Введение к работе
Актуальность темы. Повышение требований к экономичности, надежности, нижеппю массогабарптных показателей компрессорных установок в отраслях сфтегазового комплекса и химической промышленности определило устойчивую енденшпо замены ранее используемых для этих производств поршневых компрес-оров на центробежные во всем диапазоне технолопіческіїх давлении, вплоть до верх'высоких. Проблемы эффективности центробежных компрессоров высокого I! верхвысокого давления (ЦК 1ІД и СВД) обусловлены малой объемной производи-глыгостыо и специфическими конструктивными, технологическими и эксплуата-ионными особенностями, что определяет применение малорасходных проточных acre» с безлопаточными диффузорами (БЛД) уменьшенных радиальных размеров
большими втулочными отношениями, сведения по проектированию которых райне ограничены. Отсутствовали систематические исследования таких ступеней рн условиях, соответствующих эксплуатационным, теоретические основы анализа ізодішамнческпх схем и проточных частей. Для решения проблем повышения эф-іектнвности ЦК ВД и разработки проточных частей и конструкций перспектн/:-ых компрессоров СВД потребовались комплексные исследования физических роцессов в элементах малорасходных центробежных компрессорных ступеней, ззработка на базе этих исследований теоретического аппарата для анализа схемл ;чення вязкого реального газа и энергетических характеристик малорасходных гупеней, надежных рекомендаций по проектированию.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями целевой про-іаммьі ГКНТ 0.15.01., постановление N550 от 15.12.75, N390 от 5.11.76г., N242 от 5.0б.78г. приказом Минхиммаша от 30.04.74г. N103.
Цель работьі - разработка основ теории расчета и проектирования эффектив->іх малорасходных проточных частей центробежных компрессоров высокого и іерхвьісокого давления.
Для достижения цели потребовалось решение следующих научных проблем:
1 .Разработать методы термогазодйнамического анализа процессов при течении :альных газов и их смесей, физические и математические модели энергетических ірактериспік, учитывающие особенности течения вязкого газа в ЦК ВД и СВД, в їм числе в части повышенного влияния числа Re и шероховатости поверхностей, і базе теоретического и экспериментального анализа физики течения в элементах шорасходных проточных частей.
2.Создать базу для модельного эксперимента, разработать и реализовать методі ку экспериментального исследования и обработки опытных данных при этих испь танйях.
З.Провести комплексные экспериментальные и расчетно-теоретическне иссл« дования влияния основных газодинамических и геометрических параметров н энергетические характеристики малорасходных ступеней ЦК ВД и СВД.
4.С использованием результатов исследований уточнить физические и матем; тические модели, идентифицировать используемые экспериментальные зависнмост в расчетных моделях и создать комплекс методик для расчета схем и проточны частей ЦК ВД и СВД.
5.На основе обобщения результатов исследования разработать рекомендации п проектированию малорасходных проточных частей, выполнить анализ перспектиі ных газодинамических схем и конструкций ЦК ВД и СВД.
Научная новизна работы.
1.Получены данные расчетио-теоретнческого и экспериментального исследова ний газодинамических процессов в элементах промежуточных малорасходных сту пеней в диапазоне местных чисел Рейнольдса 5-Ю4 - 5-Ю6 и шероховатости по верхностей Ra=0,63-25O мкм в широком диапазоне изменения основных газолина мических и геометрических параметров ( Ф=0,ОЗ-О,0О6; Вв,=0,34-0,5; т=0,5-0,75; >4=1,35-1,75; b5/b4=0,8-4,0; bj/b2=0,6-l,5; Влі=12"-39"; w=0,5-0,8; с<ша=0,48-0,74; скк=1,0-1,5 и др.). Выделены определяющие газодинамические і геометрические параметры оптимизации малорасходной проточной части ЦК ВД і СВД.
2.Уточнена физическая картина течения в межлопаточных и осесимметричны. каналах малорасходной центробежной компрессорной ступени ЦК ВД к СВД, оп ределяемая толстыми пограничными слоями и интенсивными вторичными течения ми, приводящими к образованию открытого отрыва трехмерного пограничного ело. на стороне разрежения лопаток рабочего колеса (РК), типа свободного вихревой слоя, смыканию пограничных слоев в мерили овальной плоскости РК н осесиммет ричных каналах БЛД , повышенному взаимному влиянию неподвижных элемента (НЭ). Определены физические и математические модели газодинамических процес сов в элементах проточной части ЦК ВД и СВД.
З.Получено решение интегральными методами осредненного течения вязхоп потока реальных газов и их смеси в РК в идеально-вязкой постановке, с учетої определяющих перенос осевой завихренности потока в поперечном направленні 2
членов уравнений движения в пограничном слое, вносимого импульса и массы горичного потока на лопатки, влияния числа Росби и шероховатости стенок, дотекающее расчет полностью развитого течения в меридиональной плоскости; осе-імметричного развитого течения в БЛД; течения вязкого газа между дисками РК н эрпусом в приближении узкого зазора, с учетом шероховатости поверхностей ме->дом дискретных элементов, закрутки потока в валовых и покрывных уплотнени-і с представлением лабиринтных гребешков дискретными элементами шерохова-
)СТИ.
