Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач 8
1.1 Роль ЦКМ и их преимущества в криогенной и холодильной технике, других отраслях промышленности 8
1.2 Виды ГДХ структурных элементов ЦКМ 13
1.3 Методы получения ГДХ ступени 17
1.4 Выводы 25
ГЛАВА 2. Обобщенные ГДХ 28
2.1 Используемые экспериментальные данные 28
2.2 Обобщенные ГДХ геометрически неподобных ступеней 33
2.3 Обобщенные ГДХ геометрически неподобных РК 46
2.4 Сравнение расчетных ГДХ ступени и РК с ГДХ модельных ступеней 49
ГЛАВА 3. Расчетные гдх по методу конечных элементов 55
3.1 Используемые экспериментальные данные 55
3.2 Настройки численного «решателя» 56
3.3 Построение расчетной сетки 57
3.4 Модели турбулентности 60
3.5 Схождение решения 61
3.6 Распределения рассчитанных параметров 62
3.7 Сравнение ГДХ ступени, полученных расчетными и опытным путем 63
ГЛАВА 4. Расчет гдх цкм. результаты промышленных испытаний 65
4.1 Расчетные ГДХ секций и ЦКМ в целом 65
4.2 Предпосылки модернизации существующих ЦКМ 82
4.3 Воздушный компрессор типа К905-61-1 84
4.4 Аммиачный холодильный компрессор поз. 105J 90
4.5 Компрессор технологического воздуха поз. 402 95
4.6 Компрессор технологического воздуха поз. 101J 101
4.7 Компрессор синтез-газа поз. 401 108
Заключение 116
Сокращения и условные обозначения 118
Список литературы 121
- Методы получения ГДХ ступени
- Обобщенные ГДХ геометрически неподобных ступеней
- Модели турбулентности
- Аммиачный холодильный компрессор поз. 105J
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Центробежные компрессорные машины (ЦКМ) нашли применение практически во всех ведущих отраслях промышленности: криогенной и холодильной технике, металлургии, химии, транспортировке природного газа и пр. «Сердцем» большинства технологических установок криогенной техники являются ЦКМ стационарного типа, которые служат для подачи воздуха в воздухоразделитель-ные установки (ВРУ), циркуляции азота, сжатия кислорода и природного газа. От энергоэффективности ЦКМ зависит себестоимость конечных продуктов.
Потребность промышленности ставит задачи сокращения сроков проектирования проточных частей (ПЧ) ЦКМ. При проектной проработке ПЧ важно оперативно и точно рассчитать ГДХ ЦКМ, которые позволяют оценить диапазон устойчивой работы (границы «помпажа» и область «запирания»), достижимость заданного давления и мощность при различных начальных условиях. На форму ГДХ компрессора влияет согласованность работы его секций, ступеней, которые, по сути, определяют весь дальнейший результат проектирования: форму, «крутизну», диапазон устойчивой работы. Таким образом, вопрос о совершенствовании методов расчета ГДХ ступеней, секций и компрессора является актуальным.
Степень разработанности темы
Вопрос расчета ГДХ компрессора, секций и ступеней освещен в открытых литературных источниках недостаточно. При построении ГДХ компрессора, обычно не учитывается рассогласование ГДХ ступеней. Особый упор делается на экспериментальный метод получения ГДХ. Иностранные работы ограничиваются рассмотрением нагнетателей. Методики построения ГДХ обычно являются интеллектуальной собственностью организации и не разглашаются.
Цели и задачи исследований
Целью настоящей работы является совершенствование методов получения ГДХ ЦКМ. В соответствии с этим предусмотрено решение следующих задач:
Расчетно-теоретическое исследование имеющихся опытных ГДХ ступеней с целью отыскания обобщенных зависимостей.
Апробация современного метода конечных элементов для моделирования пространственного течения газа в модельной ступени.
Совершенствование и внедрение методики расчета суммарных ГДХ ЦКМ, учитывающей рассогласование ступеней и реальность газа.
