Исследование модифицированной проточной части осерадиального рабочего колеса промышленного центробежного компрессора методом численного моделирования потока

А.И.Меньшиков, Ю.В.Кожухов к.т.н., доц., А.М.Симонов д.т.н., проф.

Важным направлением исследования осерадиальных рабочих колес центробежного компрессора является расчет и анализ картины течения в пакетах программ численного моделирования потока. Такой подход дает без затрат на экспериментальные установки достаточно точно и быстро оценить эффективность того или иного профиля.  В качестве расчетного варианта принята модифицикация осерадиального  колеса первая ступень двухвального промышленного центробежного компрессора[1].

Геометрическая форма построена с использованием безразмерных данных по картине обтекания модельного осерадиального рабочего колеса РК-4, имеющего высокие показатели, полученные при экспериментальных исследованиях на стенде ЭЦК-6. В результате работ спроектирована улучшенная проточная часть осерадиального колеса[1] промышленного компрессора с коэффициентом расхода Фр=0,09, с коэффициентом напора ψт=0,7. Проточная часть разработанного модернизированного осерадиального колеса компрессора подготовлена для проведения расчетов течения  вязкого пространственного потока с помощью современных методов вычислительной гидродинамики ANSYS CFX. [2]

Рассмотрим особенности проточной части данного профиля: 1) Меридиональный профиль имеет удлиненную осевую часть. От входа в канал до радиальной части лопатка изменяет свой угол установки βл1 до 90град., и при менее протяженном осевом участке поворот будет более резким, что, как правило, может привести к отрывам. 2) Меридиональный контур в области поворота расширен, что приводит к уменьшению скорости на повороте в условии неравномерности по ширине, это позволяет снизить уровень потерь на данном участке. 3) Разгрузка лопатки от 90 гр. до 60гр. на выходе способствует снижению потерь, связанных с выравниванием потока за решеткой.

компрессор

Рис.1 Меридиональный контур расчетной области.

Меридиональный поток на входе (рис.1) характеризуется неравномерностью, а именно повышением уровня скоростей от втулки к периферии. На периферийной поверхности наблюдается четко выраженная низкоэнергетическая зона с возможной областью обратного течения. На выходном участке картина течения приобретает равномерный характер с некоторым ускорением вблизи основного диска.

центробежный компрессор

Рис.2 Относительная скорость вблизи втулки.

осерадиальное колесо центробежного компрессора

Рис.3 Относительная скорость в среднем сечении.

компрессор

Рис.4 Относительная скорость вблизи периферии.

Основные картины течения на расчетном режиме на трех поверхностях тока (втулочной, средней, периферийной)  представлены в рис.2,3,4.

Видно, что на входном участке лопаток колеса компрессора, на их задних поверхностях, по мере приближения к периферии, возникают зоны ускоренного течения с последующим замедлением, что приводит к дополнительным диффузорным потерям, на выходе решетки, на задних поверхностях лопаток наблюдается развитая низкоэнергетическая область. По мере приближения к периферии, картина течения несколько перестраивается и наблюдается смещение заторможенной области к внутренней части решетки. Низкоэнергетическая область оказывает влияние и на втулочной поверхности, вызывает ускорение потока к выходу решетки, как на передних, так и на задних поверхностях лопатки.

Рассмотренная картина течения соответствует теоретически установленному режиму течения, для уточнения необходимо провести расчеты на режимах с меньшим и большим коэффициентами расходов, на основе которых может быть определено оптимальное взаимодействие потока и решетки с учетом вычисленных значений коэффициентов потерь и КПД. Предварительно отметим следующие результаты анализа выполненного расчета, необходимые при выработке рекомендаций по расчету эффективности проточной части[3,4,5]. В числе этих особенностей следующие: наличие зон вызывающих значительные потери в проточной части – это неравномерная область на входном участке лопаточной решетки в зоне между средней и периферийной поверхностью течения; на выходе из осевого участка решетки в области поворота развитая низкоэнергетическая зона с возможным отрывом потока; на выходе из лопаточной решетки неравномерная область, характеризуемая замедлением потока на задних поверхностях лопаток колеса центробежного компрессора  и на средней поверхности, и распространением внутрь решетки этой области при приближении к периферии.

Литература

1.А.И.Меньшиков, Ю.В.Кожухов, А.М.Симонов Совершенствование проточной части осерадиального рабочего колеса промышленного центробежного компрессора. /Материал научно-практической конференции с международным участием. СПБГПУ – 2013. Ч2, с. 219 – 221.

2.Галеркин Ю.Б., Кожухов Ю.В. Опыт использования программ вычислительной газодинамики (CFD) для анализа рабочего процесса турбокомпрессоров. /Труды XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. 2Т. Казань – 2011. Т1, с. 295 – 306.

3.СимоновА.М. Исследование эффективности и оптимальное проектирование высоконапорных центробежных компрессорных ступней. Труды научной школы компрессоростроения СПбГПУ. 2-й выпуск/ Изд. Политехн. Ун-та 2010. С.167-186.

4.СимоновА.М., СмагоринскийА.М. Применение высоконапорных ступеней с осерадиальными рабочими колесами в стационарных центробежных компрессорах. Труды XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. / ЗАО «НИИтурбокомпрессор»-Казань: Изд-во «Слово», 2011. С.259-268.

5. Симонов А.М., СмагоринскийА.М. Расчет параметров осерадиальных рабочих колес высоконапорных ступеней стационарных центробежных компрессоров.  «Компрессорная техника и пневматика», №5 . — 2012. С.41-47.