Совершенствование методики проектирования входных радиальных камер турбокомпрессоров

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВХОДНЫХ РАДИАЛЬНЫХ КАМЕР ТУРБОКОМПРЕССОРОВ

Гилева Л.В.1, Кожухов Ю.В. 1, Зуев А.В.1

Компрессорные машины широко используются в нефтегазовом машиностроении. Экономичность компрессорных машин характеризуется коэффициентом полезного действия. По литературным данным адиабатический к.п.д. ступени центробежных компрессорных машин: не превышает 0,75 — 0,85 для стационарных машин и 0,60-0,80 для транспортных компрессоров. Адиабатический к.п.д. ступени осевого компрессора — 0,84-0,92. К.п.д. компрессорной установки при отсутствии охлаждения имеет, соответственно, меньший уровень.

Основное внимание при отработке ступени в основном уделяется рабочему колесу и неподвижным элементам (диффузору, ОНА) и почти не рассматривался вопрос о течении потока в патрубках. Такой подход не позволяет комплексно решить задачу по повышению эффективности работы всей ступени в целом.

Входные патрубки оказывают значительное влияние на работу ступени. Например, большая неравномерность потока в выходном сечении патрубка может вызвать падение к.п.д. ступени на 4-5%, а также смещает характеристику в область меньших расходов, понижая одновременно напорность ступени. Отработка проточной части патрубков путем проведения тщательных исследований и теоретических обобщении позволит уменьшить потери и неравномерность потока перед ступенью и, таким образом, повысить к.п.д. всей машины.

Входные патрубки центробежных компрессорных машин, как и других турбомашин, представляют собой криволинейные каналы сложной конфигурации, выполняемые обычно конфузорными. Основные требования, предъявляемые к проточной части патрубков следующие:

  1. Минимальные потери энергии;
  2. Равномерное поле скоростей и давлений за патрубком;
  3. Отсутствие закрутки потока в выходном сечении патрубка;
  4. Минимальные осевые и радиальные габариты патрубка;
  5. Технологичность конструкции.

Первое условие предусматривает малые потери в самих патрубках, а второе и третье — минимальное неблагоприятное влияние качества патрубка на работу ступени. Эти условия не­сколько противоречивы, так как, например, при прочих равных условиях улучшение равномерности достигается за счет некоторого занижения осевого размера патрубка со стороны подводящего трубопровода /см. отчет о научно-исследовательской работе 0-184) что, естественно, увеличи­вает потери. В еще большем противоречии находятся указанные условия с четвертым требованием — минимальные размеры патрубка.

На данный момент, на кафедре КВиХТ существуют рекомендации по проектированию входных радиальных камер, однако четко сформулированной методики нет. В данной работе проводится модификация существующих рекомендаций и построение методики проектирования входной камеры; сравнение рассчитанной модели с моделями входных камер из эксперимента В.Ф.Риса на заводе НЗЛ  [4].

Объектами исследования являются рекомендации по проектированию всасывающей камеры, разработанных на кафедре КВиХТ.

         Предметом исследования является строение входной радиальной камеры турбокомпрессора, спроектированной по модифицированной методике (дальше – МОД).

         Целью работы является:

1) модификация методики расчета входной радиальной камеры;

2) выполнение расчёта с помощью модифицированной методики, построение входной камеры центробежного компрессора;

3) сравнение полученной камеры с камерами, испытанными на НЗЛ;

4) анализ полученных данных.

         В результате проведённой работы необходимо выявить разницу между конструкциями входных камер и сделать вывод о направлении дальнейшей работы над модификацией методики расчета входного патрубка.

         Научная новизна работы заключается в том, что впервые на кафедре КВиХТ произведён анализ, систематизирование и совершенствование кафедральных рекомендаций проектирования входных камер. В основном, предыдущие исследования этих элементов компрессора были нацелены на оптимизацию конкретных патрубков.

 

Камеры из эксперимента на НЗЛ.

 

Для экспериментального исследования центробежного компрессора К4250-41-1 на Невском Заводе имени Ленина была спроектирована и изготовлена модель первой ступени данного турбокомпрессора. Модель была выполнена в масштабе , привод от электродвигателя мощностью 125 кВт, 380 В, 2950 об/мин через повышающий редуктор с передаточным числом . Проточная часть модели состояла из консольно расположенного рабочего колеса диаметром , безлопаточного диффузора с обратно-направляющим аппаратом и выходного радиального диффузора, имитирующего вход потока во входную ступень. Подвод воздуха к колесу производился через съёмные всасывающие камеры.

