Экспериментальные исследования парциального центробежного компрессора

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРЦИАЛЬНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Компрессоры (осевые и центробежные) занимают особое место в малорасходных турбомашинах (МТМ). Это связано с особенностями рабочих процессов происходящих в компрессорах. Это определяет и методы исследования и оборудование и многое другое. В итоге сложились школы компрессорщиков, занимающихся почти исключительно исследованиями компрессоров. Микрорасходные компрессоры, а тем более парциальные, только в недавнее время стали предметом исследования, поэтому публикаций пока немного. Предметом данного исследования стали центробежные компрессоры, так как они менее чувствительны к уменьшению геометрических размеров и обеспечивают более значительную степень повышения давления в сравнении с осевыми.

Центробежные компрессоры обладают высокими удельными характеристиками и поэтому широко используются в энергетике. Применение их в области малых расходов позволяет заменить поршневые компрессоры. Однако при расходах менее 50 г/с проточная часть получается слишком мелкой, что приводит к понижению к.п.д. и к большему увеличению частоты вращения. Одним из способов повышения эффективности является использование парциальности. Применение парциальности, широко распространенной в микротурбинах, приводит к появлению потерь, называемых вентиляционными, и потерь на краях рабочей дуги проточной части. Однако при степени парциальности е > 0,1 для турбин эти потери не слишком велики.

В Омском политехническом институте (ОмПИ) были проведены экспериментальные работы по определению эффективности концевой ступени с некоторыми видами парциальных устройств, имеющими степень парциальности менее 0,5. Эксперименты проводились на установке для испытания мало- и микрорасходных высоконапорных турбомашин.

Задача исследования состояла в качественном анализе эффективности ступени с различными вариантами парциальных устройств. В ходе проведения испытаний было выявлено, что наиболее эффективным методом повышения к.п.д. и напоров в зоне расходов газа меньше оптимальных является введение в проточную часть центробежного компрессора парциального диффузора и соответствующего ему парциального подвода газа к рабочему колесу.

Результаты работы в ОмПИ нашли применение при проектировании микрорасходных компрессоров в автономных холодильных и криогенных установках. Однако при проектировании таких машин с холодопроизводительностью менее 1,5 кВт возникает ряд трудностей, связанных с высокими оборотами ротора (более 100 000 об/мин и миниатюрными размерами проточной части, так как малые размеры проточной части приводят к повышенным газодинамическим потерям, а обороты ограничены недостаточной надежностью высокооборотных подшипников и значительными аэродинамическими потерями ротора.

На кафедре СДВС и У Кораблестроительного института ДВГТУ проводятся исследования малоразмерных парциальных центробежных компрессоров.

Основным способом исследования является экспериментальный, так как рабочие процессы, проходящие в проточной части сложны и малоисследованы.

Для выполнения полного комплекса научно-исследовательских работ спроектирован и создан специальный экспериментальный стенд. В качестве высокооборотных подшипников были использованы подшипники с воздушной смазкой. Их применение позволило повысить надежность работы установки и точность измерений. Привод компрессора осуществлялся турбиной, рабочее колесо которой установлено на противоположной стороне вала. Установка оборудована комплексом измерительных приборов (трубкой Пито, дифференциальным манометром, термометрами, манометрами и т.д.).

При исследовании изучалось влияние различных геометрических и режимных параметров. Применялись рабочие колеса диаметром 110 мм. За счет установки заглушки на напорной части изменялась парциальность от 8% до 24 %.

При проведении эксперимента изменялось положение всасывающих окон таким образом, чтобы производительность и напор компрессора были максимальными. Практически это

осуществлялось за счет изменения угла установки специальной профильной шайбы, имеющей всасывающее окно, установленной на всасе компрессора.

На рис. 1 приведена схема проточной части компрессора с основными элементами, с которыми проводились эксперименты. Рабочее колесо вращается по часовой стрелке.

Характеристики рабочих колес представлены в таблице.

Таблица

Характеристики рабочих колес компрессора

№ ДиаметрБ2 , мм Диаметр О 1 , ММ ~Ь=Ь/Т>2 Ъ, шт А,мм В ,ь град В„2, град О0,м м ь, мм

1 109 65 0,04 12 1,0 90 90 25 36

2 109 65 0,04 12 1,0 40 90 25 36

Экспериментальная зависимость представлена на рис. 2. Были испытаны два рабочих колеса отличающихся только углом установки входных кромок лопаток. Одно имело плоские лопатки, другое с углом установки, обеспечивающим безударный вход потока. Из рисунка видно, что для рабочего колеса с плоскими лопатками (верхняя кривая на рис. 2) имеется значительная зависимость оптимального взаимного расположения окон от частоты вращения ротора компрессора выражаемая углом закрутки а}. С увеличением частоты вращения оптимальный угол закрутки оц уменьшается, причем на меньших частотах зависимость близка к обратно пропорциональной, но с увеличением частоты вращения априближается к постоянной величине.

Для второго рабочего колеса (нижняя кривая на рис. 2) зависимость от окружной скорости слабая и уменьшается с ее увеличением, что совпадает с данными Дэна. Средняя кривая (угол ¡3] = 60) лежит значительно ближе к нижней кривой, чем к верхней, хотя эта кривая получена за счет доработки входных кромок первого РК.

