книги / Центробежные компрессоры

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие ведущих отраслей народного хозяйства (химии и нефтехимии, добычи нефти и газа, металлургии, трубопроводного транспорта и др.) приводит к постоянному росту потребности в центробежных компрессорах промышленного назначения (ПЦК). Большая энергоемкость рабочего процесса и значительный объем производства ПЦК выдвигают высокие требования к их к. п. д., материалоемкости и трудоемкости производства. Являясь важной частью ряда технологических линий, компрессорная установка должна иметь большой ресурс и обладать высокой надежностью, особенно когда значительная мощность исключает использо­ вание резерва.

Все основные свойства центробежных компрессоров связаны с формой и размерами проточной части (ПЧ). Постоянное рас­ ширение области применения ПЦК по производительности и да­ влениям, рабочим средам делают их ПЧ весьма разнообразными. Дополнительное разнообразие связано с рядом возможных кон­ структивных решений: многовальные ПЦК, ПЦК со встроенными охладителями и т. п. В связи с обычно небольшой серийностью ПЦК этап разработки новых машин приобретает особо важное значение и обычно включает экспериментальную проверку и до­ водку машин — натурных или их моделей. Длительность и сто­ имость экспериментов, вероятность получения высокого к. п. д. и обеспечения других важных качеств определяются совершен­ ством методов расчета и проектирования.

Поскольку строгое аналитическое описание рабочего процесса в настоящее время невозможно, методы расчета и проектирования базируются на экспериментальных данных, обобщенных в той или иной степени. Широкие исследования ряда отечественных и зару­ бежных организаций существенно расширили представление о ха­ рактере и особенностях рабочего процесса.

Развитие вычислительной техники позволяет использовать для решения инженерных задач более сложные методы расчета, чем использовавшиеся ранее. Тем не менее в отечественной и за­ рубежной литературе развиваются методы расчета и проектиро­ вания, базирующиеся почти исключительно на одномерной схеме течения. Многолетние исследования, проведенные авторами и под их руководством на кафедре и в проблемной лаборатории компрес-

двухмерной и квазитрехмернои схем течения для создания ин­ женерных методов расчета и проектирования. Методы предусма­ тривают широкое использование решений прямой и обратной задачи гидродинамики для невязкого и вязкого газа. Предста­ вленные в книге расчеты обтеканий получены с помощью методов, реализованных авторами работ [29; 80].

Книга рассчитана на читателей, знакомых с основами рабочего процесса турбомашин и устройством ПЦКОсобенности и резуль­ таты исследования рабочего процесса центробежных компрессо­ ров представлены в объеме, необходимом для обоснования поло­ женных в основу методов расчета физических схем течения. Изло­ жение методов расчета и представленные обобщенные опытные данные позволяют проводить непосредственные расчеты или раз­ рабатывать программы для ЭВМ. Характеристики и основные параметры типовых ступеней конструкции ЛПИ, разработанных с использованием изложенных методов, представленные в при­ ложении, позволяют проектировать высокоэффективные проточ­ ные части ПЦК различного назначения. Обобщение обширного экспериментального материала на базе детализированной схема­ тизации течения позволило создать инженерный метод расчета потерь в произвольной ПЧ (так называемые математические мо­ дели), впервые описываемый в литературе. В книге изложены вопросы нестационарное™ течения в ПЦК, связанные с пробле­ мами динамической прочности.

В работе над рукописью авторам помогали сотрудники ка­ федры компрессоростроения и участники работ, проводимых сов­ местно с другими организациями: пп. 1.5 и 6.3 написаны авторами совместно с доц. А. Г. Никифоровым (Смоленский филиал МЭИ), п. 2.3 — со ст. науч. сотр. В. П. Митрофановым при участии канд.

Авторы использовали значительное количество материалов экспериментальных и теоретических исследований, полученных совместно с инж. В. И. Зараевым и зав. лабораторией В. С. Се­ региным, которым авторы приносят глубокую благодарность.

а — скорость звука, размер канала по нормали к средней линии на ОПТ; ВТР — условный коэффициент потерь трения диска; b— высота лопатки, ширина канала в МП (размер по нормали к средней линии в МП); С — абсолютная ско­ рость на границе пограничного слоя; с — абсолютная скорость (скорость потока в неподвижной системе координат), с — отношение средних (местных при наличии соответствующего подстрочного индекса) абсолютных скоростей в конце и начале элемента ПЧ; с/, сп, с/г — составляющие абсолютной скорости в пограничном слое — по касательной к поверхности в направлении основного потока, перпен­ дикулярная к поверхности, перпендикулярная к двум первым (скорость вторич­ ного течения); сш cw> cwp — коэффициенты соответственно подъемной силы, силы сопротивления и силы профильного сопротивления; D, dr — диаметр, гидравли­

