Разработка и внедрение унифицированных мультипликаторных центробежных компрессоров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Петросян, Григорий Григорьевич

• Петросян, Григорий Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петросян, Григорий Григорьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Ь СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ М УЛЫ ИПЛИКАТОРНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ (МЦК).

II РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УНИФИКАЦИИ И ПОЛУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ МЦК.

2.1. Разработка принципов унификации МЦК.

2.2. Обоснование выбора конструкции типовых элементов проточной части.

2.3. Расчетно-теоретический анализ потерь и определение размеров в контрольных сечениях ступени.

2.4. Базовые ступени ряда. Метод модификации ступеней.

2.5. Методы доводки и согласования характеристик ступеней многоступенчатого центробежного компрессора.

III. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОСЕВЫХ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ, ПОТЕРЬ НА ТРЕНИЕ ДИСКОВ И ПЕРЕТЕКАНИЕ В ПОЛУОТКРЫТЫХ РАБОЧИХ КОЛЕСАХ(РК) МЦК.

3.1. Актуальность проблемы и цель исследования.

3.2. Методика экспериментальных исследований осевых сил в полуоткрытых РК

3.3. Методика экспериментальных исследований потерь на трение диска и перетекание в полуоткрытых РК.

3.4. Результаты исследования осевых сил, действующих на полуоткрытые радиальные РК.

3.5. Результаты исследования осевых сил, действующих на полуоткрытые осерадиальные РК.

3.6. Исследование потерь на трение диска и перетекание в полуоткрытых радиальных и осерадиальных РК.

3.7 Определение влияние зазора между лопатками полуоткрытого РК и корпусом на характеристики ступени.

3.8. Разработка методов расчета осевых сил, потерь на трение диска и перетекание в полуоткрытых РК.

319. Метод прогнозирования параметров ступени с полуоткрытыми РК при изменении зазора между лопатками и корпусом.

3.10. Погрешность измерений и точность определения основных величин.

IV. ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ МЦК ПРИ РАБОТЕ НА НЕРАСЧЕТНЫХ РЕЖИМАХ ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ ЗАКРУТКИ ПОТОКА С ПОМОЩЬЮ ВХОДНЫХ РЕГУЛИРУЮЩИХ АППАРАТОВ (ВРА).

4.1. Типовая конструкция ВРА для унифицированных МЦК.

4.2. Определение углов потока, раскрутки и потерь в типовом ВРА.

4.3. Разработка метода расчета газодинамических характеристик ступеней при различных углах поворота лопаток ВРА.

4.4 Повышение экономичности МЦК при работе на нерасчетных режимах путем изменения закрутки потока перед РК.

V. СОЗДАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ УНИФИЦИРОВАННЫХ

РЯДОВ МЦК.

5.1. Типы унифицированных рядов.

5.2. Общие признаки унификации МЦК «Аэроком».

5.3. Ряд нагнетателей исполнения Аэроком Н и НА.

5.4. Ряд компактных МЦК исполнения Аэроком КА.

5.5 Ряд агрегатированных МЦК исполнения Аэроком А А, АВ, и АС.

5.6 Экспериментальные характеристики и внедрение базовых представителей унифицированных рядов МЦК исполнения Аэроком.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и внедрение унифицированных мультипликаторных центробежных компрессоров»

Актуальность работы. Многовальные мультипликаторные центробежные компрессоры (МЦК), в силу целого ряда известных преимуществ (заводская готовность, компактность, экономичность), представляют устойчивый класс машин на мировом рынке. Практически предприятия любой отрасли промышленности используют сегодня высокоэффективные МЦК, сжимающие воздух, азот и другие газы. В связи с этим все развитые страны (Россия, США, Германия, Япония, Италия, Швейцария, Франция) выпускают и непрерывно совершенствуют МЦК. В последнее время потребность в малогабаритных и экономичных машинах этого типа резко возросла в связи с ростом цен на электроэнергию, металл и площади для размещения компрессоров. Значительный интерес в приобретении МЦК проявляют также частные фирмы, осуществляющие малый и средний бизнес.

В силу эффективности МЦК расширяется их поле параметров в сторону более высоких давлений (5 4-6 МПа) и производительностей (800 4-1000 м^/мин). Это требует решения ряда проблем, связанных с принципами унификации, газодинамикой проточной части, разгрузкой осевых сил, эффективностью охлаждения газа, динамикой и прочностью быстроходных роторов. В связи с этим научно-конструкторские работы в этом направлении являются весьма актуальными.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с потребностями практики, а также федеральной приоритетной программой "Энергосбережение России", утвержденной Указом Правительства России 24 января 1998 г. № 80, а также решениями УИ-Х1 Международных конференций по компрессо-ростроению.

Цель работы. На основе комплекса исследовательских работ создать и внедрить унифицированные МЦК, работающие на любые параметры в заданной области степеней повышения давления як=1,6 + 50 и производитель-ностей V, =30+ 800 м3/мин.

Научная новизна. Разработан метод унификации проточной части МЦК за счет изменения геометрии элементов ступени при условии минимального снижения эффективности, позволяющий создавать МЦК для воздуха, азота и других газов для заданного поля по давлению и производительности; создана программа оптимизации проточной части на ПЭВМ с учетом чисел Ми и реальности газов; созданы более совершенные методы расчета на ПЭВМ осевых сил, потерь на трение дисков и перетекание в полуоткрытых рабочих колесах (РК); разработана усовершенствованная методика расчета регулировочных характеристик ступеней МЦК с учетом потерь, углов отставания и раскрутки потока после входного регулирующего аппарата (ВРА); созданы и внедрены унифицированные ряды МЦК, позволяющие в короткие сроки проектировать, изготавливать и поставлять надежные и экономические машины для широкого поля параметров. На опытно-конструкторские разработки по данной работе получено 8 авторских свидетельств и 4 патента.

