Движение воздуха в рабочем колесе

Движение воздуха в колесе зависит от конструкции подводящего устройства. В общем случае скорость частиц воздуха , находящихся во входном сечении 1-1, можно разложить на составляющие (см. рис.6.1):

• - проекция на ось компрессора;

• - проекция на радиус, проходящий через рассматриваемую частицу в плоскости сечения 1-1 (радиальная составляющая);

• - проекция на направление, перпендикулярное указанному радиусу (окружная или тангенциальная составляющая).

Скорости воздуха в различных точках входного сечения разные, поэтому целесообразно рассматривать скорости течения на окружности среднего радиуса , где  - радиус втулки.

 Осевая составляющая  зависит от расхода воздуха, а окружная  определяет степень закрутки воздуха на входе в колесо. При осевом входе . Если перед колесом установлен специальный входной направляющий аппарат (ВНА), то в нем поток воздуха, прежде чем попасть в колесо, закручивается и .

Рассмотрим, как подойдет воздух в относительном движении к лопаткам колеса. Для этого условное сечение колеса цилиндрической поверхностью радиуса  развернем на плоскость (рис. 6.1, сечение М-М и рис. 6.6).

Тогда лопатки колеса представятся в виде ряда профилей, движущихся в направлении окружной скорости .

Относительная скорость входа воздуха на лопатки колеса  определяется из треугольника скоростей. Для достижения наименьших потерь при входе воздуха на лопатки направление  должно совпадать с направлением передней кромки лопатки. Такой вход называется безударным и достигается тем, что передняя кромка лопатки колеса загибается под таким углом, который обеспечивает параллельность кромки и скорости . Из треугольника скоростей следует, что . Для безударного входа необходимо, чтобы угол кромки . Однако, даже при отсутствии направляющего аппарата, воздух из-за трения получает некоторое вращение от колеса. Поэтому, как показали опыты, надо обеспечивать соотношение , где  - угол атаки. Так как скорости входа воздуха на лопатки колеса вдоль радиуса будут разными, то и углы загиба лопаток вдоль радиуса будут изменяться. Очевидно, что безударный вход воздуха на лопатки колеса можно обеспечить только на расчетном режиме. На остальных режимах скорость  будет направлена под другими углами к лопаткам колеса, что обуславливает срыв струй воздуха около передней кромки лопаток с образованием вихрей и потерей напора в движущейся струе воздуха. При этом в зависимости от режима работы компрессора возможны два случая.

В первом компрессор работает, соответственно, с повышенным расходом воздуха и скоростью . В этом случае воздух ударяется в выпуклую часть лопатки (рис. 6.6). Образуется срыв потока, который локализуется у входной кромки и приводит лишь к увеличению потерь, не вызывая особых изменений в характере течения воздуха в межлопаточных каналах колеса компрессора.

Во втором случае компрессор работает с малым расходом воздуха. Возникает удар потока в вогнутую часть лопатки и срыв его, начинающийся на входной кромке и получающий развитие до диска колеса. Это может привести к неустойчивой работе компрессора. Такой режим работы называют помпажом компрессора.

Рис. 6.6. Вход воздуха на лопатки колеса

Для обеспечения устойчивой работы центробежного компрессора величину осевой составляющей скорости на входе выбирают в пределах .

Угол лопатки на входе в колесо  выбирается в соответствии с направлением относительной скорости  и угла атаки               .

Угол атаки принимается в пределах = 2…3° при  и = 4…10° при .

Рассмотрим движение воздуха на выходе из рабочего колеса.

Действительная картина течения воздуха с учетом вязкости оказывается достаточно сложной. Вследствие вязкости на стороне давления (задняя поверхность лопатки по направлению вращения колеса), где скорость меньше (), возникает отрыв пограничного слоя (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Скорости воздуха на выходе из колеса

За точкой отрыва струя не заполняет межлопаточный канал полностью. Оторвавшиеся от стенок межлопаточного канала струя прижимается под действием кориолисовой силы  к стороне давления, а на задней стороне образуется так называемая зона следа, скорость в которой  постоянна по ширине следа и составляет примерно 20% от средней скорости  в основном потоке.

 Для описания движения идеального газа на выходе из межлопаточного канала предложено уравнение , где - угол наклона лопатки. Для радиальных лопаток колеса . Из уравнения следует, что при уменьшении скорости , т.е. снижении расхода воздуха, значение  может оказаться равным  и даже , что допускать нельзя.

Точно также, при сохранении расхода воздуха постоянным, уменьшение количества лопаток  может привести к срыву потока. Поэтому с увеличением радиуса колеса число лопаток увеличивают. Это достигается путем установки дополнительных укороченных лопаток, которые располагаются в выходной части колеса, т.е.  (рис. 6.8).

Средняя относительная скорость  будет направлена не по радиусу, а несколько отставать на угол  в сторону обратнуювращению колеса в виду инерции воздуха.

В рабочих колесах с радиальными лопатками отношение скоростей обычно принимают . Из плана скоростей (рис. 6.1, сеч. Б-Б и рис. 6.7) следует:

Рис. 6.8. Схема установки дополнительных лопаток в колесе

.

Отношение   называют коэффициентом циркуляции.

.

(6.14)

Он играет важную роль в расчете компрессора.