ческий диаметр; F — площадь, удельная массовая сила; F — символическое обозначение формы ПЧ; / — сечение канала, функция; g — ускорение свободного падения; Н — напор (удельная работа) соответственно для группы ступеней (компрессора); h — напор ступени или ее элемента, высота лопатки по ее средней поверхности; i — угол атаки, энтальпия; inc — угол атаки с учетом перестройки потока; Кп — отношение диаметров на входе в РК ПЦК; KF — отношение площадей на входе в РК ПЦК; /Оу — коэффициент внутренней мощности; Кп — безразмерное число оборотов, k — показатель изоэнтропы; Кш — относительная

и скорости звука в сечении н—н; т — проекция линии тока на меридиональную плоскость; т — массовая производительность, массовый расход; N — мощность; п — показатель политропы, частота вращения; Р — сила; р — давление; R — газовая постоянная, радиус кривизны поверхности, траектории; R ^ , Rs/ — критерии дестабилизации и стабилизации пограничного слоя при течении со сдвигом; г — радиус, радиальное направление; s — зазор; Т — абсолютная температура; t — шаг решетки; q — подведенная (отведенная) теплота, отнесен­ ная к единице массы газа; и — окружная скорость, окружное направление;

U — смоченный периметр; V — объем; V — объемная производительность; v — удельный объем; W — относительная скорость на границе пограничного слоя;

W — символическое обозначение распределения скоростей невязкого потока; w — относительная скорость (скорость потока в системе координат, вращающейся с ротором); w — отношение средних (местных при наличии соответствующего подстрочного индекса) относительных скоростей в конце и начале элемента ПЧ; wu Щи Wh — составляющие относительной скорости в пограничном слое — по касательной к поверхности в направлении основного потока, перпендикулярная к поверхности, перпендикулярная к двум первым (скорость вторичного течения); z — ось ротора, число лопаток, число гребней лабиринтного уплотнения; а — угол между с и и а л — угол между касательной к средней линии неподвижных лопаток и u; Р - угол между w и обратным направлением и; рл — угол между касательной к средней линии лопаток РК и обратным направлением и; рПс — угол натекания на лопатки колеса с учетом перестройки пото"~* РПР — коэффи­

X — коэффициент трения, безразмерная скорость; р, — коэффициент уменьшения теоретического напора, коэффициент расхода уплотнения, динамическая вяз­ кость; V — угол раскрытия диффузора, кинематическая вязкость; g — коэффи­ циент восстановления (динамического напора); я — степень повышения давления; р — плотность; т — касательное напряжение, коэффициент стеснения потока лопатками, время; Ф — условный коэффициент расхода; ср — коэффициент рас­ хода; х — угол между образующей лопатки и МП; ф — коэффициент напора, функция тока; Q — степень реактивности колеса; (о — угловая скорость.

Сокращения

БЛД — безлопаточный диффузор; ВНА — вращающийся направляющий аппарат РК типа «радиальная звезда»; ВП — входной патрубок; ВУ — выход­ ное устройство; КК — кольцевое колено на выходе из ОНА; ЛД — лопаточный диффузор; ЛР — лопаточная решетка; ММ — математическая модель; МП — меридиональная плоскость; НА — направляющий аппарат; НЭ — неподвижный элемент; ОД — основной диск; ОНА — обратно-направляющий аппарат; ОПТ — осесимметричная поверхность тока; ПД — покрывающий диск; ПК — поворот­ ное колено; ПЧ — проточная часть; ПЦК — промышленный центробежный компрессор; РК — рабочее колесо; ЦКОН — центробежный компрессор общего назначения.

Индексы подстрочные

О, 1, 2, 3, . . — порядковые номера характерных сечений проточной части, коэффициентов или параметров; оо — на бесконечном расстоянии от решетки профилей, при бесконечном числе лопаток; ад — адиабатный; вт — втулочный, вторичный (о потерях); д — динамический (о напоре), диффузор, диск, центр давления; з — задняя сторона лопатки; ид — идеальный; к — конечный; кр — критический, кромочный; н — начальный; нач — начальный участок БЛД; опт — оптимальный; отр — отрыв; п — передняя сторона лопатки, политропный, подрезка лопаток; пр — протечки; р — расчетный; см — смешения (о по­ терях); ср — средний; ст — стенка; т — теоретический (напор); тр — трения (о потерях); уд — ударный (о потерях); э — эквивалентный; экс — эксперимен­ тальный; h — основной диск колеса, сторона давления в криволинейном канале;

отнесенный к г2, скорость, отнесенная к и2\ * — заторможенные параметры (кроме Ô* — толщины вытеснения).