Практическая ценность. Созданы и внедрены ряды МЦК в виде нагнетателей, компактных компрессоров со встроенными в корпус охладителями газа и агрегатированных компрессоров с выносными охладителями газа, имеющие единую систему унификации основных элементов конструкции. Их внедрение позволило сократить сроки проектирования и доводки, повысить качество и снизить себестоимость изготовления путем стабилизации технологических процессов. Использование МЦК на предприятиях машиностроения, в химической, нефтехимической и газовой промышленности, а также в составе стартовых систем ракетно-космических комплексов показывает их высокую эффективность и надежность.

В I главе рассмотрено современное состояние и направления развития МЦК. Определены значения критериев эффективности для лучших образцов МЦК в мировой практике и сформулированы задачи исследования. 8

II глава содержит разработку методов унификации и получения характеристик проточной части МЦК.

В III главе представлены исследования и разработка методов расчета осевых газодинамических сил, потерь на трение дисков и перетекание в полуоткрытых рабочих колесах МЦК.

IV глава посвящена повышению экономичности МЦК при работе па нерасчетных режимах путем изменения закрутки потока с помощью ВРА и разработке метода расчета регулировочных характеристик ступеней МЦК.

В V главе рассмотрены принципы построения унифицированных рядов МЦК, границы их применимости, схемы компоновок и экспериментальные характеристики базовых представителей. Представлены сопоставления критериев эффективности отечественных и зарубежных МЦК.

В заключение сформулированы выводы и рекомендации по выполненной работе.

Настоящая работа выполнена в ЗАО НТК. Автор работы являлся основателем и Главным конструктором направления МЦК в период с 1977 по 1999 г.г., принимал непосредственное участие в выработке принципиальных решений и методов расчета, конструировании базовых элементов МЦК, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, осуществлял доводочные исследования и решал производственные проблемы по МЦК.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МУЛЬТИПЛИКАТОРНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ

МЦК)

За последние 30 лет МЦК получили широкое распространение в практике мирового компрессоростроения. Они имеют консольное расположение ступеней компрессора и повышающую зубчатую передачу, которые конструктивно объединены (рис. 1.1). В результате реализуется многовальная газодинамическая схема с разными частотами вращения валов, что позволяет выбрать оптимальные окружные скорости и2 рабочих колес (РК), применить ступени с осевым входом и малым втулочным отношением в широком диапазоне коэффициентов расхода, обеспечить охлаждение газа после каждой ступени, использовать, при необходимости, эффективные поворотные лопаточные аппараты для регулирования режимов работы компрессора. Благодаря этим качествам в мультипликаторной схеме удается реализовать максимальную эффективность процесса сжатия, широкий (50-100%) диапазон регулирования, компактность, малогабаритность и одноэтажность исполнения, мо-ноблочность, максимальную заводскую готовность, что обеспечивает заказчику минимальные капитальные и эксплуатационные затраты.

Обзорная информация по направлению МЦК [1, 2, 3, 4] охватывает историю развития и мировую тенденцию совершенствования МЦК. Отметим характерные моменты этого обзора, включающего в себя более 80 источников (проспекты, информационные бюллетени фирм, каталоги фирм, статьи в зарубежных журналах, патенты).

Впервые, в конце 40-х годов фирма БЕМАС (ФРГ) применила схему МЦК 2x4 с двумя роторами в виде валов-шестерен, каждый из которых имел два РК, расположенных консолыю на концах вала с двух сторон приводного зубчатого колеса (Патент ФРГ № 974418, 1.2.84.558; Патент Англии 992651). Корпус компрессора имел горизонтальный разъем, на котором размешались приводной ротор с зубчатым колесом и два быстроходных ротора с РК, а также подшипники и уплотнения. На торцы корпуса навешивались улитки всех 4-х ступеней. Газ охлаждался в 4-х выносных охладителях. За период действия срока патента до начала 60-х годов фирма ОЕМАв выпустила около 200 МЦК.

Начиная с 1965 г., многие ведущие компрессоростроительные фирмы, главным образом в США, начали изготавливать и поставлять на мировой рынок унифицированные МЦК собственной конструкции. Они внесли в исходную схему фирмы БЕМАО заметные изменения по сочетанию числа валов и РК, по конструкции и размещению охладителей газа, по принципу уравновешивания осевых газодинамических сил, по конструкции РК и подшипников скольжения, по способам регулирования. Однако при этом все фирмы сохранили многовальную мультипликаторную схему.

Анализ конструкций МЦК, поставляемых разными зарубежными фирмами, показывает [1,2, 3, 4], что число ступеней изменяется в зависимости от степени повышения давления компрессора як. Для получения лк=9-12 используют от 2 до 4 ступеней с числом валов от одного до четырех. Отмечается тенденция увеличения конечного давления. При тск=50 фирмы применяют три вала и 6 РК. Отметим, что для получения п= 9 при использовании классической одновалыюй схемы необходимо иметь не менее 6 РК, а для тгк=50 -до 11 РК, размещенных соответственно в 2-3 корпусах сжатия с расположением всего оборудования компрессора на двух уровнях по высоте. На рис. 1.2 показаны сравнительные габариты одновального компрессора ЦК 135/8 (1x6) и многовального МЦК 2x4 (марка 32 ВЦ-100/9), близких по параметрам и выпускаемых Казанским заводом компрессорного машиностроения (АО ККМ). Видны явные преимущества МЦК.

