Повышение эффективности ступеней многовальных мультипликаторных центробежных компрессоров путем регулирования поворотом лопаток входного направляющего аппарата и диффузора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Сафиуллин, Анас Гадулович

• Сафиуллин, Анас Гадулович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сафиуллин, Анас Гадулович

Основные обозначения.

Введение.•.

I. МНОГОВАЛЫ1ЫЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ.

1.1 Обзор конструкций многовальных центробежных компрессоров

1.1.1 Схемы МЦК.

1.1.2 Давления нагнетания и производительности.

1.1.3 Ступени компрессора.

1.1.4 Газоохладители.

1.1.5 Регулирование МЦК.

1.2 Современные способы' регулирования центробежных компрессоров.

1.2.1 Регулирование изменением характеристики сети.

1.2.2 Регулирование параллельным или последовательным подключением нескольких потоков или компрессоров.

1.2.3 Регулирование изменением характеристики компрессора . .'.

1.2.4 Комбинированные способы регулирования.

1.3 Моделирование характеристик центробежных компрессоров при различных способах регулирования.

1.4 Выводы. Постановка задачи.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СТУПЕНИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УГЛОВ УСТАНОВКИ ЛОПАТОК ВНА И ЛД.

2.1 Оппсаппе экспериментального стенда для исследования ступени

2.2 Методы измерения основных параметров ступени и контрольно-измерительная аппаратура.

2.3 Программа, методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований.

2.4 Оценка погрешности измеряемых величин'и результатов экспериментальных исследований .;.

2.5 Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

2.5.1 Влияние изменения угла установки лопаток ВНА на газодинамические характеристики ступени.

2.5.2 Влияние изменения угла установки лопаток ЛД на газодинамические характеристики ступени.

2.5.3 Влияние одновременного изменения углов установки лопаток ВНА и ЛД на изменение границ устойчивой работы ступени

2.5.4 Построение изолиний напорно-расходных характеристик и КПД при различных комбинациях углов установки лопаток

ВНАиЛД.

2.6 Выводы.

3. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

3.1 Программный комплекс. Принципы построения и общая организация программного комплекса.,.

3.2 Расчетные модули.

3.3 Функции и структура диалоговой оболочки.

3.4 Математическая модель центробежного компрессора.

3.4.1 Основные допущенйя и схема расчета элементов.

3.4.2 Входное устройство.

3.4.3 Рабочее колесо.

3.4.4 Безлопаточный диффузор.

3.4.5 Лопаточный диффузор.

3.4.6 Выходное устройство.

3.5 Доработки математической модели и программного комплекса.

3.5.1 Входной направляющий аппарат.

3.5.2 Переходный кольцевой канал.

3.5.3 Программная реализация алгоритма регулирования.

3.6 Идентификация математической модели центробежной ступени

3.6.1 Постановка задачи идентификации.

3.6.2 Уточнение математической модели.

3.6.3 Доработки модели.

3.7 Оптимизация закона регулирования.

4. 1311ЕДРЕН1 IE РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОПЫТ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВОЕНИЯ МНОГОВАЛЬНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ.

4.1 Рекомендации по выбору вариантов регулирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности ступеней многовальных мультипликаторных центробежных компрессоров путем регулирования поворотом лопаток входного направляющего аппарата и диффузора»

— параметры торможения, — относительные параметры, нижние а- осевая составляющая, ад- адиабатный, в- внутренний, г- гидравлический, гр- граничный, з- задний, к- параметры на выходе из ступени, кр- критический параметр, л-лопаточный, н- параметры на входе в компрессор, п- передний, пд- покрывного диска, пол- политропный, пр- протечек, приведенный, ср- средний, тр-трения, э- эффективный, i- внутренний, max- максимальный, min- минимальный, r-радиальная составляющая, t- теоретический, и— окружная составляющая, w— в относительном движении, т- стеснения,