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ Глава 1 РАСЧЕТА ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ

1.1. Основные элементы проточной части. Действительный характер течения

и его схематизация

Расширение диапазона параметров и области применения центробежных компрессоров сделали их конструкцию и форму проточной части весьма разнообразными. Однако для машин промышленного назначения (исключая ЦКОН) наиболее распро­ страненной остается одновальная многоступенчатая схема с от­ водами газа в промежуточные охладители или без них.

Проточная часть состоит из промежуточных и концевых сту­ пеней, входных патрубков. Ступени состоят из отдельных элемен­ тов различного назначения. Элементы ограничиваются услов­ ными, так называемыми контрольными, сечениями. При газо­ динамических расчетах в этих сечениях определяются параметры газового потока (прямая задача гидрогазодинамики) или по за­ данным параметрам потока определяются размеры элементов ПЧ (обратная задача). При экспериментах в контрольных сечениях располагают приборы (приемники давления, температуры и т. п.). На рис. 1.1 показаны элементы промежуточной ступени и огра­ ничивающие их контрольные сечения. Радиальное сечение 0—О соответствует входу в рабочее колесо и при газодинамических расчетах совпадает с входным отверстием покрывающего диска. Показанное на рис. 1.1 сечение 0—0 несколько вынесено вперед по потоку, как это делают при экспериментах, когда в сечении нужно расположить аэродинамические приборы. Цилиндрическое сечение 1— 1 соответствует началу лопаток РК. Соответствующий радиус гг считается радиусом входа потока на лопатки колеса. Цилиндрическое сечение 2—2 совпадает с выходными кромками лопаток. Цилиндрические сечения 3—3 и 4—4 соответствуют входу и выходу потока в ЛД, а сечения 5—5 и 6—6—в лопаточ­ ную решетку ОНА. Радиальное сечение 0'—0' считается сечением выхода из промежуточной ступени. При измерении параметров потока на выходе из РК, т. е. на входе в диффузор, приборы рас­ полагают в сечении 2'—2 \ несколько удаленном от сечения 2—2. Вся проточная часть компрессора (или секции) ограничена началь­

ОНА имеет выходное устройство в виде улитки или сборной ка­ меры. Входной патрубок рассматривается как самостоятельный элемент проточной части

В зависимости от особенностей назначения и конструкции компрессоров применяются разные варианты исполнения элемен­

радиальных пластин, и вращающегося направляющего аппарата (ВНА) в осевой части, широко применяются в транспортных компрессорах (рис. 13). Их применение в промышленных ком-

Рис 1 2 Основные размеры проточной части РК ПЦК

прессорах в ряде случаев дает значительный эффект. В послед­ ние годы начали все шире применяться высокорасходные осе­ радиальные колеса с пространственными лопатками по всей их длине, а не только в осевой части, как у колес с радиальной звез­ дой. Эти колеса чаще закрытые, а выходной угол лопаток может быть меньше, равен или больше 90° Существуют разновидности этих основных типов например, закрытое колесо с лопатками

пространственной формы в радиальной части; закрытое колесо типа радиальной звезды с ВНА.

Диффузор служит для преобразования динамического напора, создаваемого колесом, в статический. В промышленных компрес­ сорах применяются обычно лопаточные или целиком безлопаточные диффузоры БЛД (по очевидным соображениям, лопаточному диффузору ЛД предшествует безлопаточный участок большей или меньшей протяженности — сечения 2—2 и 3—5, см. рис. 1.1); они обычно образованы параллельными стенками корпуса с рас­

h

с-с

Рис 1 3 Схема полуот­ крытого РК типа ради­ альной звезды с враща­ ющимся направляющим аппаратом

стоянием между ними, равным ширине колеса Ъг или несколько большим его. В некоторых случаях меридиональное профилиро­ вание диффузора способствует повышению к. п. д.

Наиболее распространены однорядные одноярусные решетки ЛД, образованные аэродинамическими профилями. Расширению зоны работы способствует применение двухьярусных и двухряд­ ных ЛД (в принципе возможно и большее число рядов или ярусов лопаток). Применявшиеся одно время в отечественной практике ступени «насосного» типа, состоящие из РК, имеющих выходной угол лопаток (Зл2 = 20—25°, неподвижных элементов с небольшим числом канальных прямоосных диффузоров (четыре — шесть штук) и соответствующих канальных ОНА, не получили дальнейшего распространения и ниже не рассматриваются. Низконапорные колеса с = 20-ь-25о применяются теперь с обычными ЛД или БЛД.|Разнообразные канальные конструкции диффузоров в настоя­ щее время характерны для высоконапорных транспортных ступеней.

В ПЦК применяются другие разновидности диффузоров. Для примера на рис. 1.4 показана ступень с вращающимся БЛД, образованным^развитыми основным и покрывающим дисками.