Компактность МЦК во многом определяется эффективностью поверхностей охлаждения. С этой целью только фирма 1п§ег5о11 Капе! (США), выпускающая МЦК на интервал производительности У,=40-300 м3/мин, приме няет поверхности охлаждения в виде омываемого водой коллектора труб с внутренним оребрением газового тракта. Такие эффективные охладители размещаются в корпусе компрессора, что позволяет экранировать шум, излучаемый быстроходной зубчатой передачей. Конструктивная схема такого МЦК фирмы Ingersoll Rand приведена на рис. 1.3. Однако большинство фирм, поставляющих МЦК на более широкий интервал V,,, используют выносные охладители с накатными медными трубками, внутри которых перемещается вода.

Осевые газодинамические силы и осевые силы в зацеплении косозубой передачи, действующие на роторы, в первых конструкциях МЦК воспринимались упорными подшипниками (подпятниками), расположенными на каждом быстоходном валу (Ingersoll Rand). Однако, в последующем, по мере увеличения числа валов и PK, размещенных на них оппозитно, практически все ведущие фирмы начали использовать принцип уравновешивания некомпенсированных осевых сил с помощью упорного подшипника, находящегося на тихоходном валу привода. При этом нескомпенсированные осевые силы с каждого быстроходного ротора (вала-шестерни) передаются на упорный подшипник тихоходного вала привода через масляный клин, создаваемый при вращении между упорным гребнем вала-шестерни и торцом зубчатого приводного колеса. Такая схема уравновешивания осевых сил показана на рис. 1.4.

Все фирмы используют многоклиновые подшипники скольжения с качающимися подушками или с постоянными скосами, обеспечивающими снижение виброактивности системы "ротор-подшипники".

Регулирование производительности в МЦК осуществляется с помощью дроссельной заслонки или более экономичного входного регулирующего аппарата (ВРА), устанавливаемых, как правило, на входе в первую ступень компрессора. В последнее время появились конструкции МЦК с поворотными лопаточными диффузорами (ПЛД), позволяющими заметно изменить ха А

Б-Б

Рис. 1.3. Унифицированные МЦК 4x4 фирмы Ь^егеоН-Напс! (США) ¡1,2 - роторы первый и второй ступеней; 3 - ротор привода; 4 - охладитель; 5 - влагоотделитель; 6 - крышка; 7 - корпус; 8 - патрубок всасывания; 9 - патрубок нагнетания J 1

Тг

Рис. 1.4. Схема уравновешивания осевых сил от давления и зацепления, действующих на роторы МЦК

А, Б, В, Г - камеры уплотнений; 1,2- опорные подшипники 1 и 2 роторов; опорно-упорные подшипники тихоходного ротора с зубчатым колесом 7; 5 - употзные гоебни валов-шестерен 6 и 8; - ииирпи"^шрпшь 1ШДШШ1ШШН IГ1ДиЛиД1Ш1 и ^и-ШШШ! пилъииш I 5

4,5 - упорные гребни валов-шестерен 6 и 8; р2 - давление за РК; р п, р - давления на лопаточную часть РК и на рабочий диск;

Т*!, Т2, Тз , Т 4 - суммарные осевые силы от давления на РК 1)2Д4;

Тш- осевая сила от зацепления; Т г- суммарная осевая сила на упорный подшипник рактеристики без больших потерь КПД. Имеются предложения по комбинированному регулированию с одновременным использованием ВРА и ПЛД.

Стремление фирм создавать МЦК для более высоких тск привело к широкому использованию полуоткрытых РК, эффективно работающих при высоких и2=380-400 м/с (Ми=1Д-1,17). Для обеспечения минимального зазора между лопатками и корпусом, влияющего на КПД, фирмы совершенствуют геометрическую форму таких РК.

Рассмотрим подробнее удельные показатели МЦК, выпускаемых ведущими зарубежными фирмами. Для более точной сравнительной оценки выбраны МЦК с як=9, поставка которых является наиболее распространенной 11]. Эффективность МЦК принято [1] оценивать с помощью значений удельпой мощности, затраченной на привод, Ny/l н

Г К ВТ л V M" / М И I F удельной массы компрессорной установки Gv„ =

G( кг л

УД V U.3

V„ VM- / мши и удельной площади, за

- р F нимаемои установкой, гуд = i \ м

V„ м3 / миц/

Удельные показатели МЦК с лк=9, числом валов, равных числу РК, показаны на рис. 1.5. Видно, что большинство фирм разрабатывает такие МЦК для диапазона производительности V, =40-400 м'/мин с минимальным шагом rio производительности 1,1-1,3. В зоне малых значений V,=40-80 м3/мин практически все фирмы США имеют одинаковые Nyil, GyÄ, Fyjl. С увеличением Производительности до VH=100-200 м3/мин лучшие удельные показатели достигнуты фирмами Ingersoll Rand и Mitsubishi. В области V,=200-400 м3/мин успехи фирмы DEMAG являются также высокими.