Рис. 1. Эскиз модели первой ступени компрессора К4250-41-1 с вариантом входной камеры №4

Рис. 1. Эскиз модели первой ступени компрессора К4250-41-1 с вариантом входной камеры №4

Результаты эксперимента:

         Камера № 3, имеет более плавный поворот в проточной части, примерно равноценна камере № 1 (По результатам исследования наилучшие характеристики продемонстрировала камера № 1). Неоднородность потока при выходе из этой камеры несколько меньше, чем за камерой № 1. Поле скоростей на выходе качественно совпадает с полем скоростей на повороте с большей скоростью при малых радиусах кривизны стенки и меньшей скоростью у стенки с большим радиусом кривизны, причём от одной стенки камеры до другой скорость изменяется на 50-60%. Поток направлен не по оси машины, а скошен на 8-10° вниз, что вызвано односторонним подводом потока воздуха к камере только сверху.

         Камера № 4 – малогабаритная, с прямоугольными сечениями и малыми радиусами кривизны в проточной части даёт при расчётном режиме повышение давления на 15% меньше, чем при осевом всасывании и является наихудшей из всех испытываемых камер.

         Подробнее результаты описаны в публикации [1]

Данные входных камер, рассчитанных по методике В.Ф. Риса были взяты из работы [7].

 

Модифицированная методика расчета спиральной камеры.

 

Исследованиями входных камер кафедра «Компрессорная, вакуумная и холодильная техники» занимается уже очень давно. Существует большая библиотека отчетов по исследованию входных камер.

На основании многолетних исследований была предложена Модифицированная методика проектирования входной камеры. Проверка, корректировка и совершенствование методики будет проводится далее.

Необходимые исходные данные для расчёта:

Массовая производительность ;

Скорость газа на входе в патрубок ;

 – диаметр на входе в рабочее колесо;

 – диаметр втулки рабочего колеса;

fвх, мм2 – площадь сечения на входе в патрубок;

Газ.

Рис. 2. Схема входного патрубка (1 – криволинейный осесимметричный конфузор, 2 – Спиральная камера, 3 – подводящий канал)

Рис. 2. Схема входного патрубка (1 – криволинейный осесимметричный конфузор, 2 – Спиральная камера, 3 – подводящий канал)

Разбиваем камеру на 4 отдельных участка:

  1. от сечения fн до сечения fкорп
  2. от сечения fкорп  до сечения  f180
  3. от сечения f180 до сечения  fк
  4. от сечения fк до сечения  f0

На участке  fн/fкорп по имеющимся размерам определяем конфузорность, и также определяем общую конфузорность  fн/f0. На остальных участках нужно задаться конфузорностью. На участке fк/f0 желательно иметь большую конфузорность, чтобы иметь более равномерное поле скоростей на входе в рабочее колесо.

Плотность газа на входе в патрубок:

Скорость газа на входе в патрубок:

 

Температура на входе в патрубок:

Входной патрубок имеет круглое сечение, таким образом, зная площадь сечения, можно найти его размеры, а именно, диаметр:

Принимаем Dвх=360 мм.

Площадь в сечении  f0  будет равна:

Задаем ряд параметров:

По рекомендациям:

fкорп/f0 fн/f180 f180/fк fк/f0
3,0-5,0 Из расчета 1,1-1,2 1,5-2,7

 

Принимаем Rs/b=0,65.

Площадь сечения конфузора:

Ширина конфузора:

Радиусы скругления:

 =   + Δ

где  ≥0,375 и зависит от fк/f0.

Параметр :

 

R1=

Дальше находим a/2. Строим окружность диаметром Dk, проводим к ней касательную. Строим окружности Dk+10 (Dk2), Dk+20 (Dk3), …, Dkn (Dk180). Расстояние от точки касания до точки пересечения касательной и окружности Dk2, Dk3, …, Dk180 и  будет размер a/22, a/23, …, а/2180 (длина спиральной камеры в соответствующих сечениях).

При нахождении a/2, учитываем, что Dkn < 3,27 D0.

Затем находим f180:

Находим b180:

Строим трапецию со сторонами a/2, bk, b180. Из нее находим нужные а/2

 и b.

На рис. 2. и 3 представлены схемы для построения входного патрубка.

