автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Основы совершенствования методов проектирования и унификации центробежных компрессоров различного назначения

На правах рукописи

7-

Юн Владимир Климентьевич

ОСНОВЫ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УНИФИКАЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность: 05.04.06 - «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

1 9 АПРИП2

Санкт-Петербург - 2012 г.

005018109

005018109

Работа выполнена на предприятии ЗАО «Институт энергетического машиностроения и электротехники» (бывш. НИКТИТ), г. Санкт-Петербург.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Зуев Анатолий Васильевич

Евгеиьев Станислав Сергеевич

Жарковский Александр Аркадьевич

Соломахова Татьяна Степановна

Ведущая организация: ЗАО «НИИтурбокомпрессор», г Казань

Защита состоится «22» мая 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.09 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 в аудитории 225 Главного здания.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « » 2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.229.09 доктор технических наук, профессор

Хрусталёв Б.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. За восемьдесят лет турбокомпрессоростроения на Невском заводе были спроектированы и изготовлены более 300 типов центробежных компрессоров различного назначения. Одним из основных потребителей центробежных компрессоров является ОАО «Газпром», который эксплуатирует центробежные нагнетатели на компрессорных станциях магистральных газопроводов. В металлургии центробежные компрессоры и нагнетатели применяются для подачи воздуха в печи и конверторы. На предприятиях химических производств используются десятки типов центробежных компрессоров, сжимающих различные газы и газовые смеси. В настоящее время эксплуатируются более 10000 центробежных компрессоров Невского завода. Большое разнообразие типов компрессоров осложняет и удорожает технологический процесс изготовления. Недостаточный уровень стандартизации, унификации и взаимозаменяемости узлов и деталей не позволял в короткие сроки обеспечивать потребителей компрессоров различного назначения. Поэтому необходимо было определить пути сокращения многообразия размеров проточных частей центробежных компрессоров. Внедрение широкой унификации позволил сократить сроки изготовления компрессоров в большом диапазоне их параметров и снизить затраты на их создание и производство.

В настоящее время существуют сложности в проектировании новых центробежных компрессоров. Полученные на Невском заводе результаты исследований центробежных компрессоров распространялись на определенные типы машин и позволяли предварительно оценивать эффективность проточных частей только на ранней стадии проектирования. Непрерывное изменение параметров и ужесточение требований к повышению КПД проточных частей вызывает необходимость корректировки и уточнения существующих подходов и методов проектирования машин.

Особенностью создания центробежных компрессоров высокого давления, является необходимость учета реальное™ сжимаемого газа, который по своим

термодинамическим свойствам отличается от совершенного газа. Поэтому вместо уравнения состояния совершенного газа следует использовать уравнение состояния реального газа или газовой смеси. Вследствие этого возникает необходимость в корректировке методов расчета термодинамических и калорических параметров реального газа в зависимости от области применения компрессоров. Для аналитического описания экспериментальных данных в широкой области параметров применяют различные эмпирические уравнения состояния. Число уравнений состояния реального газа, предлагавшихся в разное время и различными авторами, чрезвычайно велико. Однако, вопрос о пригодности предложенных уравнении состояния реальных газов применительно к процессам в центробежных компрессорах среднего и высокого давлений остается открытым.

Таким образом, совершенствование методов проектирования и унификации центробежных компрессоров является важной и актуальной проблемой.

Цель работы - совершенствование методов проектирования проточных частей на основе анализа систематизированных опытных данных характеристик проточных частей и разработка методов унификации центробежных компрессоров Невского завода.

Задачи работы:

- систематизация и анализ опытных данных проточных частей центробежных компрессоров Невского завода;

- разработка методов расчёта термодинамических и калорических параметров газов в характерных областях на их термодинамических диаграммах;

- разработка более совершенного метода проектирования проточных частей на основе существующих аэродинамических и конструктивных схем;

- разработка метода унификации центробежных компрессоров Невского завода;

- реализация разработанных методов и технических решений на практике при создании высокоэффективных нагнетателей природного газа и центробежных компрессоров различного назначения.