На рис. 1.5 построены также граничные кривые, отражающие наиболее высокий уровень эффективности МЦК. Видно, что лучшие достижения при t &

А \ А л Щ Ч --ST"

TST-®— И Л- Q-А— А

О 100 200 300 V„ ,mWH я 'И 1 А А н * А ® V«. ППа. А. ® /г ® ® ®

А

0 100 200 300 VHiM7mhh

Рис. 1.5. Удельные показатели МЦК общего назначения (число валов равно числу РК, Як=9)

• - Ingersoll-Rand, США, 4x4, охладители в корпусе; ® - Demag, ФРГ, 4x4, охладитеж выносные;

А - Mitsubishi, Япония, 4x4, охладители выносные;

- Joy, США, 3x3, охладители выносные;

S - Elliott, США, 3x3, охладители выносные (GyA- отсутствует); А - Borsig, ФРГ, 3x3, охладители выносные; -ф- - Demag, ФРГ, 3x3, охладители выносные. надлежат фирмам Ingersoll-Rand и Mitsubichi для МЦК 4x4 и фирмам Joy, Elliott для МЦК 3x3.

Удельные показатели и граничные кривые для МЦК с п,~9, двумя валами и разным числом РК, расположенных на них, показаны на рис. 1.6. Такие МЦК охватывают, в основном, диапазон производительности VM=40-200 м3/мин. Из рис. 1.6 видно, что лучших показателей в МЦК 2x3 добились американские фирмы Joy, DRESSER, Elliott. Для МЦК 2x4 успехи фирм So ft rai г и DEMAG являются практически равноценными.

Обобщающая зависимость максимальных значений изотермического КПД (г|1П) для разных схем МЦК приведена на рис. 1.7. Изотермический КПД определен при 7гк=9 и t„=40°C из выражения [5] g'Ih3 = GRT„fn7tK 1000-N; 1000- Ny;i Vu -г] м ' где Nj - мощность, затраченная на сжатие; цм - механический КПД МЦК, учитывающий потери в подшипниках, уплотнениях и мультипликаторе (по статистике г|м=0,96).

Из рис. 1.7 видно, что изотермический КПД для рассматриваемых схем с охлаждением после каждой ступени не сильно изменяется в диапазоне Vu= 100-300 м3/мин. При этом максимальные его значения соответствуют схемам МЦК 4x4 (кривая . 1), когда каждое РК имеет свою умеренную скорость и2. С уменьшением числа РК с индивидуальными и2 изотермический КПД снижается (МЦК 3x3, кривая 2), особенно заметно в случае двух РК (МЦК 2x2, кривая 3).

Для схем, когда необходимые индивидуальные скорости и2 не выдерживаются для каждого РК, например, из-за стремления конструктора разместить на валу два РК одинакового диаметра, имеется тенденция снижения т|,п. При этом его значения практически одинаковы для схем МЦК 2x3 и МЦК 2x4 (кривые 4 и 5 на рис. 1.7). кг иЫт

100 50

А

1 1 k ® + + + А А- ; + +

-1- * J VP *1 -i-lp > -§>■* 1 * 1 —1— с ^-- * -1- 4> -1- -1- -1

УД м м/мин од

0,05

100

200

300

УВ)м/мш

200

300

VH ,м3/мин

Рис. 1.6. Удельные показатели МЦК общего назначения (два вала с разным числом РК, Йх=9) -ф- - Demag, ФРГ, 2x4, охладители выносные; + - Sofrair, Франция, 2x4, охладители выносные (Np- отсутств.);

- Joy, США, 2x3, охладители выносные; - Dresser-Clark, США, 2x3, охладители выносные; В - Elliott, США, 2x3, охладители выносные;

• - Ingersoll-Rand, США, 2x2, охладители в корпусе (Np-отсутствует);

А - Ingersoll-Rand, США, 2x2, звукоизолиров., охл-ли в корпусе (N^-отсутств.);

----расчет для варианта.; \ - АО НТК, 2x4,32ВЦ-100/9 и 43ВЦ-160/9; о - АО НТК, 2x3, охл-ли в корпусе Аэроком КА; + - АО НТК, 2x4, охл-ли в корпусе Аэроком КА.

1 -^TTZ —-т - - f/~1 f/Y \ 4и5 Г

У ' ■ ——

О 100 200 300 vh ,м3/мин

Рис. 1.7. Зависимость максимального изотермического КПД от VH (Як=9, tH=40°C) для разных схем МЦК

1 - МЦК 4x4, Ingersoll-Rand, Mitsubishi

2 - МЦК 3x3, Joy, Elliott

3 - МЦК 2x2, Ingersoll-Rand

4 - МЦК 2x3, Joy, Dresser, Elliott

5 - МЦК 2x4, Sofrair, DEMAG

6 - ® МЦК 2x3, Аэроком KA-22-63/9

7, ? - *МЦК 2x4, Аэроком KA-43-120/9 и Аэроком AB-262/9,4 8-аЦК 135/8,1x6, серийный с 1960 г.

Ми=0,93

Ми=1,06

IT аГ

2 3 4 **

Рис. 1.8. Влияние чисоа РК с индивидуальными u 2на Т| (Як=9, Ун=100м3/мин)

Влияние числа РК с индивидуальными и2 на величину т|из показано на рис. 1.8. Видно, что, например, при У„=100 м3/мин, лк=9 и четырех РК максимальное значение т\к=0,61 при числах Маха для 1 ступени Ми=0,93. С уменьшением числа РК для достижения пк=9 скорости и2 и числа Маха возрастают, а изотермический КПД интенсивно снижается.