0 - параметры на входе в рабочее колесо,

1 - параметры на входе в решетку рабочего колеса,

2 - параметры на выходе из рабочего колеса,

3 - параметры на выходе из безлопаточного диффузора,

4 - параметры на выходе из лопаточного диффузора,

СОКРАЩЕНИЯ

МЦК - многовальный мультипликаторный центробежный компрессор,

ЦК - центробежный компрессор,

ВНА — входной направляющий аппарат,

ВРА - входной регулирующий аппарат,

РК - рабочее колесо,

БЛД - безлопаточный диффузор,

ЛД - лопаточный диффузор,

КПД - коэффициент полезного действия,

ПЛД - лопаточный диффузор с поворотными лопатками, ПКК - переходной кольцевой канал, ОНА - обратный направляющий аппарат, ГПА - газоперекачивающий агрегат. t

ВВЕДЕНИЕ

Развитие общего и энергетического машиностроения, химической, нефтехимической и других отраслей промышленности привело к созданию компрессорных машин общего назначения, сжимающих воздух от атмосферного давления до давлений 11,5 МПа. Из различных типов компрессоров, используемых для этой цели, в последнее время наибольшее развитие получили многовальные мультипликаторные центробежные компрессоры (МЦК). Свыше 26 фирм мира изготовляют и поставляют такие компрессоры производительностью от 30 до 5000 м3/мин на давление нагнетания до 5 МПа [1]. Компрессоры по мультипли-каторной схеме имеют ряд неоспоримых преимуществ - возможность применения осевого входа для всех ступеней, возможность выбора оптимальной частоты вращения для каждой пары рабочих колес, что, наряду с охлаждением газа после каждой ступени, дает возможность достичь высоких уровней КПД.

В России и странах СНГ производство центробежных компрессоров на мультипликаторной схеме, главным образом из-за технологических причин, в полной мере освоено лишь на ОАО "Казанькомпрессормаш".

В силу принимаемых проектных решений (определяемых, например, стремлением получить заданное давление нагнетания меньшим числом ступеней и, как следствие, применением высоконапорных рабочих колес), МЦК имеют достаточно крутую газодинамическую характеристику и относительно невысокий запас устойчивой работы. Поддержание заданного конечного давления при расходах меньших расчетного и постоянных частотах вращения ротот ров производится в основном дросселированием газа на линии всасывания и байпасным сбросом с линии нагнетания, что является весьма неэкономными способами регулирования.

Применение эффективных способов расширения диапазона регулирования и повышения КПД на нерасчетных режимах работы существенно уменьшает расход потребляемой электрической энергии, т.к. значительную часть времени (не менее 50%) эти машины работают на этих режимах. Поэтому научно-исследовательские и конструкторские работы, направленные на решение этой

10 задачи, являются весьма актуальными.

Настоящая работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением фундаментальных и прикладных исследований по реализации федеральной целевой программы "Энергосбережение России", утвержденной постановлением Правительства Российской федерации от 24 января 1998 года, а также с решениями VI1—XI1 Международных конференций по компрессоростроению.

Целью диссертационной работы является исследование влияния углов установки лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) и лопаточного диффузора (ЛД) на газодинамические характеристики ступени МЦК и повышение ее эффективности при работе на нерасчетных режимах регулированием производительности поворотом лопаток ВНА и ЛД. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- проведен анализ конструкций.и способов регулирования характеристик ЦК и МЦК;

- создан экспериментальный стенд, разработаны программа и методика исследования газодинамических характеристик центробежной ступени МЦК;

- получены газодинамические характеристики ступени МЦК при различных сочетаниях углов установки лопаток ВНА и ЛД;

- проведен анализ результатов экспериментальных исследований и определен графически закон оптимального регулирования ступени МЦК одновременным поворотом лопаток ВНА и ЛД;

- усовершенствована математическая модель центробежного компрессора применительно к ступеням МЦК;

- выполнена идентификация математической модели и произведено обобщение результатов экспериментальных исследований;

- получен с применением усовершенствованной математической модели закон оптимального регулирования ступени МЦК при одновременном повороте лопаток ВНА и ЛД;

- разработаны рекомендации по проектированию и оптимальному регулированию ступеней МЦК.

