5708 рад.
вып
вогн
вых
вып
вогн
вх
вып
вых
вогн
вх
вып
вых
Периферийное осесимметричное колено содержит выпуклый меридиональный обвод 1 и вогнутый меридиональный обвод 2. Выпуклый меридиональный обвод 1 выполнен по радиусу r. Вогнутый меридиональный обвод 2 выполнен по радиусу r. Выходная ширина b колена и радиус r соответствуют изобретению. Радиус r однозначно определяется входной шириной b, радиусом r и выходной шириной b:r=(b+2r+b)/2.
Периферийное осесимметричное колено работает следующим образом.
вх
вх
m.вх
вх
m
u
m
u
Поток рабочей среды поступает во входное сечение 3 колена со скоростью c и входным углом α. При этом меридиональная составляющая c скорости c направлена от оси ступени. По мере перемещения рабочей среды по колену меридиональная составляющая c скорости c, благодаря изогнутости колена в меридиональной плоскости на 180 град, постепенно изменяет направление на противоположное и в выходном сечении 4 колена направлена к оси ступени. Окружная составляющая c скорости c изменяется в колене главным образом в соответствии с законом постоянства момента количества движения. Вследствие этих закономерностей изменения c и c линии тока рабочей среды в колене - криволинейные и пространственные. Течение рабочей среды по колену сопровождается потерями напора вследствие трения рабочей среды о выпуклый 1 и вогнутый 2 меридиональные обводы, а также вследствие поперечных и продольных градиентов скорости c.
вых
вх
вып
вх
вых
вх
опт
вып
вх
опт
вх
вых
вх
опт
вх
вып
вх
опт
вх
вых
вх
вып
вх
вх
вых
вх
вып
вх
Величина коэффициента потерь напора ζ определяется в основном отношениями b/b и r/b. Оптимальные значения этих отношений (b/b) и (r/b), соответствующие минимуму ζ, зависят от угла α (фиг.4). Графики (b/b)=f(α) и (r/b)=f(α), изображенные на фиг.4, построены на базе зависимостей ζ=f(b/b; r/b); рассчитанных для ряда значений α в диапазоне 5…90 град. Примеры зависимостей ζ=f(b/b; r/b) представлены на фиг.5…10. Величины ζ рассчитывались по уточненному варианту методики, изложенной на с.371…377 тома II Трудов XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике, г. Казань, 2011 г.
вых
вх
опт
вх
вып
вх
опт
вх
Изображенные на фиг.4 графики (b/b)=f(α) и (r/b)=f(α) с незначительной погрешностью аппроксимируются следующими аналитическими выражениями:
вх
в которых размерность α - радианы.
вых
вх
вых
вх
опт
Фиксированный коэффициент 1.2 в выражении (3) может быть заменен диапазоном 1.13…1.43, так как согласно фиг.5…7 изменение отношения b/b в пределах 0.94…1.19 от значения (b/b) увеличивает ζ не более чем на 1%.
вып
вх
вып
вх
опт
Фиксированный коэффициент 6 в выражении (4) может быть заменен диапазоном 3.6…6.6, так как согласно фиг.8…10 изменение отношения r/b в пределах 0.6…1.1 от значения (r/b) увеличивает ζ не более чем на 1%. Замена коэффициента 1.2 в выражении (3) и коэффициента 6 в выражении (4) указанными диапазонами дает
вх
вып
Из выражений (5) и (6) следуют соотношения (1) и (2) для рекомендуемых изобретением величин b и r.
вх
вып
вх
вып
вх
вх
Задание b колена в соответствии с соотношением (1) и r в соответствии с соотношением (2) обеспечивает минимальный коэффициент потерь напора в колене ζ. Одновременно с ζ минимизируются и потери напора, поскольку они равны произведению ζ на  (Галеркин Ю.Б. Турбокомпрессоры, 2010, с.417). Согласно соотношениям (1) и (2) рекомендуемые изобретением выходная ширина b и радиус r выпуклого обвода зависят как от входной ширины b колена, так и от входного угла α потока рабочей среды. Таким образом, задача настоящего изобретения решена.