Научная новизна. В процессе решения поставленной проблемы получены новые научные результаты:

обобщен и проанализирован экспериментальный материал аэродинамических схем центробежных компрессоров. Показано, что резерв повышения эффективности может быть реализован за счет выбора оптимальных типов ступеней центробежных компрессоров;

- разработаны универсальные термодинамические диаграммы для веществ, (как для чистых однокомпонентных веществ, так и для их смесей), находящихся в газообразном состоянии. На основании анализа показано, что вся область газообразного состояния может быть разделена на четыре характерные зоны, в которых уравнение состояния и калорические уравнения представляются в различных видах;

- разработан метод термогазодинамического расчёта проточных частей с помощью модифицированного уравнения состояния Ли и Кеслера, базирующегося на приведенных температурах и давлениях с применением фактора ацентричности;

- обоснованы и развиты методы определения показателя степени при политропном процессе сжатия, позволяющие решать задачи моделирования характеристик проточных частей при пересчете на иные условия работы;

- усовершенствован метод проектирования центробежных компрессоров на основе аэродинамических и конструктивных схем с учетом эмпирических зависимостей, полученных при численных и экспериментальных исследованиях элементов проточных частей;

обоснована пригодность предложенного метода унификации центробежных компрессоров путем стандартизации корпусов и элементов проточной части на Невском заводе;

обобщен метод термогазодинамического расчёта сухих газодинамических уплотнений различных типов, учитывающих реальность газа и его теплофизические свойства.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

В результате проведенных исследований получен метод проектирования высокоэффективных центробежных компрессоров на базе аэродинамических и конструктивных схем проточных частей с использованием усовершенствованных термогазодинамических расчётов процессов сжатия и уточненных коэффициентов потерь в элементах проточной части.

Разработанный метод был использован при проектировании центробежных компрессоров различного назначения, как для одноступенчатых, так и для многоступенчатых проточных частей.

Получен ряд унифицированных модельных ступеней, предназначенных для создания высокорасходных и низконапорных нагнетателей природного газа.

Создай банк характеристик аэродинамических схем, позволяющий оперативно получить необходимую информацию.

Разработаны алгоритмы и программы для расчёта характеристик центробежных компрессоров.

Разработана система обеспечения буферного и барьерного газов для сухих газодинамических уплотнений.

На основе разработанного метода унификации центробежных компрессоров созданы и внедрены в серийное производство унифицированные электроприводные нагнетатели природного газа мощностью 4.0 и 6.3 МВт, а также нагнетатели природного газа с газотурбинным приводом мощностью 32 МВт для магистральных газопроводов Бованенково-Ухта («Северный поток»).

Создан и внедрен опытный образец многоступенчатого центробежного компрессора попутного нефтяного газа мощностью 6,3 МВт.

Экономический эффект от внедрения результатов работы за счёт повышения эффективности и сокращения сроков создания и освоения

унифицированных центробежных компрессоров, изготовленных с 2007 по 2011 годы, составил более 2,7 млрд. рублей.

Достоверность научных положений и практических результатов определяются усовершенствованным методом проектирования, детально учитывающим особенности процессов сжатия в центробежных компрессорах; обширными экспериментальными исследованиями модельных ступеней и натурных компрессоров, подтвердившими адекватность предложенного метода проектирования проточных частей центробежных компрессоров.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на двенадцатом (Санкт-Петербург, 2006), четырнадцатом (Санкт-Петербург, 2008), пятнадцатом (Санкт-Петербург, 2010), шестнадцатом (Санкт-Петербург, 2011) Международных симпозиумах «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования», на тринадцатой (Сумы, 2004), четырнадцатой (Казань, 2007) и пятнадцатой (Казань, 2011) Международных научно-технических конференциях по компрессорной технике, на третьей Международной конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (Москва, 2009).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 25 работ. Основные результаты опубликованы в научно-технических журналах «Компрессорная техника и пневматика», «Турбины и компрессоры», в Трудах Международной конференции по компрессоростроению, в Трудах Международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования», в Сборнике научных трудов «Проектирование и исследование компрессорных машин», в Трудах III Международной конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее».

