CS201922B1

CS201922B1 - Apparatus for influencing secondary flow in channels of impellers in centrifugal pumps and compressoers

Info

Publication number: CS201922B1
Application number: CS38679A
Authority: CS
Inventors: Lev Pavluch
Original assignee: Lev Pavluch
Priority date: 1979-01-18
Filing date: 1979-01-18
Publication date: 1980-12-31

Description

Vynález se týká zařízení k ovlivňování sekundárního proudění v kanálech oběžných kol odstředivých čerpadel a kompresorů.The invention relates to a device for influencing the secondary flow in the impeller channels of centrifugal pumps and compressors.

Oběžná kola odstředivých čerpadel a kompresorů bývají zpravidla konstruována jako pevně spojený celek, sestávající z těchto tří hlavních funkčních částí: nábojový, respektive nosný disk, lopatky, krycí disk. Vnitřní plochy obou disků vytvářejí s povrchem lopatek soustavu více nebo méně zakřivených kanálů, jimiž za rotace oběžného kola protéká tekutina směrem k vnějšímu obvodu kola. Kanály mohou být jednoduše nebo i prostorově zakřiveny, s proměnlivým tvarem a velikostí příčného průřezu. Průtok kapaliny těmito kanály je třírozměrný, vlivem odstředivých, Coriolisovýoh a třecích sil poměrně dosti složitý. Rada publikovaných prací byla již věnována jak otázkám experimentálního zjišťování parametrů proudového pole, tak i hlubším úvahám o mechanismu proudění skutečné nebo reálné tekutiny v kanálech takových oběžných kol. Na základě zhodnocení dosavadních poznatků se dospělo k jistému, fyzikálně dosti přijatelnému modelu prostorového proudového pole v mezilopatkovém kanálu. Vlivem vazkosti lpí tekutina na stěnách kanálů. V mezních vrstvách jsou rychlosti nižší než v jádře proudu. Vyšší rychlosti v jádře proudu vyvolávají v rotujícím kanálu větší Coriolisovy síly než menší rychlosti v mezních vrstvách na bočních stěnách kanálu. Po jisté náběhové délce musí být tedy vlivem rozdílné velikosti těchto sil porušena celková rovnováha sil a tekutina z jádra je potom vytlačována na periférii k tlakové straně kanálu. Na bočních omezujících stěnách putuje naproti tomu tekutina směrem od tlakové k sací straně kanálu. Tyto příčné sekundární proudy odsávají mezní vrstvu z tlakové strany lopatky a dopravují ju podél vnitřních povrchů nábojového a krycího disku k sací straně protější lopatky. V důsledku sekundárního proudění v kanálu musí narůstat mezní vrstva na sací straně lopatky, dochází k jejímu odtržení a vytvoření pásma tekutiny se sníženou energií, neboli úplav. Experimentálně lbylo zjištěno, že popsané sekundární účinky jsou tím výraznější, čím více se provoz čerpadla nebo kompresoru vzdaluje od návrhového bodu směrem k nižším průtokům (tedy v oblasti φ < 5»_ορί).The impellers of centrifugal pumps and compressors are generally designed as a rigidly assembled unit, consisting of the following three main functional parts: hub or support disc, blades, cover disc. The inner surfaces of the two disks form a plurality of curved channels with the surface of the vanes through which fluid flows towards the outer periphery of the wheel as the impeller rotates. The channels can be curved simply or even spatially, with variable shape and cross-sectional size. The flow of liquid through these channels is three-dimensional, due to centrifugal, Coriolis and frictional forces quite complex. A number of published papers have already been devoted to both the experimental determination of flow field parameters and deeper reflection on the mechanism of flow of real or real fluid in the channels of such impellers. Based on the evaluation of the existing knowledge, a certain physically acceptable model of the spatial flow field in the inter-bladder channel was reached. Due to viscosity, the fluid clings to the channel walls. In the boundary layers the velocities are lower than in the core. Higher velocities in the core of the current produce greater Coriolis forces in the rotating channel than smaller velocities in the boundary layers on the side walls of the channel. Thus, after a certain lead-in length, the total equilibrium of forces must be disrupted due to the different magnitude of these forces, and the fluid from the core is then forced out on the periphery to the pressure side of the channel. On the side limiting walls, on the other hand, fluid flows from the pressure side to the suction side of the channel. These transverse secondary currents suck the boundary layer from the pressure side of the vane and convey it along the inner surfaces of the hub and cover disc to the suction side of the opposite vane. As a result of the secondary flow in the channel, the boundary layer on the suction side of the blade must increase, tear off and form a fluid-reduced energy zone, or deterioration. Experimentally, it has been found that the described secondary effects are more pronounced as the pump or compressor operation moves away from the design point towards lower flow rates (that is, in the range φ <5 » _ορί ).