Проведение серии эксплуатационных газодинамических испытаний, модернизированных ЦКМ для опытной проверки расчетных ГДХ. Научная новизна работы
Получены обобщенные ГДХ геометрически неподобных ступеней и рабочих колес (РК).
Учтено рассогласование ступеней при расчете суммарных ГДХ ЦКМ на различные начальные условия.
Расчетным путем (методом конечных элементов) получены безразмерные ГДХ ранее экспериментально отработанной на стенде ступени ЦКМ, определены рекомендуемые параметры настройки математической модели.
Теоретическая и практическая значимость
Результаты работы предназначены для применения при проектировании новых ПЧ стационарных ЦКМ, в том числе широко использующихся в криогенной и холодильной технике. Созданы и апробированы методики расчета безразмерных ГДХ ступеней и РК ЦКМ с различной геометрией, как с ЛД, так и БЛД по параметрам на оптимальном режиме и обобщенным ГДХ, что позволяет с достаточной точностью оценить работу ЦК на нерасчетных режимах ещё на начальной стадии проектирования.
Достоверность результатов
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчёта ГДХ ступеней и РК с экспериментальными данными модельных испытаний, а также удовлетворительным совпадением ГДХ секций с опытными данными, полученными в ходе серии эксплуатационных газодинамических испытаний.
Положения, выносимые на защиту
Обобщенные ГДХ геометрически неподобных ступеней и РК;
Методики, позволяющие оперативно рассчитывать безразмерные ГДХ ступени и РК по параметрам на оптимальном режиме.
Результаты сопоставления расчетных ГДХ ступеней и РК с экспериментальными данными.
Усовершенствованная и внедрённая в практику методика расчета ГДХ центробежного компрессора, учитывающая рассогласование ступеней с учетом реальности сжимаемого газа.
Рекомендации по параметрам оптимальной настройки математической модели расчетного метода конечных элементов для получения безразмерных ГДХ на примере ранее экспериментально отработанной ступени ЦКМ.
Результаты опытной проверки расчетных ГДХ модернизированных ЦКМ при проведении ряда эксплуатационных газодинамических испытаний. Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 17-и конференциях. Основной материал диссертации опубликован в 13-й печатных работах, в том числе в 6-й научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Внедрение результатов работы
Результаты, выводы, методики и рекомендации, полученные в диссертации, используются в практике проектно-конструкторской деятельности ООО НПФ «ЭНТЕХМАШ» при разработке, исследовании и модернизации ЦКМ. Результаты работы внедрены в ходе модернизации ряда ЦКМ в РФ и за рубежом, в том числе: 4-х отечественных компрессора для подачи воздуха в ВРУ; импортного холодильного компрессора для сжатия аммиака и 10 других крупных ЦКМ.
Структура и объем работы
Методы получения ГДХ ступени
Сжимаемость газа значительно сильнее сказывается на ГДХ ступени, чем на ГДХ отдельных элементов ступени. Учет влияния сжимаемости газа на ГДХ ступени при использовании в расчетах ГДХ ее элементов, полученных при малых числах маха М, может проводиться за счет определения действительных объемных расходов через характерные сечения ПЧ [33]. При числах Маха в потоке М 0,6 их влияние на ГДХ элементов ступени пренебрежимо мало [33].
На форму ГДХ ступени влияет согласование ГДХ ее элементов, а также тип и величина радиального зазора в уплотнении дисков РК, значение осевого зазора между дисками РК и неподвижными элементами. ГДХ неохлаждаемой секции ГДХ неохлаждаемой секции обычно приводятся в виде зависимостей отношения давлений е, повышения температуры T, политропного КПД пол от объемного расхода при условиях всасывания в секцию Qвс в некотором диапазоне частот вращения п. На форму ГДХ секции влияют начальная температура tн, частота вращения п, согласование ГДХ ступеней и свойства сжимаемого газа (к, R, z). Преимущество ГДХ секций в том, что они не зависят от начального давления. ГДХ компрессора ГДХ компрессора обычно приводятся в виде зависимостей конечного давления рк, изотермного КПД из и потребляемой мощности Апотр от производительности при условиях всасывания в компрессор, приведенной к стандартным условиям 2g(2oc, і физ. атм. в некотором диапазоне частот вращения п.