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа изложена на 441 страницах, содержит 188 рисунков, 65 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и значимость направления исследования, формулируется цель работы, дается её краткое содержание, излагаются основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, на основе представленного обзора исследовательских работ на НЗЛ и опытных данных выпускаемых заводом центробежных компрессоров, анализируются, разрабатываются и классифицируются аэродинамические схемы одно-, двух- и многоступенчатых проточных частей.

Результаты многолетних исследований были обобщены в работах крупных отечественных ученых в области турбокомпрессоростроения К. И. Сграховича, В. Ф. Риса, К. П. Селезнева, В. Б. Шнеппа, Г. Н. Дена, Ю. Б. Галеркина, Г. А. Раера, по рекомендациям которых в настоящее время ведется создание новых центробежных компрессоров. Известный как метод НЗЛ, метод проектирования центробежных компрессоров был разработан в конце 30-х годах В. Ф. Рисом. Положения этого метода учитывают также результаты научных исследований невских машиностроителей: Б. Л. Гунбина,

A. Н. Шершневой, В. Е. Евдокимова, В. И. Дальского, Д. М. Бавельского,

B. Г. Соловьева и других. Большой вклад в развитие методов проектирования, в исследование рабочих процессов и создание центробежных компрессоров сделан представителями предприятий и организаций г. Казани: И. Г. Хисамеевым, С. С. Евгеньевым, В. А. Максимовым, А. А. Мифтаховым, Г. С. Баткисом, А. М. Галеевым и другими, представителями кафедры КВХТ СПбГПУ: А. В. Зуевым, Р. А. Измайловым, А. М. Симоновым, Л. Я. Стрижаком и другими, представителями научных организаций г. Москвы: Т. С. Соломаховой, И. Я. Сухомлиновым и другими.

Для определения границы применимости методов проектирования проточной части разработана и предложена система классификации аэродинамических схем существующих машин НЗЛ. Из подобранных наиболее эффективных аэродинамических схем составлен банк ступеней с оптимальными безразмерными характеристиками для разработок новых

центробежных компрессоров.

Для получения корректных зависимостей, учитывающих изменение соотношений между параметрами ступеней многоступенчатой неохлаждаемой проточной части при изменении условий работы, впервые были получены безразмерные характеристики каждой ступени, по которым могут быть подсчитаны суммарные размерные характеристики при заданных условиях работы. В качестве основных зависимостей, характеризующих работу отдельных ступеней центробежных компрессоров, были приняты зависимости коэффициента теоретического напора ф„2, коэффициента мощности х?, политропного КПД т],т„ относительных потерь на протечки и трение I1 + /I,,, + Рщ,) и коэффициента реакции колеса от коэффициента расхода фг2. Расчет характеристик ступеней производился методом последовательных приближений по предложенной методике Г. Н. Дена, учитывающий рассогласованность между ступенями. Полученные безразмерные характеристики ступеней х(АШ), чИМ?^). А^'(рУ)> и а^^1)

изображаются графически и описываются аналитическими зависимостями.

Из всех типов существующих и эксплуатирующихся центробежных компрессоров, обработаны характеристики более 800 ступеней, входящих в проточные части одноступенчатых и многоступенчатых неохлаждаемых секций, в том числе восьмиступенчатые. Предложено именовать аэродинамические схемы следующим образом: АС - аэродинамическая схема; 01 - одноступенчатая; 02 - двухступенчатая и т.д.; следующая пара цифр 01, 02 и т.д. - порядковый номер отличительных признаков.

Согласно принятым условным обозначениям, было получено 11 одноступенчатых аэродинамических схем. Например, на рисунке 1 представлена аэродинамическая схема АС-01-01 с общей характеристикой: одноступенчатая ПЧ с консольно-расположенным рабочим колесом и с осевым подводом газа, имеющая бездиффузорную грушевидную улитку.

На рисунках 2 а, б, в, г представлены безразмерные характеристики ступеней центробежных компрессоров, скомпонованные по углу выхода

9

Рисунок 1. Эскиз аэродинамической схемы АС- 01-01.

а) &2я ~ 50°. I —0-325-11; 2-0-185-11.

о.ю о.2о о.ау .д;

в; 182,-32е. 370-11-1: / - - 32"; 2 - ;3„ = 26°.

/--О - 1000-11;2-700-11-1;- 700-12-1; 4 - 700-13-1; 5- 1050-13-1.