Рис. 2. Схема построения входного патрубка.

Рис. 2. Схема построения входного патрубка.

Рис. 3. Схема построения входного патрубка.

Рис. 3. Схема построения входного патрубка.

Из схемы рис. 2.1.1 определяем площади проходных сечений, соответствующие размеру a/2 в радиальной плоскости. Далее определяем углы поворота потока q, соответственно площадям проходных                                       сечений SΘ (Рис 2.1.2).

.

Рис.4. Эскиз профиля всасывающей камеры в меридиональной плоскости

Рис.4. Эскиз профиля всасывающей камеры в меридиональной плоскости

Рис.5.  Эскиз контура входного патрубка.

Рис.5.  Эскиз контура входного патрубка.

Сопоставление камеры МОД и камер НЗЛ.

 

Сравним камеру, рассчитанную по модифицированной методике и камеры, рассчитанные по методике В.Ф.Риса. На эскизах показана разница геометрии камер, в таблицах и на диаграммах сопоставление различных параметров. На основании этих данных вычислена разница.

 

Сравнение с камерой КВР4.

 

На рис. 4. представлено сравнение радиальной камеры рассчитанной по модифицированной методике и камеры КВР4.

Рис. 6. Сравнение камеры КВР4 c камерой МОД (основные линии - камера КВР4, тонкие линии – камера МОД)

Рис. 6. Сравнение камеры КВР4 c камерой МОД (основные линии — камера КВР4, тонкие линии – камера МОД)

На Рис. 6. можно увидеть наложение контуров спиральных камер, где основные линии – это эскиз камеры КВР4, а тонкие линии – эскиз      камеры МОД), а также представлено размещение сечений А-А, соответствующих поперечным сечениям модельной камеры НЗЛ и камеры МОД.

В Таблице 1 и на рисунке 7 показано сопоставление параметров камер.

 

Таблица 1. Сопоставление параметров камеры МОД и камеры КВР4

Параметр fвх la a/2 180 R1 Rs Cвх
мм^2 мм мм мм мм мм м/c
Камера МОД 98700 518,12 256,22 250,3 402,6 36,15 18,53
Камера КВР4 63000 539,96 261,2 178,04 54,55 29 29,944

 

где la – ширина камеры по оси.

Рис. 7. Сопоставление параметров камеры МОД и камеры КВР4

Рис. 7. Сопоставление параметров камеры МОД и камеры КВР4

Далее вычисляем разницу параметров в процентах:

Разница площадей поперечного сечения на входе:

Далее данные сведены в таблицу 2:

аблица 2. Разница параметров между камерой МОД и камеры КВР4

Параметр              
Название параметра Разница площадей поперечного сечения на входе Разница ширины камер по оси Разница a/2 Разница диаметров конфузоров Разница радиусов скругления R1 Разница радиусов скругления Rs Разница скоростей на входе

 

Значение разности              

 

В результате сопоставление мы видим, что несмотря на большую разницу некоторых параметров, камера МОД и камера КВР4 имеют некоторое сходство.

Сравнение с камерой КВР3

На рис. 8  представлено сравнение радиальной камеры рассчитанной по модифицированной методике и камеры КВР3.

Рис. 8. Сравнение камеры КВР3 c камерой МОД (основные линии - камера КВР3, тонкие линии – камера МОД)

Рис. 8. Сравнение камеры КВР3 c камерой МОД (основные линии — камера КВР3, тонкие линии – камера МОД)

На Рис. 8. можно увидеть наложение контуров спиральных камер, где основные линии – это эскиз камеры КВР3, а тонкие линии – эскиз      камеры МОД), а также представлено размещение сечений А-А, соответствующих поперечным сечениям модельной камеры НЗЛ и камеры МОД.

В Таблице 3 и на рисунке 9 показано сопоставление параметры камер.

Таблица 3. Сопоставление параметров камеры МОД и камеры КВР3

Параметр fвх la a/2 180 R1 Rs Cвх
мм^2 мм мм мм мм мм м/c
Камера МОД 98700 518,12 256,22 250,3 402,6 36,15 18,53
Камера КВР3 107639 589 289,35 230 271,05 58,5 17,5248

 

где la – ширина камеры по оси.