На форму ГДХ компрессора влияют начальное давление рн, частота вращения п, согласование ГДХ секций и теплогазодинамические характеристики промежуточных охладителей (потери давления в нем срр и коэффициент недоохлаждения [1], [43]). Именно ГДХ компрессора в большей степени интересуют конструктора и службу, эксплуатирующую ЦКМ, поскольку они отражают интегральные параметры всей машины и учитывают все начальные условия работы.
Несмотря на постоянное развитие методов расчета, наиболее достоверный способ определения характеристик ступеней – испытание их моделей на экспериментальных стендах [9]. Наиболее надёжным и достоверным методом проектирования ЦКМ является метод подобия, разработка научных основ которого и внедрение в инженерную практику выполнены Рисом В.Ф. [44], [45], [1]. Данный метод получил развитие и практическое воплощение в трудах Дена Г.Н. [8], Шнеппа В.Б. [46], Хисамеева И.Г. [4], Капсти Н. [47] и других авторов.
Указанный метод предполагает наличие экспериментально отработанных прототипов ПЧ. Для уверенного проектирования новых компрессоров необходимо иметь в распоряжении достаточно обширный банк надёжных и достоверных опытных данных по ПЧ различных ступеней [15], [17].
В создании экспериментальной базы сыграли большую роль многие предприятия советского компрессоростроения, такие как, «НЗЛ» (г. Ленинград), «ККЗ» (г. Казань), ЦКТИ (г. Ленинград), ЛПИ (г. Ленинград), Дальэнергомаш (г. Хабаровск), СМНПО им. М.В. Фрунзе (г. Сумы, Украина), ЛТИХП (г. Ленинград), ВНИИхолодмаш (г. Москва), ЧКД (г. Прага, Чехия), а также Dresser-Clark (г. Даллас, США) и др.
Например, первый экспериментальный стенд для испытания модельных ступеней центробежных компрессоров ЭЦК-1 на кафедре КВХТ ЛПИ был создан в 1956 г. с помощью «НЗЛ». Стенд имел электропривод постоянного тока мощностью десятки киловатт. РК монтировалось на консольном конце вала. Консольное размещение (в отличие от размещения между опорами) упрощает монтаж модели, не требуя горизонтального разъёма корпуса. В условиях серийных экспериментов с разными объектами - это серьезные преимущества. По аналогичной схеме созданы многие другие, гораздо более крупные стенды для модельных испытаний.
Формирование банка достоверных, легко применимых, экспериментальных данных ГДХ ступеней и их элементов приводит к повышению качества проектирования ЦКМ. Подлинным средством долгосрочного экономического процветания фирмы может быть только выпуск качественной продукции. Повышение качества не просто экономически оправдано, но весьма выгодно: вклад капитала в повышение качества продукции, по данным зарубежных источников, окупается в 3-4 раза [7]. Именно поэтому такие данные мало представлены в публичных источниках.
Данные экспериментального банка при проектировании ПЧ используются после предварительных оценочных расчетов. На безразмерных ГДХ каждой подходящей ступени из банка (используемых в качестве прототипа соответственно для каждой ступени проектируемого компрессора) выбирается рабочий режим с некоторыми параметрами фГ2, V/, гпол. С использованием полученных уточненных данных проводится повторный расчет ПЧ, в котором уточняется геометрические и газодинамические параметры новой ПЧ.