Nevýhody dosavadního stavu techniky se projevují tím, že sekundární proudění v mezilopatkovém kanálu oběžného kola vyvolává vyšší ztráty, a to nejen třením, ale hlavně vlivem narůstání tloušťky mezní vrstvy na sací straně lopatky a následujícího jejího odtržení. Proto takové návrhy a konstrukční úpravy, které vedou k snížení intensity sekundárního proudění, mohou vést i k současnému snížení celkových ztrát, zejména v oblasti nenominálních režimů stroje. Některá taková opatření se nabízejí sama od sebe, jen na základě jednoduchých logických úvah. Například zkrácením délky lopatek se dosáhne kratších kanálů. V takovém případě se mezní vrstvy na vnitřních stěnách kanálů nemohou dostatečně vyvinout, nacházíme se v oblasti tzv. náběhových délek. Nebo další možnost: zvětšením počtu lopatek se zmenší ne kratších kanálů. V takovém případě se ideálu proudového vlákna a tím se sníží intenzita a účinky sekundárního proudění. Tyto namátkou vybrané příklady řešení mají však jen velmi omezený účinek; přílišným zkrácením kanálů se znesnadní takové jejich podélné tvarování, které by zajišťovalo plynulou difúzi proudu bezpečně pod hranicí odtržení aspoň v návrhovém bodě a při vyšších průtocích. Zvětšení počtu lopatek vede naopak k většímu podílu ztrát třením, a tedy k snížení úpinnosti ve velkém rozsahu charakteristiky stroje. Jistým nadějným kompromisem je proto konstrukce oběžného kola s tzv. mezilopatkami, jak se občas vyskytuje u radiálních kompresorů. Hlavní průtokový kanál je rozdělen kratší přepážkou, tzv. mezilopatkou, na dva dílčí úseky. Vstupní hrany mezilopiatek leží na větších poloměrech než vstupní hrany hlavních lopatek, výstupní poloměry obou druhů lopatek bývají stejné. U čerpadel se této konstrukce prakticky nepoužívá. Problém uvedeného řešení je totiž správná volba polohy a orientace vstupních hran mezilopatek v rozšiřujícím se průtokovém kanálu, a to tak, aby nedocházelo k dodatečnému odtrhávání proudu a značným ztrátám vířením v těchto místech. Druhou skupinou úprav, o kterých jsou k dispozici sporadické informace a o jejíchž praktické realizaci je možno současně uvažovat, jsou úpravy umožňující odsávání mezních vrstev nebo vyfukování do mezních vrstev vhodně umístěnými otvory nebo štěrbinami na oběžném kole. I když tato řešení jsou fyzikálně opodstatněná a technicky proveditelná, mají jistý nedostatek ve větší konstrukční složitosti a montážní i provozní citlivosti celého stroje·The disadvantages of the prior art are manifested by the fact that the secondary flow in the inter-blade channel of the impeller causes higher losses, not only due to friction, but mainly due to the increase of the thickness of the boundary layer on the suction side of the blade and subsequent tearing. Therefore, such designs and modifications that lead to a reduction in secondary flow intensity can also lead to a simultaneous reduction in overall losses, particularly in the non-nominal mode of the machine. Some of these measures are offered by themselves only on the basis of simple logical considerations. For example, shortening the length of the blades results in shorter channels. In this case, the boundary layers on the inner walls of the ducts cannot develop sufficiently, we are in the area of the so-called lead-in lengths. Or another option: increasing the number of blades reduces the shorter channels. In this case, the ideal of the filament stream and thus the intensity and effects of the secondary flow is reduced. However, these random examples have a very limited effect; excessive shortening of the channels makes it difficult to shape them long enough to ensure a continuous diffusion of the current safely below the breakaway line at least at the design point and at higher flow rates. Increasing the number of blades, on the other hand, leads to a greater friction loss ratio and thus to a reduction in dirtiness over a wide range of machine characteristics. A promising compromise is therefore the design of the impeller with so-called intermediate blades, as is sometimes the case with radial compressors. The main flow channel is divided into two sub-sections by a shorter partition, the so-called "intermediate". The entry edges of the intermediate blades lie on larger radii than the entry edges of the main blades, with the output radii of both types of blades being the same. This design is practically not used for pumps. The problem with this solution is the correct choice of the position and orientation of the inlet edges of the intermediate blades in the expanding flow channel, so that there is no additional current stalling and significant turbulence losses at these locations. A second group of treatments for which sporadic information is available and practical to be considered at the same time are those which allow the boundary layers to be aspirated or blown into the boundary layers by suitably positioned holes or slots on the impeller. While these solutions are physically justified and technically feasible, they have some drawbacks in greater design complexity and assembly and operational sensitivity of the entire machine.

