Способ унификации обратного направляющего аппарата в промежуточной ступени ЦКМ

Отработка унифицированных неподвижных элементов для нагнетателей и компрессоров со сменными рабочими колесами представляет важную прикладную задачу. В работе 1 приводятся данные, с помощью которых можно выбрать размеры сечений боковой сборной камеры унифицированного нагнетателя (концевой ступени) при работе с колесами разных напоров и производительностей. В настоящей статье приводятся результаты исследований, позволяющие обосновать выбор унифицированного обратного направляющего аппарата (ОНА) для промежуточных ступеней с без-лопаточным диффузором при работе с колесами разной ширины. Рассматриваются различные схемы выполнения диффузоров, поворотного колена и ОНА при разной ширине каналов колеса и ОНА. Эти схемы показаны на рис. 1 применительно к промежуточной ступени модели двухступенчатого нагнетателя с указанием размеров элементов ступени.
Для испытаний в модели использованы три варианта ОНА с разной шириной лопаток на входе (6*=19; 23 и 29 мм) при одинаковой ширине на выходе (в=34 мм). При ширине колеса 6а= 19 мм относительная ширина лопаток ОНА составляла: &а/&*=1,0; 1*21 и 1,52. Все лопатки ОНА были выполнены профилированными (с одинаковым профилем), их число равно 16, входной угол а=31°, выходной—в=90°.
Испытания проводили на модели двухступенчатого нагнетателя с без-лопаточными диффузорами и боковой сборной камерой во второй ступени. При испытаниях использовали колеса двух типов К-33-48 и К-43-48, отличавшиеся величиной производительности. При работе с каждой парой колес изменения элементон проточной части производили только в первой (промежуточной) ступени; вторая (концевая) ступень оставалась неизменной. Характеристики снимались для двухступенчатой модели в целом (по патрубкам) с учетом всех потерь в проточной части. Исходным вариантом промежуточной ступени модели был принят следующий: колесо, без-лопаточный диффузор с параллельными стенками             поворотное колено с концентричными стенками, ОНА с такой же шириной лопаток. В других вариантах использовали ОНА с более широкими лопатками (Ь&>Ь2). Переход от колеса к более широким каналам ОНА выполняли разными способами: за счет расширения либо канала диффузора (&4>&з)> либо поворотного колена (6В>М» либо смешанным способом (Ьв>64>&з). Варианты такого выполнения каналов неподвижных элементов промежуточной ступени показаны на рис. 1« Сравнительная эффективность этих вариантов была исследована при испытаниях модели двухступенчатого нагнетателя с разными колесами. Полученные данные дают основу для выбора способа унификации ОНА в промежуточных ступенях ЦКМ.
На рис. 2 приведены результаты испытаний модели нагнетателя с колесами типа К-33-48 (р1=»33°; р48°; 0а=32О мм; Ъ2= 19 и 17 мм). Характеристики модели представлены в безразмерном виде, ступенчатого нагнетателя в целом; адиабатический КПД нагнетателя; Фо1=С0\/и2 — коэффициент расхода, отнесенный к сечению входа в колесо первой ступени. Испытания модели проводили на воздухе при окружной скорости и2—230-г 240 м/с.
Как уже отмечалось, в качестве исходного принят вариант промежуточной ступени с без-лопаточным диффузором с параллельными стенками (а=19 мм), поворотным коленом с концентричными стенками (г=16; 35 мм) и ОНА с лопатками, равными по ширине лопаткам колеса (Ь6—19 мм). Результаты испытаний модели с этим вариантом первой ступени показаны на рис. 2 опытными точками (светлые кружки); по этим точкам построены характеристики нагнетателя.
В следующих вариантах промежуточной ступени использовали ОНА с лопатками шириной — 23 и 29 мм (Ь6/Ь2—1,21 и 1,52). Без-лопаточный диффузор в этих вариантах оставался исходным — с параллельными стенками (&4=&з=19 мм). Переход к более широким каналам ОНА осуществлялся за счет поворотного колена — изменением наружного радиуса (/?=37 и 40 мм) — см. рис. 1. Результаты испытаний модели со вторым и третьим вариантами промежуточной ступени показаны на рис. 2 другими опытными точками (светлые треугольники и квадраты). Сопоставление их с характеристиками, соответствующими исходному варианту промежуточной ступени, показывает, что они практически ложатся на исходные кривые. Лишь в области самых малых расходов имеет место небольшое снижение КПД нагнетателя (^на 1 %) при использовании ОНА с более широкими лопатками.