Адекватность результатов, полученных на разных экспериментальных стендах разными методами. Испытания одинаковых ступеней на стендах различных организаций показывает различные результаты [48]. Например, на 3-х независимых стендах проводились испытания двухступенчатой модельной ПЧ нагнетателя газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-6,3/41-1,45 с соблюдением критериев подобия. ГДХ по результатам испытаний представлены на рисунке 1.3.1.1. Пересчет полученных безразмерных ГДХ на натурные условия (природный газ - состав по ГОСТ 23194-83, число оборотов «=8200 об/мин, давление нагнетания /?к=4,01 МПа по единому алгоритму и программе) показал следующее: ГДХ модели, полученные в Сумском филиале СКБ ТХМ, ВНИИгазе и ЛПИ, обеспечивают различные отношения давлений: соответственно =1,44;
Обобщенные ГДХ геометрически неподобных ступеней
Используемые экспериментальные данные Наиболее надёжным и достоверным методом проектирования ЦКМ является метод подобия, который предполагает наличие экспериментально отработанных надёжных и достоверных прототипов ПЧ. Такие данные систематизированы в результате анализа и обобщения обширных материалов экспериментальных исследований 330 наиболее удачных вариантов ступеней на базе ЦКТИ [60], [61], [35] c подробной информацией о геометрии и ГДХ.
Путем обработки результатов испытаний ступеней ЦКМ можно установить связь между относительным изменением основных газодинамических параметров и относительным изменением коэффициентов расхода [49].
Методика сбора и обработки экспериментальных данных сочетала получение ГДХ целой ступени с поэлементными характеристиками отдельных участков ПЧ: РК со всасывающей камерой, диффузора и ОНА. Экспериментальный стенд (рисунок 2.1.1 и 2.1.2) позволял варьировать условное число Маха Мu=0,5-0,82 за счёт изменения частоты вращения. Исследования проводились на моделях комплектных промежуточных и концевых ступеней с РК диаметром 305 мм. измерялась с помощью тарированных термопар «хромель-капель». Измерение частоты вращения ротора производилось с помощью прибора ТСФУ-1-1 класса точности 0,2. Нестационарные процессы («помпаж» и «вращающийся срыв») регистрировались с помощью осциллографирования. Переменные по времени давления измерялись тензометрическими датчиками, установленными в сечениях 2-2, 4-4, 6-6. Сигнал от датчиков усиливался с помощью тензометрической станции и затем регистрировался в магнитоэлектрическом осциллографе. Случайные ошибки исключались дублированием измерений. Для оценки эффективности и экономичности ПЧ ступени в целом использовались общеизвестные параметры: коэффициент удельной работы сжатия (напора) V/, коэффициент мощности % и политропный КПД rпол:
Все обозначения параметров, за исключением особо оговорённых в тексте данной работы, соответствуют принятым в монографии Риса В.Ф. [1]. Производительность ступени оценивалась с помощью коэффициентов расхода фГ2. Для удобства при решении некоторых конкретных задач использовались коэффициенты Ф или фо: Ф = AQ Фо 2 Для оценки экономичности РК (с учётом всасывающей камеры) рассчитывался внутренний КПД участка н-2 по методике, предложенной Рисом В.