0.00 О.Об 0.10 0.1 в (

г) &= 20°. /-0-Ю1-П; 2 О-81-П; 260-11-1: ¡~12 = 9: 4~г2 = 14.

Рисунок 2. Безразмерные характеристики проточных частей аэродинамической схемы АС-01-01.

лопаток рабочих колес В результате анализа экспериментальных

характеристик, полученных для аэродинамической схемы АС-01-01, построены оптимальные характеристики аэродинамической схемы АС-01-01, критерием выбора которых принят максимальный политропный КПД т}"™ (рисунок 3).

Для двухступенчатых проточных частей получено 9 аэродинамических схем, включающих 362 ступени и отличающиеся между собой различными исполнениями: диффузорно-улиточиой частей, диффузоров, конструктивных схем расположения рабочих колёс (односторонние и двусторонние).

Аналогично проанализированы и классифицированы неохлаждаемые секции центробежных компрессоров с большим числом ступеней. В таблице 1 представлен краткий перечень аэродинамических схем.

Проанализированы и обработаны экспериментальные данные всех типов компрессоров, выпускаемых на ЮЛ. Получено 48 аэродинамических схем: из них 11 схем - одноступенчатые, 9 схем - двухступенчатые, 4 схемы - трехступенчатые, 5 схем - четырехступенчатые, 3 схемы - пятиступенчатые, 1 схема -шестиступенчатая, 2 схемы - семиступенчатые и 1 схема - восьмиступенчатая.

Выбраны наиболее распространенные аэродинамические схемы, которые составляет банк высокоэффективных ступеней (рисунок 4). На основе проанализированных ступеней получено свыше 400 оптимальных ступеней.

| - Общее попочъачва ступеней О - Огюншхльтм- ступени

АСЛП АС-02 А С-03 АС-М АС'» АС-08 АС-0? ДОС» ЛфеМтам м«

Рисунок 3. Оптимальные характеристики аэродинамической схемы АС-01 -01.

Рисунок 4. Диаграмма аэродинамических схем.

JVa схемы Типы компрессоров Обшяя характеристика

AC-0I-01 Ü-1U1-11, 0-325-11,0-81-11.0-185-11,0-1000-11. 1250-11-1,700-11( 12.13)-1. 1050-11(12,13)-1,260-11-1, 370-11-1 Одноступенчатая с консольно-расположеппым рабочим колесом и с осевым подводом сиза, имеющая бездиффузорную гр\шевиднук> улитку

АС-01-02 0-25- П, О-100- П. (>4(XÍ-11 {12), 0-500- i 1 (Í 7). 01300-11, 0-4ÍJ5- (1,0-815-11. 200-11 -1 (2), 785-11 -1, (.10-11-1,400-12-2:280-13-1 Односгуненчатая И4 с консолыю-расподожениым рабочим колесом и с осевым подводом га!;», имеющая короткий НЛД и грушевидную улитку

АС-02-01 0-670-21; 0-670-23; 0-100-21; 0-1000-22; 0-500-21 Двухступенчатая 114, Оезлопаточные диффузоры (БЛД) и внутренняя спиральная камера. свернутая набок.

АС-02-02 (ШИ1:0-JdO-й; 0-Л7Й-22; 0-1200-2 i; 0-12ÓO-22; О-1200-23; 1200-24-1:0-1350-21:0-270-21; 0-205-21: 205-22-1: О-1000-21:0-750-21; 0-750-22 Диухегунснчагая 114. донагачные диффузоры (ЛД) и внутренняя спиральная камера, свсрн\тая на бок.

АС-03-01 K13Ü0-9I-I (3-аясцт, ИВД): КI30Ü-13J-f <3.4-сеиши): К355-Ч1-1 (4-сетшя. ИВД); К55-61-КМ) (ЦНД); k60-81(2)-l(l-c«tnna: Ш1Д): 70-31-1; К345-91-ЦЦЙД1; K345-92-I(1ШД); К420-91 -1(4-секпвя, ИВД) Трехступенчатая 114, канальные диффузоры (КД) в 1-ой и во 2-ой ступенях, 3-ступень с безднффузорной улиткой

