Ваняшов А.Д., Кустиков Г.Г. Учебное пособие для курсового проектирования - Расчет и конструирование центробежных компрессорных машин

Подождите немного. Документ загружается.

100

1.3. Определение конструктивных размеров проточной части в

меридиональной и радиальной плоскостях

1.3.1. Конструирование рабочих колес

Предварительно конструкция рабочего колеса и способ его изготовления

уже определены из термогазодинамического расчета курсового проекта.

Заданные углы лопаток на выходе β

л2

и соответственно этим углам

коэффициенты расхода φ

определяют напорность и расходность рабочего

колеса, а следовательно, форму его меридиональной проекции (рис. 1.3).

Кроме того, заданное значение окружной скорости U

РК в

термогазодинамическом расчете влияет на способ и технологию его

изготовления (либо наоборот, имеющиеся в распоряжении предприятия-

изготовителя технологические возможности накладывают ограничения на

уровень окружных скоростей РК).

По способу изготовления (соединения дисков с лопатками) закрытые РК

можно классифицировать на следующие конструктивные формы (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация рабочих колес закрытого типа

РК по способу соединения дисков с лопатками РК по способу

изготовления

лопаток

клепаные сварные паяные сварно-

паяные

с цельнофрезеро-

ванными

лопатками

(фрезерованы-

ми заодно с

основным или

покрывающим

дисками)

- с заклепками,

проходящими через

всю высоту

лопатки (рис. 1.3 з);

- с заклепками,

фрезерованными

заодно с лопаткой

(с шипами)

—

со

штампованными

лопатками

- с лопатками с

отбортовкой Z-

образной формы

(рис. 1.3 и);

- с лопатками с

отбортовкой П-

образной формы

(рис. 1.3 к);

- с лопатками без

отбортовки

ручной или

автомати-

ческой

дуговой или

аргонно-

дуговой

сваркой

(рис.1.3 г, д)

высоко-

температу-

рная

вакуумная

пайка с

припоем

ПЖК-1000

(рис. 1.3 е)

комбинация

двух

способов,

например,

сварка

лопатки с

основным

диском и

пайка с

покрывающи

м диском

(рис. 1.3 ж)

монолитные методом точного литья по выплавляемым моделям

101

АААА

А А

А-А

а)

б) в)

г)

д)

е)

ж)

з)

и)

к) л)

Рис. 1.3. Конструктивные формы РК закрытого типа:

а) низконапорные; б) средненапорные; в) высоконапорные; г) сварное

соединение со сварным швом, вынесенным за пределы проточной части;

д) сварное соединение со сварным швом, расположенным внутри проточной

части; е) паяное; ж) сварно-паяная конструкция; з) клепаное соединение с

цельнофрезерованными лопатками; и) клепаное соединение с Z–образными

лопатками; к) клепаное соединение с П–образными лопатками;

л) цельнолитая конструкция

102

Конструирование рабочего колеса в радиальной плоскости

Для наиболее распространенных в практике стационарного

турбокомпрессоростроения рабочих колес закрытого типа средняя линия

лопаток выполняется по дуге окружности (рис. 1.4).

Радиус этой окружности

)coscos(2

1122

)21(

лл

ββ

⋅−⋅⋅

−

, (1.10)

где

DR =

;

DR =

Радиус расположения центров окружностей, очерчивающих среднюю

линию лопаток:

2)21(2

)21(

2)21(

cos2

лллц

RRRRR

⋅⋅⋅−+=

−−−

. (1.11)

Таким образом, для построения решетки лопаток РК на радиусе центров

ц(1-2)

через расстояние, равное шагу решетки на этом радиусе:

2)21()21(

2 zRt

цц −−

⋅

, (1.12)

очерчивают радиусом R

л(1-2)

средние линии лопаток.

Диаметр «подрезки» лопаток D

целесообразно выбирать из условия

равенства чисел Маха М

на диаметрах D

и D

. Однако для расчета по

одномерной теории, в силу того что не известно распределение скоростей W

по поверхностям лопаток, диаметр подрезки определяется из условия

равенства площадей для прохода газа на диаметрах D

и D

(рис 1.5).