Ф. [1], [62]: іін-2 1-а к-\ к где а2 = In In p p2 (L I ну АГ9 Q= 1 AT Температура потока за РК находилась расчётным путём AT Т 1 + Q Т2 =Тн Уточнение величин kv2, Фг2 и выполнялось методом последовательных приближений. При наличии данных о потерях во всасывающей камере внутренний КПД собственно РК рассчитывался по формуле: сА 1/0—2 IZ н-2 4 н-0 ,-» 2% где н- hn-h 0 н Здесь ho и hн - средние статические давления в сечениях 0-0 и н-н, а qo -расчётное значение скоростного напора на входе в РК. Критериями для оценки эффективности неподвижных элементов ПЧ, расположенных за РК, служат коэффициенты потерь С, и восстановления , а также потери КПД Лгпол на отдельных участках. Надстрочным индексом « » ниже обозначены полные параметры. Потери КПД на участке от выхода из РК до выхода из ЛД: V 2 12/ 4 2 2-4 Аг 2_4 = 2_4 (і - Q) , где С2_4 = 2 Потери КПД на участке от выхода из РК до входа в ОНА: Аг2_5 = 2-5 ( 1 - Q) , где С2-5 = (k+q -h \ 2 2/ 5 2 2-5 7о 1 2 Потери КПД на участке от выхода из ЛД до выхода из ступени: - 0 4 0 АЛ, . = С . —11 - Q) где С - = — 14-0 4-0 V /5 4-0 11 і и Потери КПД на участке от входа в ОНА до выхода из ступени: К - к Ац50 = 5_0, ( 1 - Q) , где Сз-о- = о Ч2 Яо Потери КПД на участке от выхода из ЛД до входа в ОНА (в поворотном колене): Аг4_5 = Аг4_0, - Аг5_0, Потери КПД на участке от выхода из РК до выхода из ступени (всей статорной части): Аг2_0, = Аг2_4 +Аг4_0. или Аг2_о = 2_0,(l-Q), а г К К (К-аЛ-h где Г = 1 - - - - 2—0 2—0 2-0 q2 Чг Чг Содержащиеся в банке экспериментальных данных ступени отличаются геометрическими параметрами и расчётными кинематическими условиями, которые представляют наибольший интерес для конструктора. Основные геометрические параметры радиальных РК модельных ступеней варьировались в широких пределах. Выходные углы р2 выбирались из следующего ряда: 55 , 48 , 32 и 22,5 . Относительные ширины РК О-ІЮ-Ї. 0,02; 0,025; 0,035; 0,055; 0,06; 0,07; 0,075; 0,08; 0,1. Втулочные отношения d/D-ї. 0,2; 0,25; 0,3; 0,35. Геометрические параметры на входе в РК, а также число лопаток Z2/Z1 принимались согласно выводам и рекомендациям работ [1], [8]. Ряды РК строились с учётом унификации элементов проточной части.
В ЛД варьировались относительные диаметры D4/D2, в основу ряда которых были положены величины 1,35; 1,4; 1,45; 1,5; 1,55, а также углы аз: в пределах от
Оо о 8 до 24 , изменение которых достигалось поворотом лопаток диффузора вокруг точки, расположенной на средней линии и удалённой от входной кромки лопатки на 25% длины хорды. Относительная ширина ЛД Ьт/Ь2 изменялась в пределах от 1,1 до 2,0. Число лопаток диффузора z также варьировалось, но в большинстве вариантов их было 18.
Относительный диаметр выхода из БЛД D4/D2 изменялся в пределах от 1,4 до 1,8, относительная ширина - от 0,95 до 1,4.
Лопатки ОНА рассчитывались по закону линейного изменения средних скоростей в межлопаточных каналах. Величину as при изменении аз и а4 всегда поддерживали такой, чтобы входной поток был близок к безударному. Число лопаток ОНА z5 принято с учётом рекомендаций [1] и равно 16. Ширина канала ОНА относительно канала диффузора Z 5/#4 варьировалась в пределах от 1,0 до 2,0 для ступеней с ЛД и от 1,0 до 3,0 для ступеней с БЛД.
Представление данных в банке выполнено в табличной (пример приводится в таблице 2.1.1) и графической формах. Имеется также сводная таблица, предназначенная для предварительного выбора подходящих вариантов.
При этом пользователь руководствуется прежде всего данными об оптимальных величинах основных газодинамических параметров модельной ступени: фг2, \/, Лпол, (фг2опт-фг2мин)/фг2опт и Ми.
Модели турбулентности
Основы теории промышленных ЦКМ в рамках одномерных представлений до сих пор играют исключительно важную роль, так как первым этапом проектирования и анализа традиционно являются одномерные расчёты вне зависимости от того, сколь сложным и совершенным может быть инструмент последующего анализа. В рамках одномерной теории были созданы и создаются поныне весьма совершенные стационарные ЦКМ при умеренных числах Маха.