Выполненный анализ МЦК зарубежных конструкций показывает, что 3-х и 4-х ступенчатые МЦК в интервале У„= 100-200 м3/мин имеют довольно высокий изотермический КПД г|из=0,64-0,68. Это обеспечивается как эффективной проточной частью, так и охлаждением газа после каждой ступени, снижающих затраты на сжатие газа.

Исследованию проточных частей, силового воздействия потока высокого давления на роторы, способов охлаждения газа при многоступенчатом сжатии и вопросов регулирования центробежных компрессоров посвящены труды отечественных и зарубежных ученых В.И. Страховича, Б.С. С-; 'счкипа, К. Пфлейдерера, Б. Эккерта, К.В. Холщевникова, В.Ф. Риса, Г.Н. Дена, Б.С. Виноградова, К.П. Селезнева, Ю.Б. Галеркина, Ф.М. Чистякова, В.Б. Шнеппа и др. Результаты этих исследований отражают особенности работы центробежных компрессоров в классическом одновальном исполнении и являются научной основой при создании многовальных схем, имеющих упомянутые специфические особенности.

В СССР работы по созданию МЦК были начаты в 1977 г. в г. Казани известными организациями по компрессоростроению АО НТК и АО ККМ. Они остаются и в настоящее время в России и СНГ единственными разработчиками и поставщиками МЦК для широкого поля параметров [8, 9]. Значительный опыт АО НТК и АО ККМ в разработке и производстве особо сложной турбокомпрессорной техники для различных отраслей позволил уже в 1980 г. успешно завершить всесторонние испытания и доводку первого опытного образца МЦК 2x4 (Ун=100 м3/мин и Пк=9) [6, 7]. Дальнейшее развитие этого направления требовало решения отдельных важнейших проблем, связанных с унификацией МЦК для их ускоренного производства на любые параметры принятого поля Ун-Рк, с решением вопросов уравновешивания осевых газодинамических сил при высоких давлениях для повышения надежности упорных подшипников, с повышением экономичности при работе на нерасчетных режимах, со снижением виброактивности высокоскоростной системы "ротор-подшипники", с выбором оптимальных форм РК, обеспечивающих прочность и устойчивость газодинамических характеристик.

В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи:

- разработка метода унификации и получение характеристик прочной части МЦК;

- исследование и разработка более совершенных методов расчета и уравновешивания осевых газодинамических сил, потерь на трение дисков и перетекание в полуоткрытых РК МЦК;

- повышение экономичности МЦК при работе на нерасчетных режимах путем изменения закрутки потока с помощью входных регулирующих аппаратов;

- создание унифицированных рядов МЦК для выбранного поля параметров; -. внедрение результатов исследования в практику создания отечественных

МЦК.

2 г И. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УНИФИКАЦИИ И ПОЛУЧЕНИЕ

ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ МЦК

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Петросян, Григорий Григорьевич

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основе анализа состояния и перспектив развития МЦК определены значения критериев эффективности лучших мировых образцов разных схем, характеризующих их современный уровень. Для наиболее распространен-I ных МЦК с пк=9 лучшие показатели по удельной мощности

1 К ВТ к г N =5,5—г-, удельной массе 0=55—;-, удельной занимаемой м / мин м' / мин м2 площади Б =0,05—г—— и изотермическому КПД г|из=0,68 достигаются м /мин при У„= 100-200 м3/мии и при использовании 4-х рабочих колес с индивидуальными и2 и значениями Мц<0,93. Использование 2-х рабочих колес для л=9 снижает КПД до г|из=0,575 за счет высоких Ми=1,3.

2. Разработан метод унификации проточной части МЦК подрезкой базового полуоткрытого колеса по ширине с соответствующим изменением ширины ЛД, наружного диаметра РК в интервале В2=(1,06-0,94)В2|(ОМ и с двумя фиксированными (для этого интервала 02) значениями окружных скоростей. Геометрия меридианного контура модифицированной ступени определяется из условия согласования работы отдельных элементов на этапе проектировочных расчетов конкретного компрессора. Это обеспечивает наименьшее снижение эффективности модифицированных ступеней. Принятые решения позволили иметь только две вал-шестерни для каждого из 6 типоразмеров РК (В2= 190-240-300-380-480-600).

Получена параметрическая диаграмма областей применения МЦК с дан' ными по тск, Ун, числу оборотов двух уровней, числу ступеней, диаметрам РК и мощности привода.

3. Основан выбор конструкций типовых элементов проточной части, исходя из требований прочности, компактности, стоимости изготовления и КПД. При высоких окружных скоростях и2=350-400 м/с и коэффициентах расхо | да Ф0=0,07-0,15 применяются полуоткрытые осерадиальные РК, состоящие из отдельного осевого вращающегося аппарата (ВНА) и радиального лопаточного диска. Такая конструкция защищена патентом и позволяет изготавливать РК без использования дорогостоящих импортных 5-координатных станков. Геометрия такого РК обеспечивает минимальную деформацию лопаток в осевом и втулки в радиальном направлениях. Создана программа G005 для профилирования лопаток и меридианного контура кривыми второго порядка и для подготовки данных для программирования станков с ЧПУ. j

При Ф0<0,04 используются полуоткрытые радиальные РК с криволинейной поверхностью проточной части диска и цилиндрическими лопатками, очерченными двумя радиусами, что снижает неравномерность потока на входе и в каналах РК. I

При Фо^О,02-ь 0,005 применяются закрытые РК по рекомендациям СПбГТУ или лицензионные ступени фирмы DRESSER (США). Для преобразования скорости потока в давление за РК использованы неподвижные и регулируемые ЛД, выполненные по полученному патенту. Для последних ступеней с Ф0=0,02 -4- 0,005 могут использоваться профилированные БЛД. В качестве выходных устройств применяются внутренние спиральные боковые камеры (улитки) с изменением площади за счет ширины Вк и высоты Нк канала и выполнением закона BK/HK=Const. Конструкции таких устройств защищены четырьмя авторскими свидетельствами.