Основные положения диссертации, научная новизна которых защищается:

- результаты экспериментальных исследований влияния углов установки лопаток ВНА и ЛД на газодинамические характеристики ступени МЦК и условия оптимального регулирования производительности ступени ири одновременном повороте лопаток ВНА и ЛД;

- усовершенствованная математическая модель центробежного компрессора, учитывающая особенности рабочего процесса регулируемого МЦК, идентифицированная по полученным экспериментальным данным;

- закон регулирования ступени с ВНА и ЛД, определяющий взаимную зависимость положения лопаток ВНА и ЛД при оптимальном регулировании, полученный на основе обобщения результатов экспериментальных исследований с использованием усовершенствованной математической модели;

- методика проведения сравнительного анализа и обоснованного выбора способа регулирования для работы в заданном диапазоне производительностей с применением коэффициента использования сжатого газа.

При проведении исследований использованы с целью расширения области эффективной работы ступени МЦК технические решения по патенту с'участием автора №2194125 от 17.10.2001 г.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии.

В первой главе приводится обзор конструкций и современных способов I регулирования характеристик центробежных компрессоров. На основе обзора сделаны выводы и постановка задачи исследования.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям и анализу влияния изменения положения лопаток ВНА и ЛД на газодинамические характеристики центробежной ступени. В ней приводится описание экспериментального стенда, методов измерений основных параметров ступени и контрольно-измерительной аппаратуры, программ, методики проведения и обработки результатов экспериментальных исследований. Производится оценка погрешностей измерения контролируемых величин и анализ полученных результатов экспериментальных исследований. На основе анализа определен закон оптимального регулирования центробежной ступени поворотом лопаток ВНА и ЛД.

В третьей главе осуществляется обобщение результатов экспериментальных исследований с использованием метода математического моделирования многовальиых центробежных компрессоров. За основу принят комплекс программ и математическая модель, разработанная в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева под руководством д.т.н., профессора А.П.Тунакова. Программный комплекс позволяет решать задачи расчета характеристик компрессоров, оптимизации выбранной конструкции, а также идентификации математической модели по результатам экспериментальных исследований. В дальнейшем программный комплекс и математическая модель доработаны применительно к центробежной ступени МЦК при регулировании поворотом лопаток входного направляющего аппарата и диффузора. Были введены вновь математические модели входного направляющего аппарата с поворотными лопатками, переходного кольцевого канала, соединяющего выход ВНА со входом рабочего колеса, доработан блок регулирования. На основе результатов экспериментальных исследований проведена идентификация математической модели центробежной ступени МЦК. Приводится постановка з.адачи идентификации, поправочные коэффициенты математической модели до и после идентификации. По результатам идентификации проведена дополнительная доработка математической модели, учитывающая влияние больших углов закрутки потока на входе в колесо на коэффициенты уменьшения напора и потерь в рабочем колесе. Приводится также закон оптимального регулирования, определенный на основе данных оптимизации по математической модели.

Четвертая глава посвящена проблеме промышленного освоения много-вальных центробежных компрессоров. Приводятся рекомендации к проектированию МЦК при регулировании поворотом лопаток ВНА и ЛД, данные о выпускаемых в настоящее время ОАО "Казанькомпрессормаш" МЦК и об опыте эксплуатации этих машин в промышленных условиях.

Результаты работы внедрены и используются при проектировании МЦК в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа", а также в учебном процессе кафедры "Компрессоры и пневмоагрегаты".

Работа выполнена на кафедре "Компрессоры и пневмоагрегаты" Казанского государственного технологического университета и в ЗАО "ИИИтурбоком-прессор им.В.Б.Шнеппа" под руководством член-корреспондента АН Республики Татарстан, доктора технических наук, профессора В.А.Максимова. При проведении экспериментальных исследований автору оказали помощь сотрудники отдела расчетов и испытаний центробежных компрессоров ЗАО "НИИ-турбокомпрессор им.В.Б.Шнеппа". Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору М.Б.Хадиеву, а также всем лицам, оказавшим помощь и поддержку.

