Разработка и исследование трансзвуковой компрессорной ступени со 100%-ной реакцией

Осевые ступени со 100 %-ной реакцией обладают широким диапазоном устойчивой работы при высокой экономичности, что делает их перспективными для применения в технологических дутьевых компрессорах. Число ступеней и осевые размеры компрессоров со 100 %-ной реакцией обычно велики, поскольку окружные скорости концов рабочих лопаток не превышают —200—240 м/с. Здесь и далее термины и обозначения приняты согласно работе [1]. Ограничение окружной скорости связано с высоким уровнем чисел Мх^1 в этих ступенях и резким снижением экономичности дозвукового лопаточного аппарата после достижения предельных чисел Маха.
Исследования трансзвуковых решеток и компрессоров [2] показали, что применение тонких мало-изогнутых профилей, симметричных относительно середины хорды и имеющих малые радиусы входной и выходной кромок, позволяет сохранить высокий уровень КПД вплоть до -1,15. Однако использование этих рекомендаций для ступеней со 100 %-ной реакцией без экспериментальной проверки является проблематичным ввиду существенного отличия параметров рабочих решеток от описанных в публикациях.
Экспериментальное исследование влияния трансзвукового профилирования рабочего колеса на показатели ступени типа К-100-1 проводились в, ПО «Невский завод» на двухступенчатом модельном компрессоре, геометрические параметры которого приведены в табл. I1. Методика исследования и обработки опытных данных была обычной, принятой для стационарных осевых компрессоров.
Результаты исследования исходного варианта при окружных скоростях от 195 до 290 м/с (рис. 1 и 2) показали, что предельной скоростью, до которой сохраняется уровень максимального КПД, является и = 245 м/с. При этом на входе в первое рабочее колесо величина периферии составляет 0,85 и у втулки — 0,65. Оценка по данным работы [3] дает допустимое число Маха у периферии ~0,84 и у втулки ~0,70.
Трансзвуковое профилирование рабочих лопаток производилось для сечений >0,7 на основе данных продувок плоских решеток с профилями, образованными из двух дужек окружности. Однако непосредственное профилирование по этим данным рабочих решеток ступени со 100 %-ной реакцией приводит к большим отрицательным углам атаки (—6...—8°) и значительным углам изгиба профиля (24...28°), что противоречит рекомендациям работ, опубликованных в журнале [2]. По этой причине расчетный угол атаки был принят в пределах 1...30. При этом сохранилась форма выходной части профиля на длине до 0,25 от хорды, что позволило получить новый профиль из старого путем опиловки по специально изготовленным шаблонам. Сравнение геометрических параметров исходных и модернизированных профилей дано в табл. 2. Модернизированному лопаточному аппарату присвоен индекс К-Ю0-1С.
Результаты исследования показали, что трансзвуковое профилирование периферийных сечений позволило увеличить предельную окружную скорость до 265 м/с без заметного снижения КПД по сравнению с исходным вариантом. По-видимому, величина окружной скорости ограничена достижением предельных чисел Маха в сечениях г<0,7 и может быть дополнительно увеличена при выполнении рабочих лопаток трансзвуковыми по всей высоте. Границы устойчивой работы исходного и модернизированного вариантов практически совпадают, несмотря на различие углов атаки в периферийных сечениях на 3...50. Однако модернизированному варианту соответствуют более крутые характеристики, с чем связано сокращение рабочего диапазона.
С целью увеличения над рабочим колесом первой ступени, которая в модельном компрессоре определяет границу устойчивой работы, устанавливались сепаратор, выполненный в соответствии с [5], и сепаратор в виде кольцевой полости с наклонными щелями. Как следует из рис. 3, сепаратор [5] смещает границу устойчивой работы влево на 4...5 %, а сепаратор с наклонными щелями — на 14...17 %.
Эти результаты согласуются с данными исследования осевых .компрессорных ступеней с подобными сепараторами [6]. Установка сепараторов не оказала заметного влияния на напор и КПД исследуемого лопаточного аппарата. При скорости и=310 м/с сепаратор с наклонными щелями не дает смещения границы устойчивой работы. При этом помпаж, характерный для всех исследованных вариантов, не возникал, и вращающийся срыв отсутствовал. Однако наблюдалась работа первой ступени на левой ветви характеристики, и были зарегистрированы высокие динамические напряжения в лопатках компрессора.
Проведенные исследования позволили разработать ступень К-Ю0-1С с повышенным уровнем окружных скоростей и показали перспективность проектирования трансзвуковых ступеней со 100 %-ной реакцией на основе опубликованных рекомендаций.