АС-04-01 Д3350-42; Д4000-42; Д4100-3.0 Четырехступенчатая 114, безлопаточные диффузоры (БЛД), последняя ступень с ЛД со внутренней спиральной камерой

АС-07-01 47-71-1 Семиступенчатая 114. безлопаточные диффузоры (БЛД) со сборной камерой

АС-07-02 170-71-1 Семиступенчатая (14. лопаточные диффузоры (ЛД). бёзднффузорная удитка

АС-08-01 К150-271-1(5 секция, ЦВД) Восьмистуненчшая |]11, лопаточные диффузоры (ЛД) со сборной камерой

Во второй главе рассмотрены основы термодинамического расчёта

политропных процессов сжатия в характерных областях на тепловых диаграммах веществ.

Для решения вопроса о применимости общего уравнения состояния в различных областях работы центробежных компрессоров и влияния на расчёт термических и калорических параметров, а следовательно и на удельную работу сжатия, впервые разработаны универсальные термодинамические диаграммы и определены характерные области для различных газов.

Предложено использовать приближенный закон соответственных состояний и вместо параметров р, i, Т, s ввести безразмерные параметры 7Г = р/рщ i = i/iKр, г = 77ГКр, о - s/sKр, следовательно можно получить универсальную тепловую диаграмму lgp-i с нанесенными на ней правой пограничной кривой и линиями I - idem, s = idem и Z- idem. Для описания поведения газа в области, расположенной справа от пограничной кривой, а также при давлениях, превосходящих критические давления ркр, предложена одна из форм термодинамических диаграмм, в которой используются координаты (/ - ;'.;,)/(ЯГкр) - р/ркр (или lgр/ркр) (рисунок 5). На диаграмму нанесены изотермы Т= idem (или 777'кр = idem), изоэнтропы s = idem (или (S-SkpVR) и лиини Z = idem. Координата (i~ iKp)l{RTV9) выбрана неслучайно. Так как

известное полное выражение энтальпии содержит постоянную const /', которая в разных справочных данных имеет различные значения, отношение ///кр будет отличаться для одних и тех же веществ. Поэтому избавление от постоянной энтальпии const / путем разности энтальпий, поделенной на постоянную RTfp, дало возможность нанести линии Z = idem и для других веществ, тем самым подтвердить справедливос ть закона соответственных состояний.

Впервые предложено разделить на четыре области термодинамические диаграммы для веществ, находящихся в газообразном состоянии, как для чистых однокомпонентных веществ, так и для их смесей. I-область умеренных

давлений, достаточно удаленная от правой пограничной кривой, где Z ~ / и

т„ j

К ~ ¡сТс1Т -T,) = idem. Такое газообразное вещество названо «совершенным

газом». II-областъ более высоких давлений, для которой Z Z(s), где s -энтропия. Здесь вещество, согласно 13. Траупелю, названо «идеальным паром», а произведение ZT - Ту - условной температурой. Такой случай впервые рассмотрен в работах H.H. Бухарина. Ill-область еще более высоких давлений, близких и превосходящих критическое р,:р. Здесь газообразное вещество

lg (Р'Рч.) Мешан (R50)

Рисунок 5. Универсальная термодинамическая диаграмма.

является реальным газом, для которого термическое уравнение состояния F(p, р, Т) = 0 записано в форме, предложенной ранее различными авторами, например в виде уравнения Боголюбова-Майера, Битти-Бриджмена, Бенедикта-Вебба-Рубина (БВР) и т.д. IV-область реального пара вблизи правой пограничной кривой, характерной для режимов работы паровых холодильных машин. В этой области реальные рабочие вещества отличаются от свойств «идеального пара» и ведут себя не одинаково. Для таких веществ, как воздух или аммиак, отличия свойств газа от свойств «идеального пара» незначительны, и в этом случае предложено воспользоваться методом условных температур (H.H. Бухарин). У фреонов свойства веществ значительно отличаются от свойств «идеального пара», поэтому для них предложено использовать одну из форм уравнения состояния реальных газов.