4. Разработана методика расчета потерь в элементах ступени и ее газодина! мической характеристики от точки помпажа до режима запирания и создала вычислительная программа G001. При расчете используются коэффици-; 1 ; енты потерь во всем диапазоне характеристики по рекомендациям Б. Эккерта, В.Ф. Риса, Г.Н. Дена, Ю.Б. Галеркина, И.А. Локшина, А.А. Никитина и др. Потери на трение дисков и перетекание в полуоткрытых РК приняты из результатов собственных исследований. Сравнение

I 177 расчета и эксперимента показывает возможность использования такой методики для проектировочного расчета базовых ступеней и для оценки снижения напора и КПД при их модификации.

В результате анализа областей работы МЦК и расчетов проточной части по программе в001 выбраны 4 базовые ступени с исходными Ф0=0,15-0,12-0,09-0,04, три из которых имеют полуоткрытые РК с ос<2л&ными и одно- с цилиндрическими лопатками. Получены их оптимальные геометрические параметры. Модификация базовых ступеней на другие значения Ф0 осуществлена методом подрезки периферии лопаток РК и соответствующего уменьшения ширины ЛД при упомянутом условии согласования работы всех элементов ступени.

5. В связи с приближенностью расчетной методики в001 определены возможности использования методов доводки и согласования работы ступеней МЦК. Наиболее простыми являются методы воздействия на поток направляющими аппаратами перед РК и поворотными ЛД за РК. Закруткой потока по вращению РК можно снизить Ф0 На 25-30% при падении напора на 3% и КПД до 8%. Более заметное снижение Ф0 (до 50%) с некоторым ростом напора и меньшем падении КПД обеспечивается снижением угла установки лопаток ЛД ал3. Изменение ширины Ь3 ЛД, при неизменных а2 и Ь2, обеспечивает сдвиг характеристик по расходу без существенного изменения напора и КПД.

6. На основе расчетного анализа и экспериментальных исследований модельных ступеней на воде и натурных на воздухе разработаны методы расчета осевых газодинамических сил, потерь на трение диска и перетекание в полуоткрытых РК. Учтено влияние величины и направления утечки около гладкого диска, зазора между корпусом и лопатками РК, угла лопатки на выходе РК Рл2, закрутки потока за РК, числа Ми и коэффициента расхода ступени Ф0. Получены обобщающие диаграммы и формулы для расчета | потерь на перетекание в более широком, в отличие от КАИ и ЦИАМ, интервале изменения Фо=0,004 ^ 0,20, что соответствуют полуоткрытым РК радиального, осерадиального и диагонального типов. С уменьшением (Зл2 при одинаковых Ф0 (при Ф0=0,004 0,12) потери на перетекание снижаются. ;

7. Экспериментально определено влияние зазора 52 между лопатками и корпусом на характеристики ступени с Рл2=65°, Ь2/02=0,05 при работе с ЛД и БЛД. В случае ЛД интенсивность обратного течения из ЛД в РК уменьшается, что приводит к менее заметному падению КПД и напора с ростом 52. Оптимальным зазором с точки зрения потерь является 82/Ь2=0,03-ь 0,05. На основе опытной зависимости снижения КПД и теоретического напора от б2/Ь2 создана методика прогнозирования характеристик при изменении 62/Ь2.

8. Создан типовой ВРА для МЦК, позволяющий увеличить на 14-15"% диапазон характеристики и КПД на границах на 10-12% для ступеней с Ф0Ю,07 + 0,15 на нерасчетных режимах по сравнению с регулированием дросселем. В результате продувок ВРА определены потери, углы отставания и раскрутки потока на участке от ВРА до РК. Разработан метод и алгоритм расчета регулировочных характеристик ступеней, учитывающий характеристики ВРА и особенности геометрии проточной части МЦК. г 1

9. Созданы и внедрены в ОАО "Казанькомпрессормаш" три унифицирован! I ных ряда МЦК исполнения АЭРОКОМ, охватывающих поле тск=1,6-ь50 и Ун=30-ь 800 м3/мин, имеющих единую систему унифицированных базовых ступеней сжатия и ВРА, мультипликаторов, охладителей газа и систем автоматизации.

Сравнение базовых представителей ряда с лучшими зарубежными образцами по основным удельным показателям и изотермическому КПД подтверждает современный уровень МЦК, созданных в ЗАО "НИИ турбокомпрессор" и ОАО "Казанькомпрессормаш".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петросян, Григорий Григорьевич, 2000 год

1. Современное состояние и направление развития мультипликаторных центробежных компрессоров. Патентный поиск и анализ отечественных и зарубежных изобретений. Отчет АО НТК, № 2938-90, тема № 90-119, том I, рук. темы Петросян Г.Г., Казань, 1990, с. 11-33.