Однако использование формул одномерной теории потока, как правило, неприемлемо при проектировании ПЧ с РК, имеющими повышенную или пониженную относительную ширину b2/D2, или пространственную форму лопаток [53], или работающих при высоких числах Маха Mw1 и Mc3. В данном случае метод моделирования пространственного течения становится, по крайней мере, единственным наименее затратным способом получения достоверной информации о процессах, протекающих в ПЧ.
Настоящая работа проводилась с применением современных методов расчета пространственного течения газа в ПЧ компрессора, основанных на численном решении уравнений Навье-Стокса, осредненных по числу Рейнольдса. Расчет реализован в коммерческом программном продукте Numeca FINE/Turbo.
Программа Numeca FINE/Turbo является расчетной системой автоматизации инженерных расчетов высокого уровня, ориентированной на решение специализированных задач турбомашиностроения.
В качестве основы была взята типовая ступень «компрессорного» типа стационарного центробежного компрессора, испытанная ранее на экспериментальном стенде [35]. Модельная ступень К28-29-48(305)0,055 исп. 441 имела следующие геометрические параметры: D2=0,305 м; b2/D2=0,055; 1л/2л=29/48; z2/z1=24/12; dвт/D2=0,25; D0/D2=0,55; D3/D2=1,11; 3л=20; z3=18; D4/D2=1,38; 4л=35; b3/b2=1,25; b5/b4=1,0; b6/b5=1,0; 5л=30; z5=16. Условное число Маха Mu=0,55. Результаты обработки опытных данных (взятые из банка данных) показаны на рисунке 3.1.1.
При расчетах в качестве рабочего газа использовался воздух и модель совершенного газа, что хорошо согласуется с условиями натурного эксперимента. Теплоемкость и вязкость задавались полиноминальными зависимостями в зависимости от температуры. В расчетах была использована модель турбулентности «Spalart-Almaras (с расширенной пристеночной функцией [67])». Расчеты выполнены в стационарной постановке.
Исходные настройки «решателя» программы Numeca FINE/Turbo и вид его интерфейса показаны на рисунке 3.2.1. На рисунке 3.2.1а иллюстрируется выбор стационарности задачи и модели турбулентности. Для передачи параметров между вращающимися лопатками РК и статорными лопатками ЛД использовалсяинтерфейс «Full Non Matching Mixing Plane» с осреднением параметров потока в окружном направлении (рисунок 3.2.1б). При моделировании условий определенного режима использовалась частота вращения ротора, соответствующая Mu при испытаниях; на входе заданы полные параметры давления и температуры, на выходе – массовый расход (рисунок 3.2.1в). рндаь.«ч. -- —«я jjrrjj jj l
Для расчета необходимо представить пространство между лопаточными каналами в виде сеточной модели. Сеточные модели бывают структурированные и неструктурированные. Ячейки неструктурированных сеток имеют произвольную форму: призмы, тетраэдры и т.п., расположенные произвольным образом в пространстве. Ячейки структурированных сеток имеют форму, близкую к параллелепипеду. Такого вида сетки приоритетны, но сложны в построении.
Расчетные регулярные структурированные сеточные модели создавались автором в сеточном генераторе Numeca AutoGrid 5. Для построения сетки и расчета использовали один сегмент, состоящий из двух лопаток РК, одной лопатки ЛД и одной лопатки ОНА. На граничных поверхностях сегмента ставилось условие равенства полных параметров. Каналы осевых зазоров между вращающимися дисками РК и статорными элементами не моделировались и не участвовали в численном моделировании.
На рисунке 3.3.1 показана регулярная структурированная расчетная сетка на средней линии тока для РК, ЛД и ОНА в конформном отображении на плоскость. Качество построенной расчетной сетки показано на увеличенной части вблизи входной кромки лопатки ОНА.