Разработанные универсальные термодинамические диаграммы для различных веществ, условно разделены на группы по назначению:

1) углеводородные (метан, этан, этилен, пропан, пропилен и т.д.);

2) холодильные (RH, R12, R13, R22, R134a, R717 и т.д.); 3) воздух и его компоненты. Для каждой из групп веществ определены характерные области. Обнаружено, что у некоторых веществ (этан, пропан, пропилен, R12 и R22) II характерная область либо отсутствует, либо сильно ограничена. Следовательно, определение термических параметров газа с помощью уравнения состояния по «условной» температуре в этом случае не корректно. И, наоборот, для воздуха и его компонентов I и II характерные области - расширены. В этом случае справедливы уравнения состояния для совершенных газов.

Во всех характерных областях рассмотрены расчёты политропных процессов сжатия, представленные степенной зависимостью. Развиты методы определения показателя степени m в следующих постановках: I) задано отношение давлений « = />,.//>„; 2) задано повышение энтальпии Ы (полный напор) в процессе сжатия; 3) задан коэффициент изменения удельного объёма газа в процессе сжатия krl = pjp„; 4) заданы е и Л/.

Разработан алгори тм расчёта показателя степени m для рассмотренных

вариантов, использующийся при определении удельной работы сжатия в

Используемый в расчётах центробежных компрессоров постоянный показатель полтропы т справедлив для всех видов газов, поскольку учёт реальности газов при решении уравнений состояния и калорических уравнений влияет лишь на её количественные значения, то есть процесс считают для идеальных газов, а параметры - с учётом реальности. Показана применимость модифицированного уравнения состояния, в котором методом Ли и Кеслера определяются термические и калорические параметры газов в прямом и поверочном расчетах центробежных компрессоров.

В практике проектирования центробежных компрессоров на НЗЛ было предложено рассматривать общий политропный процесс сжатия кусочно-политропным процессом, составленным из отрезков политроп, характеризующих процессы в отдельных элементах. Исходя из этого, разработана математическая модель для расчёта термических и калорических параметров, а также для определения удельной работы сжатия. Решение системы уравнений позволяет определить политропный КПД действительного процесса сжатия и получить зависимость удельной работы сжатия по ступеням в многоступенчатой неохлаждаемой проточной части от свойств реальных газов. Предложенный метод термогазодинамического расчёта был использован при проектировании центробежных компрессоров, сжимающих реальные газы.

В третьей главе рассматриваются основы методов проектирования проточных частей в случае отсутствия подходящих аэродинамических схем для одно- и многоступенчатых центробежных компрессоров.

Для создания новых центробежных компрессоров, не имеющих подходящих аэродинамических схем и не гарантирующих получения достоверных характеристик, необходимы экспериментальные исследования. В случае одноступенчатой проточной части величину политропного КПД предложено представить в виде, где учтены потери во всех элементах ступени:

неохлаждаемой проточной части: д¡ =

т-1 р„

ГУп

Коэффициенты потерь всасывающей и выходной камер ...„ и , колеса дп. 2 и диффузора зависят от геометрии соответствующих элементов проточной части, критериев подобия и угла потока перед каждым элементом. Кинематические параметры - отношения скоростей <ра-с0/и: и и>1=и\/и2, коэффициент диффузорности кл =сг/с4 при расчётном режиме, совпадающем с режимом максимального КГЩ, связаны также с геометрическими параметрами элементов ступени и коэффициентом расхода <рп.

Из ближайшего ряда одноступенчатых аэродинамических схем получены безразмерные характеристики (т)„и„ фи2, х?> Ол /+/3Л/,+&,;>) в их зависимости от коэффициента расхода <раг =/(<р,2), ч„ = /(«»„), 1+ /?„,, +

П2=/(<р,2). Анализ статорных элементов проточной части показал, что в зависимости от геометрических размеров и форм этих элементов и от режимов работы ступени можно найти резервы для повышения политропного КПД. Обобщение результатов исследований позволило создать банк данных по каждому элементу проточной части и представить границы изменения потерь в этих элементах.