FF =

, (1.13)

где

111

sin

bDF

βτπ

⋅⋅⋅⋅=

;

sin

bDF

βτπ

⋅⋅⋅⋅=

коэффициенты загромождения на 1-м и 2-м ярусах

sin

βπ

⋅⋅

⋅

−=

;

sin

βπ

⋅⋅

⋅

−=

В этих формулах принято допущение, что угол лопаток β

и ширина

канала не меняются по мере увеличения диаметра от D

до D

Решение уравнения (1.13) позволяет определить требуемый диаметр

установки лопаток на 2-м ярусе. С учетом поправки на сделанные допущения

формула имеет вид

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⋅

−⋅

+−=

121

sin

)(

)08,104,1(

βπ

103

βл2

βл1

βл

Рис. 1.4. Построение средней линии лопатки рабочего колеса

{

F'1

F"1

r=9

а) б) в)

Рис. 1.5. Конструирование рабочего колеса в радиальной плоскости:

а) двухъярусная решетка рабочего колеса; б) форма выходной кромки

лопатки; в) форма входной кромки лопатки

104

Конструирование рабочего колеса в меридиональной плоскости

Радиус закругления основного диска в пределах безлопаточного участка

РК выбирается из следующего соотношения (рис. 1.6):

0 вт

ос

−

≈

. (1.14)

Возможны незначительные отклонения r

ос

рассчитанного по формуле (1.14) в

большую или меньшую сторону в связи с конкретными конструктивными

особенностями проектируемой ступени.

Радиус закругления покрывающего диска r

согласно рекомендациям в

литературе выбирается с точки зрения уменьшения потерь при повороте

потока от сечения 0-0 к сечению 1-1 и, следовательно, увеличения КПД

ступени. По этой причине этот радиус должен быть как можно больше.

Например, В.Ф. Рисом [1] рекомендуются следующие соотношения:

)6,023,0( br

⋅

−

В работе [10] приводятся рекомендации по выбору r

относительно

диаметра РК:

)52,012,0( Dr

⋅

−

в среднем можно принимать

24,0 Dr

⋅

С другой стороны, следует иметь в виду, что увеличение радиуса r

влечет за собой увеличение осевого размера РК.

Толщины основного и покрывающего дисков уменьшаются к

периферии. Эти размеры окончательно устанавливаются после выполнения

расчета дисков на прочность, но предварительно, на основании опыта

конструирования, могут быть заданы на диаметре D

(при D

<700 мм) [10]:

4,0007,0

⋅

≈

∆

ос

мм,

1,0007,0

−

⋅

∆

покр

мм,

для D

>700 мм, по-видимому, можно принимать несколько большие значения

∆

ос

и ∆

Входные кромки неподрезанных лопаток выполняют наклоненными к

плоскости основного диска примерно на 15° с целью уменьшения углов

атаки по высоте лопатки (рис. 1.6). Профиль входных кромок в

меридиональной плоскости может быть прямым или может иметь слегка

дугообразную форму с радиусом

14,0 Dr

⋅

≈

(рис. 1.3 б, в).

105

Рис. 1.6. Конструирование рабочего колеса в меридиональной плоскости

1.3.2. Конструирование лопаточного диффузора

Конструирование лопаток ЛД в радиальной плоскости

Средняя линия лопаток ЛД выполняется в основном по дуге окружности,

как и у РК (рис.1.7). Радиус кривизны средней линии лопаток ЛД и радиус

окружности расположения центров дуг, очерчивающих среднюю линию

лопаток, определяются по

формулам, аналогичным (1.10) и (1.11):

)coscos(2

3344

)43(

лл

αα

⋅−⋅⋅

−

где

DR =

;

DR =

;

4)43(4

)43(

4)43(

cos2

лллц

RRRRR

⋅⋅⋅−+=

−−−

Для построения решетки лопаток ЛД на радиусе центров R

ц(3-4)

через

расстояние, равное шагу решетки на этом радиусе:

3)43()43(

2 zRt

цц −−

⋅

очерчивают радиусом R

л(3-4)

средние линии лопаток.

Построение профиля лопатки ЛД может быть выполнено по

координатам, приведенным в [3]. Рекомендуемые координаты профиля даны

в табл. 1.2 и на рис. 1.8.