Рис.9. Сопоставление параметров камеры МОД и камеры КВР3

Рис.9. Сопоставление параметров камеры МОД и камеры КВР3

Далее разницу параметров в процентах сведем в таблицу 4:

Таблица 4. Разница параметров между камерой МОД и камеры КВР3

Параметр              
Название параметра Разница площадей поперечного сечения на входе Разница ширины камер по оси Разница a/2 Разница диаметров конфузоров Разница радиусов скругления R1 Разница радиусов скругления Rs Разница скоростей на входе

 

Значение разности              

 

Большую разницу некоторых параметров можно объяснить тем, что камера МОД и камера КВР3 строились по абсолютно разным методикам, вследствие чего внутреннее строение камер отличается. Не смотря на это камера МОД и камера КВР4 довольно похожи. В дальнейшем мы будем совершенствовать методику МОД, так чтобы строение проектируемой камеры было близко к строению камеры КВР3, т.к. в эксперименте она показала наилучшие результаты.

Выводы.

            Целью данной работы являлась модификация существующих рекомендаций по проектированию входной радиальной камеры турбокомпрессора.

         В ходе работы мы проанализировали результаты научных изысканий сотрудников и студентов кафедры по данной тематике. После рассмотрения, результаты экспериментов, рекомендации и формулы были объединены в Модифицированную методику расчета входных камер турбокомпрессора:

— параметр fкорп/f0 находим из диапазона 3,0-5,0;

— параметр fк/fнаходим из диапазона 1,5-2,7;

—  параметр f180/fк находим из диапазона 1,1-1,2;

— параметр fк/fнаходим из расчета;

— уточнили путь нахождения b180, b.

— параметр R1 определяем по методике O-255:  =   + Δ;

— параметр а/2 определяется через построение эскиза Dk-Dn (где Dk – диаметр конфузора, D2 – Dk+10, Dn – конечный диаметр), а Dn < 3,27D0.

Далее по этой методике была спроектирована входная камера для центробежного компрессора К4250-41-1 (далее – камера МОД).

         Полученная камера сравнивалась с двумя входными камерами, рассчитанными по методике В.Ф.Риса и испытанными на Невском заводе имени Ленина в 1952 г. Сопоставление проводилось по геометрическим параметрам: площадь входа, диаметр конфузора и т.д.

         В итоге, мы может сказать, что камера МОД более близка к камере КВР4, обладающей более низким к.п.д., чем камера КВР3.

В данной работе мы решали обратную задачу. По результатам проведённого исследования можно констатировать, что поставленная в работе цель, достигнута. Тем не менее, дальнейшее более глубокое исследование рассмотренных в работе входных камер, позволит еще более усовершенствовать методику расчета. В магистерской работе проведем численный эксперимент и усовершенствуем методику расчета так, чтобы проектируемая камера, геометрической формой и, соответственно, свойствами, была в качестве первого шага приближена к камере КВР3, рассчитанной по методике В.Ф.Риса, как обладающей минимальным коэффициентом потерь из исследованных экспериментально камер. Дальнейшие вариантные расчеты с помощью методов вычислительной газодинамики позволят найти более оптимальные варианты входных устройств.

Список литературы

 

  1. Y V Kozhukhov , V K Yun , L V Reshetnikova , M V Prokopovich, Numerical Investigation of Different Radial Inlet Forms for Centrifugal Compressor and Influence of the Deflectors Number by Means of Computational Fluid Dynamics Methods with Computational Model Validation // — 2015 IOP Publishing, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering .
  2. “Issues Surrounding Multiple Frames of Reference Models for Turbo Compressor Applications”, Z.Liu, D.L.Hill, International Compressor Engineering Conference, 2000.
  3. Paroubek and J. Kynþl, » The Influence of Impeller Flow Channel on Aerodynamic Performance of a Centrifugal Compressor Stage, » ASME Paper 98-GT-40 (1998).
  4. The Influence of Inlet Flow Distortion on the Performance of a Centrifugal Compressor and the Developvent of Improved Inlet Using Numerical Simulation// — Article in Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A Journal of Power and Energy215(3):323-338 May 2001
  5. Гилева Л.В., Зуев А.В., Лебедев А.А., Карташов С.В. Основы проектирования и расчёта входных и выходных устройств турбокомпрессоров (Монография). СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. — 150 с.
  6. Ю.В. Кожухов, А.М. Данилишин, А.А. Лебедев. Моделирование рабочего процесса в неподвижных элементах центробежных компрессоров методами вычислительной газодинамики (Научное издание (Монография)). СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. – 123 с.