Výše uvedené nevýhody jsou odstraněny zařízením podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že na vnitřních stěnách disků omezujících bočně kanály je vytvořeno mezi lopatkami alespoň jedno buď pevné, anebo otočné tenké vodicí žebro.The above-mentioned disadvantages are overcome by the device according to the invention, characterized in that at least one fixed or rotatable thin guide rib is formed between the vanes on the inner walls of the discs limiting the lateral channels.

Nového nebo vyššího účinku dosahuje návrh řešení tím, že zachovává své hlavní funkční vlastnosti, tj. snížení ztrát vlivem sekundárního proudění, je konstrukčně, výrobně a provozně jednoduché a nenáročné. Myšlenka je založena na představě vedení proudu v mezní vrstvě na vnitřním povrchu obou disků oběžného kola, neboli v bočních stěnách kanálu v meridiálním řezu žádoucím směrem tak, aby nedocházelo k narůstání a následnému odtržení mezní vrstvy na sací straně lopatky.The solution design achieves a new or higher effect by maintaining its main functional properties, ie reducing losses due to secondary flow, is simple and easy to design, manufacture and operate. The idea is based on the idea of guiding the current in the boundary layer on the inner surface of the two impeller disks, or in the side walls of the channel in a meridial section in the desired direction, so as not to build up and subsequently tear the boundary layer on the suction side.

Vynález je znázorněn na připojeném výkresu, kde na obr. 1 je prvni alternativa vynálezu, na obr. 2 je druhá alternativa vynálezu, na obr. 3 je znázorněno otočné vodicí žebro, na obr. 4 je řez zařízením a na obr. 5 je alternativní uložení lopatek.The invention is illustrated in the accompanying drawing, in which Fig. 1 is a first alternative of the invention, Fig. 2 is a second alternative of the invention, Fig. 3 shows a rotatable guide rib, Fig. 4 is a sectional view of the device, and Fig. 5 blades support.

Za tím účelem aplikujeme jako funkční element tenké vodicí žebro neboli tzv. aerodynamický plůtek, známý například z použití na křídlech moderních letadel. Na vnitřních stěnách disků 1 omezujících bočně kanály je vytvořeno mezi lopatkami 2 alespoň jedno buď pevné, anebo otočné vodicí žebro 3. Volbou správné výšky vodícího žebra 3, vyčnívajícího do oblasti mezních vrstev, které mají snahu putovat spirálovým pohybem podél vnitřních stěn disků 1 a vhodným jejich podélným umístěním a vedením, se do jisté míry zamezí tomuto sekundárnímu pohybu a mezní vrstvy se odvedou, respektive „odstředí“ až k vnějšímu obvodu oběžného kola. Plůtkem je vytvořena bariéra, zabraňující doplňování vrstvy o malé energii proudu na sací straně lopatky 2 dalšími pomalými částicemi tekutiny, přicházejícími z tlakové strany protější lopatky 2 a z obou disků 1. Zdravý proud o velké energii se vlivem toho rozšíří na co největší oblast mezilopatkového kanálu i při snížených průtocích za nenominálních režimů.For this purpose, we apply as a functional element a thin guide rib, or so-called aerodynamic fence, known for example from the use on the wings of modern aircraft. At least one fixed or pivotable guide rib 3 is formed between the vanes 2 on the inner walls of the discs 1 limiting lateral channels. By selecting the right height of the guide rib 3 projecting into the region of the boundary layers which tend to travel in spiral motion along the inner walls by their longitudinal positioning and guiding, this secondary movement is prevented to some extent and the boundary layers are drained or centrifuged to the outer periphery of the impeller. A barrier is formed to prevent the low-energy layer from being added to the suction side of the vane 2 by other slow fluid particles coming from the pressure side of the opposite vane 2 and from both disks 1. As a result, a healthy high energy current is extended to at reduced flow rates under non-nominal modes.

Popsaným vynálezem však nejsou vyčerpány všechny další možné varianty konstrukčního řešení navrhovaného zařízení.However, not all other possible variants of the design of the proposed device are exhausted by the present invention.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Apparatus for influencing the secondary flow in the impeller channels of centrifugal pumps and compressors, characterized in that at least one fixed or rotatable thin guide rib (3) is formed between the vanes (2) on the inner walls of the discs (1) limiting the lateral channels.