Угол входа входного направляющего аппарата РК обычно рассчитывают для обеспечения безударного входа, либо для уменьшения относительной скорости на входе в рабочее колесо в том случае, если она превышает скорость звука. Однако, уменьшение относительной скорости уменьшает напор создаваемый компрессором. Таким образом, увеличение угла входа увеличивает потери на удар, но с другой стороны, позволяет увеличить напор создаваемый рабочим колесом.

Для случая, если входной угол равен 90 градусов, существенно упрощается конструкция колеса и технология изготовления, особенно если и выходной угол также равен 90 градусов.

Потери от дискового трения - в МЦК они значительно больше, чем в больших компрессорах в связи с малой относительной мощностью, в частности это можно сказать о влиянии покрывного диска.

Влияние покрывного диска - он повышает кпд компрессора, так как уменьшает перетечки газа вокруг лопаток, но в МЦК это меньше помогает потому, что сильно увеличиваются потери на трение, и, кроме того, значительно усложняется конструкция рабочего колеса, а надежность уменьшается. Для уменьшения потерь на трение может быть использована только часть покрывного диска, прикрывающего ВНА. То есть убирается радиальная часть покрывного диска и остается бандаж -узкая лента. Подобное решение использовано для повышения эффективности радиально-осевой турбины, и себя оправдало.

Бандаж на цилиндрической входной части ВНА уплотняет перетечки из рабочего колеса на всас, перетечки с напорной поверхности лопаток на всасывающую на входе в межлопаточный канал, где наиболее высокая скорость газа на напорной поверхности лопатки. При этом, имея незначительную площадь и малую относительную скорость (т.к. диаметр на всасе меньше диаметра на выходе), незначительно увеличивает потери на трение. Прочности бандажа особенной не требуется также благодаря малой окружной скорости.

у//////

/У// //

Напорное. окно

Угол расширения, канала

Окно Всасывания ,

Рис. 1. Расположение основных элементов проточной части парциального центробежного компрессора

«3

80

60

40

20

0

/Д=уи

о

у. / 60 / 40°

/

110

130 150 170 им/с

Рис. 2. Оптимальные углы закрутки а, напорных окон парциального центробежного компрессора относительно всасывающих, для разных углов входных кромок лопаток ¡3:

ЛИТЕРАТУРА

1. Результаты исследований малорасходного центробежного компрессора с парциальными устройствами. Гриценко В.И., Потапов Ю.А., Кащеев Ю.А.

2. Движение низового потока в парциальном микрорасходном центробежном компрессоре. Потапов Ю.А., Кустиков Г.Г., Б.П. Бонюхов.

Горбонос В.А.

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ КОРПУСА СУДОВ, БАЛЛАСТНЫХ ТАНКОВ И СИСТЕМ Общие сведения

Мировая статистика аварийности флота показывает, что наиболее опасным видом разрушения инженерных конструкций являются хрупкие разрушения.

Они происходят внезапно и распространяются с большой скоростью. Причинами этих хрупких разрушений являются дефекты типа коррозионно-усталостных трещин, часто возникающих при эксплуатации судов в районе сварных швов, конструктивных и технологических дефектов различного происхождения: в районах концентраторов напряжений при резких изменениях сечения элементов, в местах пересечения различных элементов судового набора, в вырезах, в конструктивных элементах.

Такие явления часто возникают в корпусных конструкциях в районе балластных танков.

Кроме того, выброс за борт балластной воды с остатками перевозимых грузов и продуктами коррозии железа оказывает вредное влияние на состояние окружающей среды.

Морская вода представляет собой раствор разнообразных солей главным образом хлоридов, сульфатов и карбонатов натрия, магния, калия, кальция. Она является электролитом, ее электропроводность достаточно высокая и составляет (2,5 - 3,0)10'20м’| см"1, и имеет нейтральную или слабощелочную реакцию (рН=7,2...8,6). Присутствие в морской воде ионов хлора, т.е. ионов-активаторов, делает эту среду высоко коррозионно-активной.

В морской воде содержится большое количество микроорганизмов, способствующих ускорению коррозии и обрастанию соприкасающихся с водой металлоконструкций.

Коррозия в морской воде протекает по электрохимическому механизму исключительно с катодным контролем. Присутствие ионов активаторов (СГ) препятствует образованию пассивных пленок на поверхности металлов. Высокая электропроводность исключает проявления омического торможения.

Повышенное содержание кислорода в поверхностных слоях воды вызывает усиленную коррозию в области ватерлинии судов, на участках гидросооружений, находящихся близко к поверхности или периодически омываемых водой.

На погруженных в воду конструкциях конструкциях закрепляются или развиваются многие растительные и животные организмы. Это явление называется обрастанием. Микроорганизмы ускоряют процесс разрушения противокоррозионных покрытий. Появляются локальные очаги оголенной металлической поверхности, которые провоцируют интенсивное разрушение металла.

Мировая статистика аварийности флота показывает, что наиболее опасным видом разрушения инженерных конструкций являются хрупкие разрушения.

Они происходят внезапно и распространяются с большой скоростью. Причинами этих разрушений являются дефекты типа коррозионно-усталостных трещин, часто возникающих при эксплуатации судов в районе сварных швов, конструктивных и технологических дефектов различного происхождения: в районе концентратов напряжений при резких изменениях сечения элементов, в местах пересечения различных элементов судового набора, в вырезах, в конструктивных элементах.

Такие явления часто возникают в корпусных конструкциях в районе балластных танков.