Особенности течения газа в безлопаточном диффузоре

Если направляющий аппарат компрессора состоит только из безлопаточного диффузора, то он служит для преобразования части кинетической энергии газа в потенциальную энергию давления. При этом абсолютная скорость с₂ выхода потока из рабочего колеса уменьшается от 300÷500 м/с до 80÷120 м/с, с которой газ поступает в кольцевой диффузор выпускного патрубка. При наличии лопаточного диффузора безлопаточный выполняется в виде кольцевого зазора между рабочим колесом и лопаточным диффузором и потому называется щелевым диффузором. Относительные размеры щелевого диффузора в радиальном направлении =0,04÷0,10, где . Ширина b₃ в осевом направлении обычно принимается постоянной по радиусу: (0÷2) мм, где b₂ – ширина канала в выходном сечении рабочего колеса. Иногда для поджатия потока принимают b₃=(0,97÷0,98) b₂.

Щелевой диффузор обеспечивает выравнивание давления и скорости потока, что благоприятно сказывается на работе лопаточного диффузора (уменьшаются потери энергии, улучшается вибрационная характеристика лопаток, повышается надежность их работы). Наличие щелевого диффузора уменьшает шумность работы компрессора.

Если предположить, что на движущуюся в безлопаточном диффузоре частицу не действуют силы трения, то, соответственно, на нее не действует какой-либо момент внешних сил в окружном направлении

, (1.22)

следовательно

.

Из уравнения расхода для входного и выходного сечений щелевого диффузора следует

.

Полагая , что имеет место в действительности (в безлопаточном диффузоре вследствие b₃<b₂ и из за незначительного изменения плотности газа), получим

. (1.23)

Из выражений (1.22) и (1.23) следует, что

,

поэтому . (1.24)

Таким образом при отсутствии трения о стенки канала частицы воздуха движутся в щелевом диффузоре по траекториям с постоянным углом между касательной к окружности и вектором скорости, а скорость уменьшается обратно пропорционально радиусу. Траектории такого течения представляют логарифмические спирали.

Течение в безлопаточном диффузоре при b =const, с учетом сжимаемости приводит к изменению угла a в зависимости от диаметра.

При низких скоростях с₂ угол a будет несколько увеличиваться с ростом диаметра, тогда как при больших скоростях с₂ угол a может при этом несколько уменьшаться. Исследования С.П.Лившица показывают, что с увеличением отношения КПД компрессорной ступени уменьшается. Поэтому целесообразно принимать . Расчетные значения угла a₂ находятся в пределах 20÷30⁰. Для такого интервала угол a₃ отличается от угла a₂ на 1÷2⁰, поэтому можно принимать a₃=a₂.

При выборе скорости с₃ выхода из безлопаточного диффузора может быть два подхода. При первом – d₃ принимают из конструктивно-габаритных соображений. При втором задаются скоростью с₃ с учетом получения минимальных потерь энергии в диффузоре и обратном направляющем аппарате. Поэтому принимают с₃=(0,85÷0,90)с₁,

где с₁ – скорость при входе на лопатки колеса.

Течение в безлопаточном диффузоре определяется прежде всего особенностями течения на его начальном участке, то есть непосредственно после выхода из колеса и на некотором коротком удалении от последнего. Поток при входе в диффузор является неустановившимся, вследствие шаговой неравномерности течения при выходе из колеса. По мере углубления внутрь диффузора нестационарность течения затухает. Интенсивность затухания возрастает при плавном уменьшении ширины диффузора до (0,8÷0,85)b₂. Однако это не всегда приводит к увеличению КПД ступени т.к. увеличивается скорость с₃, что вызывает большие потери энергии на трение.