4.Разработан комплекс методик для расчета энергетических характеристик ма-эрасходной ступени и ее элементов с использованием решений интегральными ітодамн течения вязкого реального газа в РК, БЛД, боковых зазорах и метода ма-:матического моделирования на основе анализа течения потенциального потока ія определения потерь в поворотных коленах (ПК), обратно-направляющих аппа-ггах (ОНА), кольцевых конфузорах (КК), идентификации введенных коэффнци-ітов корректирующих функции по результатам экспериментального исследования.
5.Создан многоцелевой стенд замкнутого контура на давление до 8,5 МПа, раз-іботаньї методика численной обработки опытных данных, учитывающая реальные юйства газов на кривой процесса сжатия, определяемой постоянным значением элитропного КПД между входом и выходом из элемента проточной части, приме-іемая как для модельного, так и натурного исследования компрессоров и их эле-гнтов при различных компримируемых средах вплоть до сверхвысоких давлений, гтодика оценки точности численного определения энергетических характеристик ) погрешности измеряемых величин.
Практическая ценность работы:
І.На основе разработанных методик расчета проточной части, определяющих іраметров и подходов к оптимизации газодинамической схемы и конструкции упеней построена система проектирования центробежных компрессоров ВД и. ВД, позволяющая повысить их эффективность, обеспечить требуемый запас рабо-і до помпажа, сократить сроки, снизить стоимость и повысить качество проекти-жання.
2.Созданы прикладные программы для ЭВМ, позволяющие в инженерной прак-іке рассчитывать энергетические характеристики малорасходных ступеней и их іемеитов, проводить вариантные расчеты проточной части компрессора ВД и СВД
и находить его характеристику, с учетом числа Ке и шероховатости поверхностс потери дискового трения и протечки через валоиые и покрывные уплотнения.
З.На основе обобщения экспериментального и рас четно-теоретического анали:
разработаны рекомендации по рациональному проектированию газодншімнческі
схем ЦК ВД и СВД, элементов малсрасхоцных проточных частей, которые мог
. быть использованы в промышленности при разработке компрессоров различно!
назначения.
4.Разработ'аны перспективные газодинамические схемы и конструкции центрі бежных компрессоров ВД и СВД для компримирования этилена при Р=250 МП повторной закачки газа в пласт при Р=80М11а, компримирования углекислого газ: закачки газа в подземные хранилища, транспортировки попутного газа и газлифт; Разработаны малорасходные ступени с DBt =0,34-0,5 различной напорностн, коте рые могуг быть использованы для построения базоиых рядов ступеней ЦК ВД СВД. Разработанные схемы н конструкции защищены авторскими свидетельствам (NN499750 , 566969, 591621,979740, 931730, 1437579, 1126042 )..
5.Опыт создания многоцелевой экспериментальной базы для исследования эле ментов центробежных компрессоров ВД и СВД, отработанные информашюннс измерительный комплекс, мешанки экспериментального исследования на замки) том контуре и обработки данных моїут быть использованы в нсследовательско практике при создании и доводке компрессоров для различных компримируемы сред.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы использованы:
- при проектировании ЦК СД, ВД и СВД в Сумском машиностроительном НП< им. М.В.Фрунзе и ВНИИКОМПРЕССОРМАШе (г.Сумы), ЛЕННИИХИММАШ (г.С.Петербург), ККЗ (г.Казань), НИТИ ЭМ (Г.С.Петербург), лаборатории кок ирессоростроения СПбГТУ, в частности при разработке ЦК СВД для компримирс ваши этилена при Р=250 МПа, опытного цилиндра ЦК СВД с выносным и ветре енным приводом, ЦК ВД для сайклииг-процесса при Р=50 и, 80 МПа , ЦК СД дл транспортировки газа и газлифта, ЦК СД для компримирования углекислого газ. ЦК СД для закачки газа в подземные хранилища при Р=20 МПа; - при разработке экспериментальной базы для исследования нагнетателей при ршного газа (компрессорная станция Гаврилов-Ямв учебном процессе на кафедр компрессоростроенпя СПбПУ при подготовке инженеров-механиков по специшії ности "Физика и техника низких температур", специализации "компрессорная тех пика". Ч
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы базируется і расчетных моделях течения вязкого реального газа, математических моделях, іентифіїцнрованньїх по результатам экспериментальных исследований и отра-эющих, в їлавном, происходящие в элементах ступени физические процессы; пользовании обобщенных функциональных зависимостей, полученных в экспери-:нтах с помощью приборов, методик измерении и обработки опытных данных, іеснечивающих высокую точность получешшх результатов; на хорошем соответ-вин расчетных данных с экспериментом.
Лііробшіия работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:
II - IX Всесоюзных и Международных научно-технических конференциях по імпрессоростроению (1971-1993) ;
Всесоюзных научно-технических семинарах по компрессорам высокого давле-ія (1978,1981гт) ;
Международных конференциях по турбокомпрессорам (г.Эссен, 1988г, Лодзь 91 г, г.Дрезден, 1994г, Г.Дюссельдорф, 1995г. ).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в опубликованных 1 печатных трудах и 30 научных отчетах. По теме диссертации получено 7 автор-их свидетельств па изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит нз введения, 7 разделов, загачений, списка литературы. Общин объем работы составляет 573 стр. и включа-297 рисунков, 16 таблиц, 204 наименований использованной литературы.