Об экономичности работы ступени центробежного нагнетателя с различными типами входных регулирующих аппаратов

Регулирование центробежных компрессорных машин посредством входных регулирующих аппаратов (ВРА) с поворотными лопатками, несмотря на известные преимущества, не получило еще достаточно широкого распространения. Одной из причин этого является недостаточная изученность совместной работы ВРА и ступени компрессора, отсутствие обоснованных рекомендаций по выбору типа ВРА и его конструктивных параметров.
Анализ работ, выполненных в ЛПИ имени М. И. Калинина, на НЗЛ, в ЦКТИ, во ВНИИгазе и др., указывает на прямую связь эффективности ступени с конструктивными особенностями ВРА. Как показано детальное исследование ВРА совместно с входным участком рабочего колеса на статических моделях [1], кинематика потока и гидравлические потери определяются не только углом поворота лопаток, но и типом ВРА и конфигурацией входного участка. Далее приведены основные результаты экспериментального исследования по выявлению влияния этих факторов на работу регулируемой ступени.
Исследованы три типа ВРА: осевой с консольными лопатками (В РА-0), осевой с неподвижными предкрылками и центральным телом (ВРА-Ц) и радиальный (ВРА-Р). Испытания проведены в диапазоне углов поворота лопаток 0=—45-45° с интервалом 15°. Геометрические характеристики аппаратов приведены в работе.
Получены три серии характеристик ступени и рабочего колеса в виде т)ад(ф2) и т|>ад(ф2). Значения характеристик ступени для режима максимального КПД сведены в таблицу. Для удобства сравнения эффективности регулирования различными аппаратами на рис. 1 построены огибающие характеристик, т. е. из совокупности кривых т) (ф2), каждая из которых получена для определенного значения угла 0, выбраны лишь участки с наибольшими КПД и соответствующие им ветви кривых т|> (ф2). Обобщенная характеристика ступени с ВРА-0 состоит из трех участков с углами 0=15, 0 и —15°, ступени с ВРА-Ц — из двух участков (0=15 и —15°), а для ступени с ВРА-Р наибольший КПД во всем диапазоне ф2 имеет место при 0=0°.
Из рассмотрения совокупности и обобщенных характеристик следует: при небольших отрицательных углах |0|<15° характеристика ступени смещается в сторону больших расходов; при всех других значениях 0 — в сторону меньших ф2. При 0<О наблюдается расширение диапазона устойчивой работы, а при 0>О — сужение его (особенно для ВРА-Р).
Положительный эффект (увеличение КПД) при расходах, меньших расчетного. Дают небольшие положительные углы 0^30°, а при Фг>Фгр — небольшие отрицательные углы 15°.
Во всем диапазоне расходов (кроме малых ф2) при небольших отрицательных углах 0 имеет место повышение напора, в остальных случаях — его снижение.
Зона экономичной работы ступени с ВРА-Р и ВРА-Ц примерно одинакова, а с ВРА-О — в 1,2 раза шире (в основном, за счет правой ветви характеристики).
Наиболее эффективен ВРА-О: ступень имеет наибольший диапазон устойчивой работы, большой КПД и коэффициент напора при Фг>Фг.  В зоне ф2<фгр экономичнее ВРА-Р, однако коэффициент напора при этом наименьший. Ступень с ВРА-Ц обеспечивает наиболее высокий коэффициент напора при худшем КПД,
При всей очевидной важности эти выводы носят частный характер, так как справедливы для данных конструкций аппаратов и входных участков и позволяют лишь косвенно определить их эффективность. Анализ и необходимые обобщения могут быть сделаны только на основе детального изучения структуры потока и потерь в элементах во взаимосвязи с характеристиками ступени. Ниже предложен метод анализа работы ступени на основе данных статических продувок ВРА с использованием материалов работы и вновь полученных экспериментальных данных.
Опыты показывают, что при регулировании ступени посредством ВРА потери в аппарате и входном устройстве вносят существенное дополнение в общий баланс энергии двухзвенной ступени и должны быть выделены. КПД ступени в этом случае может быть представлен выражением.
Из формулы (2) следует, что при одинаковой степени аэродинамического совершенства ВРА различных типов (что, в принципе, достижимо), большей экономичности следует ожидать от применения ВРА, у которого меньше уровень входной скорости и срабатываемый перепад, так как с^=с^+2Лвра- Относительное ^изменение доли КПД для двух ВРА при одинаковой закрутке потока можно оценить по выражению, где Р и Р' — торцовые площади выходного сечения аппаратов.
Приращение коэффициента потерь в рабочем колесе при использовании ВРА можно представить суммой двух составляющих: первая из которых характеризует потери от ударного натекания при средне-интегральном угле атаки, а вторая — потери от окружной и радиальной неравномерности потока на входе в колесо. Лучшим будет аппарат, обеспечивающий наименьшую неравномерность при заданном значении угла.
Прежде чем перейти к анализу экспериментальных данных по регулируемой ступени, обратимся к представленным на рис. 2 результатам статических продувок аппаратов совместно с входным участком, под которым, понимается часть проточной части между выходным фронтом решетки ВРА (сечение а—а) и входным фронтом решетки рабочего колеса (сечение 1—1). Аппараты и режимы их испытаний в ступени и на статической модели были идентичны. Надлежащим выбором измерительных сечений для траверсирования удалось расчленить потери энергии в аппарате и во входном участке (рис. 2, а). Коэффициент потерь в решетке ВРА-О с увеличением угла поворота лопаток 0 растет из-за потерь на удар при натекании на входные кромки и стеснения в центральной части аппарата, в то время как для двух других ВРА он остается постоянным благодаря наличию предкрылка в ВРА-Ц и очень малой скорости натекания во ВРА-Р.
Изменение коэффициента потерь вдоль длины входного участка для значения угла 0—45° приведено на рис. 2, б. Характерно увеличение потерь на участках, где поток совершает поворот от радиального направления к осевому и наоборот. Эти результаты с учетом данных работы [2] позволяют утверждать, что наиболее рациональной является конструкция осевого аппарата с предкрылками и втулкой малого диаметра.
В литературе известны данные по углу отставания потока в решетках ВРА. Для рассматриваемых ВРА эмпирические зависимости средне-интегральных углов от 0 приведены в работе. Надежных сведений об изменении закрутки между сечениями а—а и 1—1 не имеется. Рис. 2, в иллюстрирует такое изменение ба=а—а для трех типов ВРА при 0=45°. Для значений 0<с45° следует принимать ба пропорционально величине 0.
Используем данные статических продувок для качественного и количественного анализа работы ступени.