РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КЛИНОВИДНОГО ДИФФУЗОРА

Одной из основных задач при проектировании центробежных компрессоров с относительно большой степенью повышения давления является разработка высокоэффективных околозвуковых и сверхзвуковых радиальных диффузоров, обеспечивающих значительное снижение скорости потока с минимальными потерями и широкий диапазон устойчивой работы компрессора. Лопаточный диффузор является ярким примером случая, когда рабочие характеристики элемента определяются влиянием большого числа параметров, и не всегда возможно достоверно установить какой из факторов стал определяющим в полученном результате. Если еще при этом учесть трудность выполнения точных измерений и высокую стоимость экспериментальной доводки – можно представить всю многогранность и сложность этой проблемы и желание как-то продвинуться в ее решении. Мы попытались путем последовательных расчетных и экспериментальных работ и их анализа улучшить характеристики компрессора, в частности повысить его коэффициент полезного действия. При этом изменениям подвергался только радиальный диффузор – другие элементы компрессора были неизменны.

Объектом исследования стал диффузор осецентробежного компрессора, состоящего из двух осевых и одной центробежной ступеней. Параметры измерялись только на входе и выходе из компрессора. Отметим, что первоначально диффузор, на основании рекомендаций ЦИАМ, был спроектирован двухрядным. Для сравнения с последующими экспериментальными данными и дальнейшего анализа результаты этого эксперимента примем за базовые. Так как потери в таком диффузоре оказались достаточно высоки и, как следствие, мы не достигли желаемого результата по КПД компрессора, была проведена большая исследовательская работа и выбран другой тип диффузора – однорядный с клиновидным профилем лопатки, как наиболее эффективный по достижению высокого КПД. Основные геометрические параметры этого диффузора представлены в таблице1.

Течение в клиновидном диффузоре от горла до выходных кромок рассматривалось как течение в отдельных каналах. При проектировании канала использовались расчеты течения идеального газа. Поверочные расчеты велись по программе расчета вязких трехмерных течений в многоступенчатых турбомашинах FlowER. Проведя расчет компрессора с полученной геометрией лопаточного диффузора мы получили увеличение КПД в среднем на 0.5% по отношению к базовому варианту. На рисунке1 приведено распределение чисел Маха в канале диффузора в плоскости вращения, соответствующее среднему сечению по высоте лопатки. Компрессор с клиновидной лопаткой диффузора был испытан и результаты испытаний подтвердили расчетные данные - полученный максимальный приведенный расход через компрессор, определяемый запиранием горловины диффузора, менее требуемого. Учитывая это, а также анализируя характер течения в канале и углы натекания потока, лопатки диффузора были повернуты в сторону раскрытия на угол =0.8. В результате расчета получили несколько лучшее распределение векторов скорости в канале диффузора (см. рис.1 и рис.2) – сократилась протяженность зоны отрыва с противотоком со стороны давления лопатки и она переместилась ближе к выходной части канала.

Следующим шагом по улучшению характеристик лопаточного диффузора и компрессора в целом явилось исследование течения в канале в меридиональной плоскости. Исходный диффузор имеет угол раскрытия в меридиональной плоскости =3.5 со стороны втулочной линии. Характер распределения изолиний чисел Маха представлен на рисунке3. Ввиду наличия срывной зоны в выходной части канала в привтулочной области венца, где имеется угол раскрытия, было проведено перепрофилирование меридионального контура лопаточного диффузора и начиная с диаметра горла радиальный диффузор выполнен прямостеночным. Результаты проведенного расчета по программе FlowER показывают значительное уменьшение зоны отрыва потока со стороны втулочного контура меридионального профиля диффузора (см. рис.4).

Поскольку все экспериментальные данные получены для одного и того же компрессора, то их можно представить на одном и том же графике в сравнительном плане. Анализ экспериментальных данных, представленных на рис.5, позволяет сделать вывод, что применение клиновидной формы профиля лопаток радиального диффузора с откорректированной диффузорностью канала и оптимизация его меридионального контура позволило улучшить характеристики исследуемого компрессора за счет снижения потерь в диффузоре.

Представленный результат указывает на достаточно эффективный подход к проектированию венца, включающий многовариантные проектировочные расчеты по программе течения идеального газа и последующие поверочные расчеты с использованием программы пространственного течения с учетом вязкости, а также соответствующий эксперимент по выбранному наиболее оптимальному варианту. Дальнейший совместный анализ расчетных и экспериментальных данных дает возможность достоверно оценить влияние исследуемого параметра и предпринять следующий шаг в сторону улучшения характеристик.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004