Диссертация содержит 197 страниц, из них 9 таблиц, 119 рисунков и биб-^ лиографию из 106 наименований.

1. МНОГОВАЛЬНЫЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

Центробежные компрессоры могут быть применены для сжатия почти любого газа или пара, используемых в промышленных процессах. Однако наиболее распространенными являются воздушные компрессоры [46].

Воздушные компрессорные машины общего назначения выпускаются в широком диапазоне производительностей на базе поршневых, роторных, вихревых, центробежных и осевых компрессоров [65]. Более того, в некоторых областях диаграммы "давление-производительность" произошло двух-, трех- и даже четырехкратное наложение полей различных типов компрессоров общего назначения. Многообразие типов предлагаемых установок на одинаковые параметры говорит и о значительных отличиях машин разных типов по некоторым эксплуатационным характеристикам [65]. По мнению Б. Кертона [46], одним из наиболее очевидных преимуществ турбокомпрессоров является отсутствие трения во внутренних частях и необходимости их смазывания, что обеспечивает чистоту нагнетаемого воздуха. Кроме того, он отмечает такие преимущества центробежных компрессоров, как непрерывность подачи воздуха, значительную удельную производительность на единицу занимаемой площади, отсутствие клапанов, хорошую уравновешенность роторов, что позволяет обойтись без массивных фундаментов. Он также показал, что из-за сложности выполнения рабочих колес с небольшой шириной канала в центробежных компрессорах возникают трудности обеспе; чения минимальной производительности, при которой возможна нормальная работа машины. Оказалось, что эта минимальная производительность зависит от конечного давления, создаваемого машиной. Б.Кертон показал также возможность уменьшения этой производительности путем повышения частоты вращения рабочих колес. В качестве примера он приводит центробежный компрессор фирмы "Броун-Бовери" для работы с производительностью 50 м3/мин на конечное давление 0,6-0,7 МПа. Компрессор имеет 8 ступеней, расположенных в двух корпусах. Привод осуществляется от электродвигателя через муль

15 типликатор, причем рабочие колеса первых четырех ступеней вращаются с частотой 10000 об/мин, а последних четырех 18000 об/мин.

Наиболее удобным для обеспечения различных оптимальных частот вращения рабочих колес является использование многопоточного мультипликатора с одним центральным зубчатым колесом. Выполнение центробежного компрессора на основе такого мультипликатора, где шестерни зубчатой передачи выполняют одновременно функции роторов компрессора, привело к созданию компактной конструкции и в связи с этим появился новый термин "многоваль-ные центробежные компрессоры" (МЦК). В отечественном компрессорострое-нии часто такие машины называют мультипликаторными центробежными компрессорами, хотя они могут быть и безмультипликаторными [12].

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Сафиуллин, Анас Гадулович

1.Выполнен подробный обзор конструкций МЦК и способов регулирования их характеристик. Регулирование в широком диапазоне изменений производи тельности с сохранением приемлемых значений КПД возможно обеспечить только использованием комбинированных сповобов. Для МЦК наиболее пред почтительным является применение комбинированного способа регулирования одновременным поворотом лопаток ВНА и ПЛД.

2.Проведены экспериментальные исследования модельной ступени МЦК с поворотом лопаток ВНА и ЛД. Они показали, что: смещаются в сторону уменьшения расхода и происходит снижение напорности ступени; • диапазон оптимального регулирования по расходу изменением углов регулирования без снижения коэффициента напора составляет 17%; — при изменении угла установки лопаток диффузора с уменьшением угла установки лопаток а лд коэффициент напора увеличивается, что обуслов лено известной закономерностью возрастания коэффициента напора ^„^ при снижении коэффициента расхода д)г2 для рабочих колес с лопатками, загнуты ми против вращения. Для характеристик при Ми=0,8 при сохранении коэффи циента напора v|/*=0,57 диапазон оптимального регулирования составляет 30 %.При этом КПД снижается не более, чем на 5% от максимального на расчетном режиме; — регулирование с помощью ЛД при сохранении постоянного коэффи циента напора, соответствующему максимальному КПД на расчетном режиме, возможно от расчетного режима только в сторону уменьшения расхода, что подтверждается другими авторами [77, 81, 104]. Диапазон регулированиях со 183