По данным исследований всасывающих камер, получены коэффициенты потерь ¿"„.о = /(<Ро) в зависимости от форм (рисунок 6). Аналогичным образом, для конкретно выбранной аэродинамической схемы получены коэффициенты потерь диффузора с,„4 =./%,) и выходной камеры <г4 к = /(<рг2). По полученным данным наименьших значений коэффициентов потерь в неподвижных элементах определен максимальный политронный КПД у™' на расчетном режиме. В формуле для определения политропного КПД вместо потерь, соответствующих каждому элементу конкретной аэродинамической схемы, приняты в расчет наименьшие значения коэффициентов потерь для определенного в результате прикидочиых расчётов коэффициента расхода. В результате проведенного анализа сформулирована математическая модель,

г I

* * -

Ч

! —

*

£ - а |

1 * 1

■г

1

Фо

Рисунок 6. Влияние форм всасывающей камеры на коэффициент потерь, выражающая основную взаимосвязь элементов проточной части на базе экспериментальных данных. В неё входят следующие зависимости:

'1,

1 _

/Ы

1^2 2-Л

■ получены из опытных данных аэродинамических схем

Ц,„,, =

<Р.1 =Л<Р, з)

Жг = /(?>,з)

х + А<Рс-,)

<Г„-о = /(%) 1

?г-4 = /(<»г2)[-получены по данным исследований элементов = )

А:,, = с2 / с4

Одновременно с анализом экспериментальных данных проведен численный анализ элементов проточной части с помощью программ расчета вязких трехмерных течений газа (АЫБУ8 версия 13, СРХ). Построена пространственная геометрическая модель, состоящая из спиральной камеры, лопаточного диффузора, выходного патрубка, поворотного колена и прямолинейного участка трубопровода. Произведены расчеты с использованием ЯАЫ8 модели турбулентности к-в (уравнения Навье-Стокса. осредненные по Рейнольдсу, преобразованные в виде турбулентной

кинетической энергии) и вязкости (диссипации). В результате расчетов

получены распределения полного давления в неподвижных элементах ступени

(рисунок 7), с помощью которых определены значения коэффициентов потерь в

( Л

спиральной камере (рисунок 8) по формуле: , = ■ —-'2, где р, с - плотность

0.5-р-с~

и скорость в спиральной камере, осредненные по расходу; р\, р\~ полное давление на входе и выходе из спиральной камеры.

По разработанному и предложенному методу проектирования центробежных компрессоров созданы одноступенчатые и двухступенчатые нагнетатели природного газа, высокая эффективность которых подтверждается при газодинамических испытаниях. Электроприводной нагнетатель природного газа типа 220-11-1СМП мощностью 4 МВт, взамен нагнетателя типа Н280 с КПД 84%, имеет максимальный политропный КПД 86%, а нагнетатель природного газа 400-21-1С с геометрической подобной частью и с газотурбинным приводом - 86,5%.

В четвертой главе представлены способы повышения эффективности проточных частей нагнетателей природного газа. Для повышения эффективности ступеней с низконапорными и высокорасходными рабочими колесами были проведены экспериментальные исследования на модельном стенде (рисунок 9). Применение «широких» рабочих колес с цилиндрическими лопатками относительной шириной Ь2/02 > 0,075, прежде всего, связано необходимостью обеспечения большого расхода при относительно низком напоре. Для определения оптимальных газодинамических характеристик и получения максимального политропного КПД для СПЧ нагнетателя типа П400 мощностью 32 МВт на степень сжатия 1,38 и 1,44 и конечное давление 7,45 МПа был исследован ряд «широких» колёс на двухступенчатой модельной установке (рисунок 10). Исследовано 22 варианта модельных рабочих колёс с разными относительными ширинами ¿,/£>,=0.085+0.113 и углами выхода лопаток ¡)ъ = 22.5°, 27° и 32°. Получены газодинамические характеристики модельных ступеней при различных частотах вращения ротора п = 11000;

!И ^ЩИР^ 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 <?г2

Коэффициент потерь в спиральной камере гГ^г а Коэффициент потерь в диффузоре

Рисунок 7. Распределение полного Рисунок 8. Зависимость коэффициента давления в пространственной модели. ПОТерь спиральной камеры и

диффузора от режима работы.

Рисунок 9. Экспериментальный стенд Рисунок Ю. Продольный разрез двух-№2 ступенчатой модельной установки.

£~2 о.7

0.10 0.13 0.20

а) I - ступень.

19 0.20

0.25 0.30 0.35

б) II — ступень.

Рисунок 11. