В работе на примере одной из камер исследовано влияние количества дефлекторов на ее характеристики. Объектом исследования являются 5 входных камер (КВР1, КВР2, КВР3, КВР4, КВР5), которые различаются наличием и количеством боковых ребер (дефлекторов). Сравнительный анализ результатов численного и натурного экспериментов проводился путем сравнения распределения относительной скорости ​\( {\overline{c}}_2 \)​ и коэффициента статического давления ​\( K_P \)​ на периферии и втулке, а также изменение значений коэффициента потерь ​\( \zeta \)​ для всех пяти камер. В результате численного расчёта выявлены качественные и количественные отклонения результатов CFD-расчета и натурного эксперимента. Проанализированы характеристики каждой из камер. В качестве оптимизации одного из вариантов входной радиальной камеры было произведено исследование влияния на параметры потока количества боковых рёбер (дефлекторов) камеры. Результаты исследования доказывают, что присутствие на пути потока рёбер значительно повышает вероятность возникновения отрывных и обратных течений на них, вызванных ударным обтеканием, при установке ребер без учета направления потока. Полное же отсутствие рёбер в камере значительно повышает окружную неравномерность потока, при этом все же снижается коэффициент потерь, высокие значения которого вызваны наличием ударного обтекания ребер. Таким образом, профилированию боковых рёбер входной камеры должно уделяться особенное внимание.

Ключевые слова: входные устройства, центробежный компрессор, дефлекторы.

Radial Inlet Chambers of the Centrifugal Compressor, Deflectors Influence on the Working Process

Y.V. Kozhukhov, V.K. Yun, L.V. Gileva

Department of compressor, vacuum and refrigeration engineering, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, Russia

In the context of one of the chambers the influence of deflectors on its characteristics was investigated. The objects of investigation are 5 inlet chambers of different types which differ from each other by deflectors existence and by its number. The comparative analyze of the results of numerical and real experiments was held by means of comparison of relative velocity and static pressure coefficient distribution on hub and shroud region, and also by means of losses coefficient values change for all five chambers. As a result of the numerical calculation the quantitative and qualitative departure of CFD-calculations results and real experiment were found out. The investigation of the influence of the number of deflectors on flow parameters was carried out. The results of the study prove that the presence of the deflectors on flow path significantly increases the probability of the flow separations and reversed flows appearance on them. At the same time, the complete absence of the deflectors in the chamber significantly increases circumferential distortion of the flow, however the losses coefficient decreases anyway, the high values of which are caused by the shock flow existence. Thus, on the profiling of the deflectors of the inlet chamber should be given a special attention.

Key words: inlet chambers, centrifugal compressor, deflectors.

Введение

Входная камера предназначена для подвода газа к рабочему колесу первой ступени центробежного компрессора с наименьшими потерями энергии и для обеспечения равномерной структуры потока на входе в него. От качества проектирования, изготовления и монтажа входного устройства, а, следовательно, от аэродинамического совершенства его каналов зависит величина потребляемой компрессором мощности на совершение работы сжатия газа до требуемого значения давления нагнетания (Рн). Неудачный выбор параметров входного устройства может стать причиной снижения КПД центробежного компрессора на 3…5% и значительно сузить диапазон его устойчивой работы, что является существенным отрицательным фактором, особенно для компрессоров большой мощности [1].

Проведенные авторами исследования входных устройств с помощью CFD-методов показывают , что расчёт в CFD-программах согласуется с данными натурного эксперимента. И расчёт, и эксперимент подтверждают, что возможны изменения конструкции, которые приведут к улучшению работы входного [2] устройства. Основываясь на этой работе и предыдущих CFD-расчётах, авторы утверждают, что подобные программы можно с уверенностью использовать для анализа, улучшения и изменения радиальных входных камер. Наблюдаемые при натурном эксперименте нестационарные явления показывают, что CFD не даёт полный результат при стационарной постановке задачи (RANS).

Объектом данного исследования в CFD-программах являются 5 компьютерных моделей радиальных входных камер, полностью идентичных камерам, испытанным на Невском заводе, называемые в дальнейшем КВР1, КВР2, КВР3, КВР4, КВР5.

Предметом данного исследования являются показатели эффективности приведённых камер, а также картины структуры потока, полученные в ходе расчёта.

Целью работы является:

1. выполнение расчёта и анализа течения в пяти входных камерах центробежного компрессора с помощью пакета программ ANSYS CFX, а также определение картин структуры потока на различных участках расчётной области;
2. расчёт относительной скорости ​\( {\overline{\textrm{с}}}_2 \)​, коэффициента статического давления ​\( K_P \)​ и коэффициента потерь ​\( \zeta \)​ для каждой камеры;
3. сравнение полученных результатов моделирования с экспериментальными данными исследования Невского завода и заключение о возможности применения пакета программ ANSYS CFX для расчёта течения во входных камерах центробежных компрессоров;
4. исследования влияния дефлекторов в одной из входных камер и составление выводов о целесообразности или нецелесообразности внесения каких-либо изменений в конструкцию камеры.

В результате проведённой работы необходимо выявить оптимальную конструкцию входной камеры среди исследованных вариантов. Также необходимо сделать вывод о возможности применения программного пакета ANSYS CFX для совершенствования входных камер центробежных компрессоров.

Экспериментальное исследование:

Для проведения экспериментального исследования однопоточного варианта компрессора К4250-41-1 была спроектирована и изготовлена модель первой ступени. Модель ступени была выполнена в масштабе ​\( i=\frac{D_2}{D^*_2}=5,41 \)​ и приводилась от электродвигателя мощностью 125 кВт, 380В, 2950 об/мин через повышающий редуктор с передаточным числом ​\( i_{\textrm{р}}=5,6 \)​. Проточная часть модели состояла из консольно расположенного рабочего колеса диаметром ​\( D^*_2=305\ \textrm{м}\textrm{м} \)​, безлопаточного диффузора с обратно-направляющим аппаратом и выходного радиального диффузора, имитирующего вход потока во вторую ступень. Подвод воздуха к колесу производился из съёмных всасывающих камер.

Входные параметры экспериментальной установки:

Параметры на входе в камеру:

полная температура ​\( T^*=293\ \textrm{К} \)​,

полное давление ​\( P^*=98100\ \textrm{П}\textrm{а} \)​.

Массовый расход ​\( {\overline{m}}_{\textrm{р}}=2,2\ \textrm{к}\textrm{г}/\textrm{с} \)​,

Газ – воздух.

Анализ результатов экспериментального исследования:

По результатам исследования наилучшие характеристики продемонстрировала камера КВР1 [3].

На рис. 1 сопоставлены коэффициенты потерь ​\( \zeta \)​ всех исследованных камер. По коэффициенту потерь всасывающие камеры распределяются примерно в том же порядке, что и на основании анализа газодинамических характеристик и однородности потока при выходе из камер. Наименьший коэффициент потерь имеют камеры КВР3 и КВР1 и наибольший — КВР4 и КВР2. Коэффициент потерь для камеры определяется по формуле: ​\( \zeta =\frac{P^*_{1\textrm{с}\textrm{р}}-P^*_{2\textrm{с}\textrm{р}}}{{\rho }_{2\textrm{с}\textrm{р}}•\frac{c^2_{2\textrm{с}\textrm{р}}}{2}} \)​.