2. Петросян Г.Г., Коханов С.Г., Муртазин Р.Ф. Разработка и производство центробежных мультипликаторных компрессоров. Компрессорная техника и пневматика, вып. 3-4 (12-13), 1996, с. 89-94.

3. Петросян Г.Г. Многовальные мультипликаторные центробежные компрессоры. Информационный обзор за 1977-1998 г.г., АО НТК, Казань, 1998, 14 с.

4. Ю.Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. и др. Теория и расчет турбокомпрессоров. Второе издание, переработанное и дополненное. Л.: Машиностроение, 1986,392 с.

5. И.Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Третье издание, переработанное и дополненное. JL: Машиностроение, 1981, 352 с.

6. Лившиц С.П. Аэродинамика центробежных компрессорных машин. М.: Машиностроение, 1966, 340 с.

7. Капелькин Д.А. Исследование диффузоров холодильных центробежных 'компрессоров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени ^кандидата технических наук. Л: ЛТИХП, 1976, 24 с.

8. Никитин A.A., Цукерман C.B. Расчет потерь в выходном устройстве центробежного компрессора. Энергомашиностроение, 1970, № 6, с. 17-19.

9. Ден Г.Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров. Термогазодинамические расчеты. Л.: Машиностроение, 1980, 232 с.

10. Экспериментальное исследование ступени с пространственным колесом в области повышенных чисел Маха и выдача рекомендаций. Отчет СКБК № 1486/81; рук. темы Мустафин Н.Г., Казань, 1981. 101 с.

11. Столярский М.Т., Лысюк В.И. Исследование и отработка ступеней с осе-радиальными колесами для стационарных центробежных компрессоров и нагнетателей. Труды ЦКТИ, 1990, № 261, с. 116-126.

12. Страхович К.И. Центробежные компрессорные машины. М.: Л.: Машгиз, 1940,401 с.

13. Ден Г.Н. Механика потока в центробежных машинах. Л.: Машиностроение, 1973, 272 с.

14. Селезнев К.П., Петросян Г.Г., Шишкин В.А., Зыков В.И. Повышение эффективности МЦК при работе на нерасч. режимах. Сб. трудов ВНИИ ХОЛОДМАША, Москва, 1986, с. 96-102.

15. Разработка проточной части унифицированных центробежных компрессорных ступеней консольного типа. Оптимизация размеров и форм. Отчет АО НТК № 2937-90, Казань, 1990, 126 с.

16. Евгеньев С.С. Разгрузка осевых сил с целью повышения надежности тур-бомашин. Труды Междунар. Симпозиума "Потребители-производители компрессоров и компр. оборудования", 23-27 мая 1994, С.Петербург, СПбГТУ, 1994, с. 67-79.

17. Патент № 96117154/06. Регулируемый диффузор ЦК / Авт. патента Петросян Г.Г., Коханов С.Г., Муртазин Р.Ф., Старцев В.В. Опубл. 27.05.98, Бюл. № 15.

18. Шнепп В.Б., Петросян Г.Г. и др. Разработка и экспериментальное исследование нового центробежного компрессора общего назначения. В кн.: Проектирование и исследование компрессорных машин. Сб. науч. трудов. КХТИ, СКБК, Казань, 1982, с. 118-127.

19. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры. Л., Машиностроение, 1982, 271 с.

20. Стрижак Л.Я. Термогазодинамические основы проектирования центробежных компрессоров высокого и сверхвысокого давления. Автореферат дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. СПбГТУ, 1995, 31 с.

21. A.c. 785555. Выходное устройство ЦК / Авт. изобр. Петросян Г.Г., Коха-нов С.Г. Опубл. 07.12.80, Бюл. № 45.

22. Ъ%А.с. 1055901. Выходное устройство ЦК / Авт. изобр. Петросян Г.Г., Коха-нов С.Г. Опубл. 23.11.83, Бюл. № 43.

23. A.c. 1366723. Выходное устройство ЦК / Авт. изобр. Петросян Г.Г., Коха: нов С.Г.-Опубл. 15.01.88, Бюл. №2.

24. А.С. 1401161. Выходное устройство ЦК / Авт. изобр. Петросян Г.Г., Коха-нов С.Г. Опубл. 07.06.88, Бюл. № 21.

25. Шнепп В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. М.: Машиностроение, 1995, 240 с.

26. Евгеньев С.С. Разгрузка осевых сил с целью повышения надежности тур-бомашин. Химическое и нефтяное машиностроение, 1995, № 11, 15-21 с.

27. Епифанова В.И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального типа. М.: Машиностроение, 1984, 375 с.

28. Байбиков A.C., Караханьян В.К. Гидродинамика вспомогательных трактов лопастных машин. М.: Машиностроение, 1982, 112 с.

29. Галеркин Ю.Б., Рекстин Ф.С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. Л.: Машиностроение, 1969, 303 с.

30. Виноградов Б.С., Красильников В.А., Алем^сова H.A., Новиков, А.Л. Исследование рабочего процесса и характеристик центробежных компрессоров. Тр. КАИ / Казанский авиационн. ин-т, 1960, № 56, 157 с.

31. Г.Афанасьев Д.М., Ледовская H.H., Огарко Н.И., Орехов И.К. Экспериментально-расчетное исследование структуры потока в периферийном сечении рабочего колеса центробежного компрессора. Компрессорная техника и пневматика, 1996, Вып. 1-2, с. 18-22.