Программа Numeca AutoGrid 5, расчетная сетка на средней линии тока для РК, ЛД и ОНА (в конформном отображении на плоскость) На рисунке 3.3.2 показан процесс построения согласованной пространственной расчетной сетки для всех элементов ступени и меридиональное сечение моделируемой ступени. Меридиональные обводы ступени задавались линиями, а лопатки импортированы в виде пространственных моделей. Для исследования влияния густоты расчетной сетки на результаты расчета были построены подобные расчетные сетки с числом элементов: 0,5; 0,75; 1,0; 2,0; 4,0 и 6,0 млн. Также была построена сетка 12 млн. элементов, но результаты расчета (с двойной точностью «решателя», чтобы исключить накапливающуюся погрешность при повышенной густоте) полностью совпали с вариантом с 6-ю млн. Рисунок 3.3.2 – Программа Numeca AutoGrid 5, процесс построения пространственной расчетной сетки для всех элементов ступени Результаты исследования влияния густоты расчетной сетки на расчет политропного КПД (на оптимальном режиме работы ступени) приведены на 0,84 0,83 0,82 0,81 0,8 0, рисунке 3.3.3. КП Д модельной ступени 0,834 p 0 5 7 результаты расчета политропного КПД ступени (на оптимальном режиме работы) при различном числе лементов в расчетной сетке Окончательно, суммарное количество элементов сетки в расчетном сегменте составило 3 млн., что относительно близко к оптимальным значениям определенным другими авторами с применением ПО «ANSYS» [68].
Модели турбулентности При переходе через критическое число Reкр силы инерции преобладают над силами вязкости в потоке. Из-за перемешивания газа с разными скоростями возникают вихри, которые дробятся на более мелкие. Для описания такого процесса требуется очень точная расчетная сетка, поэтому решают уравнения Навье-Стокса относительно усредненного по времени потока:
Для замыкания системы уравнений требуются дополнительные уравнения турбулентной вязкости, связанные с отсечением вихрей сопоставимых с размером расчетной сетки (более «грубой»). Модели турбулентной вязкости имеют приемлемую вычислительную сложность для применения на ПЭВМ.
Для решения инженерных задач турбомашиностроения требуется весьма точный расчет вблизи стенки (нагрузка и отрыв от лопатки) и необходимо разрешение вязкого подслоя, для этого используют низкорейнольдсовые модели, такие как приведенные ниже
Аммиачный холодильный компрессор поз. 105J
Данная работа выполнена ООО НПФ «Энтехмаш» для ПАО «Дорогобуж». Турбокомпрессорный агрегат поз. 105J/JT предназначен для сжатия аммиака в составе трехступенчатой холодильной машины в технологии крупнотоннажного производства аммиака по технологии фирмы «TEC» (Toyo Engineering Co.) Агрегат, показанный на рисунке 4.4.1.1, состоит из холодильного центробежного компрессора, приводной паровой турбины.
Общий вид турбокомпрессорного агрегата 105J/JT (слева направо: турбина, ЦВД и ЦНД) Приводом компрессора является одноцилиндровая конденсационная паровая турбина поз. 105JT типа K-1100-2 фирмы «Fudji Electric Co.» максимальной мощностью 11,37 МВт. Диапазон рабочей частоты вращения лежит в интервале n=5500…6700 об/мин. Центробежный компрессор поз. 105J (типа 2MCL808+MCL806) фирмы «Hitachi» в двухцилиндровом исполнении: ЦНД (типа 2MCL808) и ЦВД (типа MCL806), трехсекционный, 14-и ступенчатый. В состав ЦНД входят две секции, расположенные по аэродинамической схеме «спина к спине», по 4 ступени в каждой. В состав ЦВД входит одна секция с 6-ю ступенями. Все ступени выполнены с БЛД. РК – радиального типа с загнутыми назад цилиндрическими лопатками и углами выхода 2л=45, 45 и 45 в 1-й – 3-й секциях соответственно. Между 2-й и 3-й секциями установлен промежуточный охладитель воздушного типа (АВО). Продольные разрезы ЦНД и ЦВД компрессора представлены на рисунке 4.4.1.2
Продольные разрезы ЦНД и ЦВД компрессора поз. 105J Секции компрессора поз. 105J обеспечивают работу холодильной машины с «открытым» циклом, поддерживая три температурных уровня: -32С, -13С и Изменение режимов работы компрессора обеспечивается с помощью регулирования частоты вращения турбины и ВРА установленных на входе всех секций компрессора.