Таблица 1.2

Координаты профиля диффузорной лопатки (%) от длины средней линии [4]

1,25 2,5 5 10 15 20 25 30 40 50 60 70 80 90 100

0,95 1,3 1,7 2,1 2,35 2,45 2,5 2,5 2,4 2,05 1,75 1,35 0,95 0,45 0

-y

-0,95 -1,3 -1,7 -2,1 -2,35 -2,45 -2,5 -2,5 -2,4 -2,05 -1,75 -1,35 -0,95 -0,45 0

106

Длина средней линии диффузорной лопатки

)43(

33)43(

)43(

44)43(

180

cos

arccos

cos

arccos

−

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅−

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅−

лл

лср

αα

л4

л3

Рис. 1.7. Построение средней линии диффузорной лопатки

-y

(

)

Рис. 1.8. Построение профиля диффузорной лопатки

107

1.3.3. Конструирование обратного направляющего аппарата

В газодинамическом расчете проточной части определены все основные

размеры ОНА в меридиональной и радиальной плоскостях. Используя эти

данные, а также рассчитанные значения скоростей в сечениях 5-5 и 6-6,

можно построить профили лопаток ОНА из условия равномерного

распределения скоростей по длине межлопаточного канала от С

до С

Ниже приведем методику построения профилей лопаток ОНА, принятую

в ОАО «Невский завод» (НЗЛ).

Средняя линия лопаток ОНА выполняется так же, как и ЛД, по дуге

окружности (рис.1.9). Дуга, очерчивающая среднюю линию лопаток,

начинается на диаметре D

и заканчивается на диаметре D

, где угол между

касательной к средней линии и окружным направлением

л6

=90°. Тогда

радиус кривизны средней линии лопаток ЛД и радиус разметочной

окружности определяются по следующим формулам:

)65(

cos2

⋅⋅

−

где

DR =

;

DR =

;

)65(

6)65(

−−

лц

RRR

На радиусе центров R

ц(5-6)

через расстояние, равное шагу решетки на

этом радиусе:

5)65()65(

2 zRt

цц −−

⋅

очерчивают радиусом R

л(5-6)

средние линии лопаток от диаметра D

до

диаметра D

Для построения профиля лопатки ОНА необходимо определить радиусы

окружностей выпуклой («спинки») R

сп

и вогнутой («корыто») R

кор

сторон

профиля и, соответственно, радиусы расположения центров (R

ц(сп)

и R

ц(кор)

)

этих окружностей. Для этого требуется найти ряд вспомогательных угловых

и линейных размеров из геометрических соотношений. Алгоритм решения

этой задачи по методике, разработанной ОАО «Невский завод», приведен в

табл. 1.3, а поясняющий чертеж дан на рис. 1.9.

Конструирование ОНА в меридиональной плоскости сводится к

определению внешнего R

6-0

и внутреннего r

6-0

радиусов поворота от сечения

6-6 к сечению 0′-0′, а также длины участка l

6-0

между этими сечениями.

Данные размеры показаны на рис. 1.10. Рекомендации по выбору этих

размеров даны в [1]:

606

)9,03,0( br

⋅

−

;

606

)91,103,1( bR

⋅

−

;

606

)65,18,0( bl

⋅

−

≤

−

108

Таблица 1.3

Методика расчета профиля лопатки ОНА

№

п/п

Параметр

Размер-

ность

Расчетная формула Значение

1 2 3 4 5

град

)65(

sin

arcsin

−

⋅

град

)65(

arcsin

−

III

град

IIIIII

ααα

−=

град

5,0

IIIII

αα

−°=

VIV

VII

αα

−

град

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

−−

лц

VII

arctg

αα

)65()65(

град

VIIVIIV

ααα

R′

IIIII

αα

sin

)5,0sin(

)65(

⋅+⋅

′

−

С′

м/с

655556

)())((

RRCRRСС

−

′

−

′

b′

м/c

655556

)())((

RRbRRbb

−

′

−

′

CbR

αρπ

sin2

⋅⋅

′

⋅

′

⋅

′

⋅

δ′

sin2)1(

απτ

⋅

′

⋅⋅−

′

12 а

sin)

(

)65(1

III

Rа

−=

−

13 f

(

)

)2/(sin11)

(

)65(1

III

−−⋅−=

−

14 f

−

′

−= ff

кор

2 f

fа

кор

⋅

16 а

sin)

(

)65(2

III

Rа

−

109

Окончание табл. 1.3

1 2 3 4 5

17 f

(

)

)2/(sin11)

(

)65(3

III

−−⋅+=

−

18 f

−

′

+= ff

сп

2 f

fа

сп

⋅

ц(кор)

коркоркорц

RRRRR

δδ

cos)

)(

′

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

′

ц(сп)

спспкорц

RRRRR

δδ

cos)

)(

′

−

′

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

′

−+

′

(

III

(

)

Рис. 1.9. Построение профиля лопатки обратного направляющего аппарата