32. A.c. 1255896. Устройство для исследования сопротивления вращению : диска турбомашины / Авт. изобр. Евгеньев С.С., Шнепп В.Б., Цукерман I С.В., Хадиев М.Б. Опубл. 1986, Бюл. № 33.

33. Евгеньев С.С., Петросян Г.Г. и др. Турбодетандерный агрегат для газопереработки. Газовые турбины. Материалы международного семинара, Ка-1 зань, НИ AT, 1990, с. 185-191.

34. Чистяков Ф.М., Игнатенко В.В. и др. Центробежные компрессорные машины. М.: Машиностроение, 1969, с. 327.

35. Сальников B.C. К расчету осесимметричного потока газа в турбомашинах. Лопаточные машины и струйные аппараты: Сб. статей. Вып. 6. М.: Машиностроение, 1972.

36. Baghdadi С. Compressors for advanced turboshaft engines. Journal of the American Helicopter Society. 1987, Vol. 32, № 3, p. 67-70.

37. Шерстюк A.H., Зайченко Е.Н.и др. Влияние зазора между лопатками колеса и корпусом на характеристики нагнетателя автомобильного турбокомпрессора. Труды НАМИ. № 43, 1961.

38. Сенно Я., Исида М. Ухудшение характеристик компрессора, обусловленное концевым зазором лопаток центробежных рабочих колес. Тр. Амер. об-ва инж.-мех.: Энергетические машины и установки, 1988, № 1, с. 100107.

39. Гатауллин H.A., Горюнов Л.В., Ржавин Ю.А. Влияние конструктивных параметров на эффективность ЦБК малоразмерных ТКР. КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, Ьрепринт 98П7, 1998, 40 с.

40. Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры. М.: Машгиз, 1959, 678 с.

41. Васильев В.П., Щеколдин A.B. и др. Исследование влияния осевого зазора на характеристики центробежного компрессора. Теплоэнергетика, 1969, № 3, с. 69-72.

42. Ржавин Ю.А. Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. М.:.Изд-во МАИ, 1995, с 343.

43. Ден Г.Н., Соловьев В.Г. Некоторые результаты исследований проточных частей ЦКМ с входными регулирующими аппаратами. Энергомашиностроение, 1971, № 7, с. 19-23. •

44. Шишкин В.М., Петросян Г.Г., Шапиро Е.Д. Исследование двухсекционного центробежного модуля с входными регулирующими аппаратами. Тезисы докладов XII ВНТК по компрессоростроению, Казань, 1985, с. 113-121.

45. A.c. 1084470. Входной направляющий аппарат турбомашины / Авт. изобр. Сафин А.Х., Шишкин В.М. Опубл. 1983, Бюл. № 13.

46. Расчет обтекания дозвуковым потоком решеток профилей турбомашин на произвольных осесимметричных поверхностях тока. РТМ-108.020.110-77. Л., НПОЦКТИ, 1977, 20 с.

47. Мифтахов A.A., Зыков В.И. Входные и выходные устройства центробежных компрессоров. Учебное пособие. Казань, "Фэн", 1996, 198 с.

48. Бухарин H.H. Моделирование характеристик центробежных компрессоров. Л.: Машиностроение, 1983, 204 с.

49. Сальников B.C., Вячкилев O.A., Алгоритм расчета осесимметричного потока в каналах турбомашин. Деп. в ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М.: № 709,4.01.81,32 с.

50. Патент № 2109172. Центробежный компрессор / Авт. патента Петросян Г.Г., Муртазин Р.Ф., Закиев Ф.К., Сагитов P.A., Коханов С.Г. Опубл. 20.04.98, Бюл. № 11.

51. Патент № 2062362. Многоступенчатый центробежный компрессор / Авт. патента Петросян Г.Г., Ильин А.Л., Коханов С.Г. и др. Опубл. 20.06.96, Бюл. № 17.

52. Разработка радиальных подшипников скольжения компрессора 32ВЦ-100/9. Отчет АО НТК, № 2799-89, тема № 88-124, рук. темы Можа-;новВ.В., Казань, 1989, 32 с.

53. Экспериментальное исследование упорных гребней косозубых передач мультипликаторов центробежных компрессоров. Отчет АО НТК, № 373798, отв. исп. Горшенин К.И., Казань, 1998, 24 с.

54. А.с. 702763. Многоступенчатый центробежный компрессор / Авт. изобр. Петросян Г.Г., Сафиуллин А.Г., Шнепп В.Б., Гильмутдинов Ф.Г., Коханов С.Г.-Опубл. 1983, Бюл. №2.

55. Экспериментальное исследование теплообменных труб для ЦК общего назначения с оребрением из проволочной сетки и составным ленточным оребрением. Отчет СКБК, № 2230-85, тема ОТМ 11-32, отв. исп. Исмаги-ловР.Р., Казань, 1985, 42 с.186

56. Экспериментальное исследование ступеней многовальных ЦК общего назначения со встроенными холодильниками и выдача рекомендаций. Отчет СКБК, № 1394-80, тема№ 79-5, рук. темы Петросян Г.Г., исп. Шишкин В.М., Казань, 1980, 224 с.

57. A.c. 12324. Центробежная компрессорная установка, промышл. образец / Авт. изобр. Петросян Г.Г., Сафиуллин А.Г., Шнепп В.Б. и др. Опубл. 25.08.80, Бюл. Ks 3.