11%, при этом КПД снижается не более, чем на 2%. В результате, уменьшение а,;, приводит к существенному смещению границы помпажа. Дальнейшее рас ширение диапазона регулирования возможно при уменьшении угла установки снижение «лл нежелательно из-за значительного рассогласования характери стик колеса и диффузора, что приводит к резкому снижению коэффициента на пора и КПД ступени; • при комбинированном рег^'лировании возможен целый ряд комби наций углов установки лопаток ВНА и ЛД, обеспечивающих одинаковые зна чения коэффициентов расхода и напора, но КПД в этих вариантах будут раз ными. Таким образом, возможен выбор оптимального сочетания углов установ ки лопаток ВНА и ЛД, обеспечивающих наибольшее значение КПД. По сово купности сочетания углов установки лопаток ВНА и ЛД для заданного коэф фициента напора при различных значениях коэффициента расхода графически определен закон оптимального регулирования; • при оптимальных сочетаниях углов установки лопаток по резуль татам экспериментальных исследований при снижении КПД не более 5 % от оптимального значения и сохранении постоянства коэффициента напора (v}/*=0,57 при Ми=0,8), можно обеспечить диапазон регулирования по коэффи циенту расхода в пределах 54... 128 % (50... 135% для Vj/*=0,6 и Ми=0,9).3. Выполнено усовершенствование математической модели применительно к МЦК и ее идентификация на основе экспериментальных исследований.Проведенные расчетные исследования по программе показали, что: • в результате усовершенствования и идентификации математической модели удалось снизить погрешности расчета по среднестатистической модели примерно с 5 % до 2...3,5 %; • математическая модель позволяет выполнить непосредственно опти мизацию углов установки лопаток ВНА и ЛД и определить закон оптимального рег>'лирования изменением углов установки лопаток ВНА и ЛД. Полученные в результате оптимизации для каждого коэффициента расхода значения углов аппроксимированы квадратичным полиномом, где коэффициенты полинома определяются расчетным путем на основе математической модели; • полученные законы оптимального регулирования могут быть использова ны при регулировании характеристик ступени МЦК или компрессора, где уста новлены ВНА и ЛД с поворотными лопатками.4. Результаты исследований используются при проектировании центробеж ных компрессоров ЗАО "НИИТурбокомпрессор" и в учебном процессе кафед ры "Компрессоры и пневмоагрегаты" Казанского государственного технологи ческого университета.5. Приведены рекомендации по дальнейшему внедрению результатов ис следований в практику проектирования новых и модернизации находяшихся в эксплуатации МЦК. Например, при необходимости экономичного (со снижени ем КПД не более 5%) регулирования производительности ступени с поддержа нием постоянного конечного давления Рк=соп51 (при Ми=0,9 и 4^*=0,6) в диа пазоне 85-100% можно при.менять дросселирование; поворот лопаток ВНА по зволяет расширить диапазон рабочих режимов до 69-127%), а поворот лопаток только ЛД соответственно до 72-100%. Одновременный поворот лопаток ВНА и ЛД расширяет диапазон регулирования до 50-135%. Наиболее широкий диа пазон рабочих режимов может быть достигнут комбинированным регулирова нием поворотом лопаток ВНА и ЛД совместно с байпасным перепуском на ли нию всасывания - до 0-135%).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сафиуллин, Анас Гадулович, 2003 год

1. Изменение характеристики сети 1.1. Перепуск (байпасирование) 71, [221,

2. Дросселирование на нагнетании 71, [221,

3. Дросселирование на линии всасывания 171, 221,14. Комбинация способов 71

4. Параллельное или последовательное подключение нескольких потоков или компрессоров 80., [86], [104]

5. Комбинация способов 22., [86]

6. Комбинация способов 4.1.Перепуск газа через рекуперационную турбину 71Л221,

7. Изменения характеристики сети и геометрии проточной части