Фирмой ООО НПФ «Энтехмаш» при участии автора в 2014 г. была проведена модернизация ПЧ компрессора с целью повышения производительности на 30% относительно паспортных значений, снижение удельной мощности с сохранением штатных корпусов и турбины.
В ходе работы были созданы следующие модернизированные узлы ЦНД и ЦВД: роторы; диафрагмы; комплект ЛД; комплект обойм уплотнений.
Новая ПЧ спроектирована с применением ступеней с ЛД вместо БЛД, как более экономичные в диапазоне углов входа на лопатки 3л=15-21 [1], [33], [54], [107]. ЛД всех ступеней выполнены более «короткими» D4/D2=1,41,45. В ЦВД уменьшено число ступеней с 6-и до 5-и. Использованы РК с углами выхода 2л=35, 35 и 22,5 в 1-й, 2-й и 3-й секциях соответственно. Применены лопаточные решетки РК со сдвигом коротких лопаток в сторону вращения на 1/8- -1/10 шага межу лопатками [1], [108], [109]. Втулочные отношения dвт/D2 снижены при достаточности запаса по критическим частотам, что приводит к повышению пол [1], [ПО]. ОНА выполнен с ВНА с углом выхода 0Сбл=95, что обеспечивает равномерный, близкий к радиальному подвод газа к последующим ступеням и увеличивает их напор.
Газодинамические испытания. ГДХ модернизированного компрессора Для проведения газодинамических испытаний компрессор был оснащён всеми необходимыми приборами (аналогично компрессору К905-61-1, п.4.3). Производительность измерялась расходомерными устройствами во всасывании 1 й и 2-й секций, нагнетании 3-й секции.
Принципиальная схема агрегата 105J/JT ГДХ секций компрессора, рассчитанных автором, представлены на рисунке 4.4.3.2. Поскольку в первый этап модернизации поставлялся только ЦНД, а модернизация ЦВД запланирована на 2016 г, приведены только расчетные ГДХ ЦВД. Нанесенные на ГДХ секций фактические режимы работы (обозначены ), приведены к начальным условиям, при которых построены ГДХ.
ГДХ компрессора в целом в данном случае не имеют смысла, поскольку холодильный компрессор работает для получения независимо 3-х температурных уровней, все секции имеют различные производительности.
Сравнение параметров штатного и модернизированного компрессоров приведено в таблице 4.4.3.1.
Параметры Ед. изм. Штатный компрессор (проектный режим) Модернизированный компрессор секц. 2 секц. 3 секц. 1 секц. 2 секц. 3 секц. Начальное давление МПаабс. 0,097 0,262 0,684 0,097 0,262 0,647 Конечное давление 0,262 0,724 2,447 0,262 0,686 1,863 Начальная температура С -32 -10 38 -33 -10 37 Производительность на всасывании Qg(0С, 1 физ. атм.) 3нм /ч 9591 84556 108949 11500 108800 123000 Частота вращения об/мин 6450 6300 Потребляемая мощность МВт 10,33 (11,37 max) -10,0 Опытные данные, полученные в ходе газодинамических испытаний, хорошо согласуются с расчетными ГДХ секций. Личный вклад автора заключается в проектировании модернизированной ПЧ, расчете ГДХ ступеней и секций (выполненных с применением методик, описанных в главе 4), проведении газодинамических испытаний, обработке полученных опытных данных.