На рис. 2 также показаны результаты испытаний модели с другими вариантами выполнения неподвижных элементов промежуточной ступени. Опытные точки в виде темных треугольников соответствуют варианту, когда переход к более широким каналам ОНА (Ь=23 мм) осуществлен за счет без-лопаточного диффузора (&з=19; Ь±=23 мм); поворотное колено выполнено с концентричными стенками (г= 14; #=37 мм). Наконец, опытные точки в виде темных квадратов соответствуют варианту, когда переход к наиболее широким каналам ОНА (Ь= 29 мм) осуществлен смешанным способом: за счет расширения без-лопаточного диффузора (Ьз~ 19; 64=23 мм) и поворотного колена (г= 14;=40 мм) — см. рис. 1. Сопоставление тех и других точек с исходными характеристиками показывает, что применение указанных вариантов промежуточной ступени также практически не приводит к изменению показателей нагнетателя (кроме снижения КПД на—1 % при самых малых расходах). Различные испытанные способы перехода к более широким каналам ОНА оказываются равноценными.
На рис. 3 приведены результаты испытаний модели нагнетателя с колесами типа К-43-48 (Р1=43°; ра= = 48°; 1>2=320 мм; Ь2=23 и 21 мм) также при разных вариантах выполнения промежуточной ступени. Эти колеса отличаются повышенной производительностью (за счет увеличения угла входа и ширины каналов 6а). На основных режимах имеют место более высокие скорости в каналах ступени. Исходным (с этими колесами) принят вариант промежуточной ступени с без-
лопаточным диффузором с параллельными стенками (Ь4=6з=23 мм), поворотным коленом с концентричными стенками (г= 14; К—37 мм) и ОНА с лопатками 6В=62=23 мм. Опытные точки для модели нагнетателя с исходной промежуточной ступенью на рис. 3 показаны треугольниками; по ннм построены характеристики. По сравнению с предыдущими (см. рис. 2) характеристики с колесами К-43-48 значительно сдвинуты в область повышенных коэффициентов расхода (до ФО1=0>50-г 4-0,58). Уровни КПД и коэффициентов напора остаются теми же: Г =0,804-0,81; фн=1.9-4-2,1.
Кроме исходного модель испытана и с другим вариантом промежуточной ступени — с более широким ОНА (*5=29 мм; 6в/62= 1,26). Без-лопаточный диффузор остается с параллельными стенками (6 4=63= 23 мм); расширение канала осуществляется в поворотном колене (/‘=14; /?=40 мм). Опытные точки для этого варианта проточной части показаны на рис. 3 квадратами. Во всей зоне они ложатся на исходные характеристики нагнетателя. Это означает, что и при работе с колесами повышенной производительности применение более широкого ОНА не приводит к снижению показателей ступени и нагнетателя в целом.
Полученные опытные данные показывают, что при работе с колесами разных типов в промежуточной ступени с без-лопаточным диффузором применение ОНА с относительной шириной лопаток 6в/62 до 1,5 не приводит к заметному изменению экономичности ступени. Отсюда может быть сделан вывод, что в унифицированных проточных частях нагнетателей и компрессоров при работе с колесами разной ширины в промежуточных ступенях может быть использован одни тип ОНА, соответствующий по ширине лопаток 6В колесам с наибольшей шириной 62. В этом случае при установке колес меньшей ширины (в пределах изменения 6в/62= 1,5-г 1,6) не должно иметь место существенное снижение показателей нагнетателя или компрессора. Переход от более узких каналов колеса к широким каналам ОНА может осуществляться указанными ранее способами (4>3, 66> 64, &в>64>&3). В аэродинамическом отношении эти способы равноценны. Конструктивно проще осуществлять переход за счет изменения сечений поворотного колена, меняя внутренний радиус г и заднюю стенку без-лопаточного диффузора (сохраняя соотношение 64=6з=62).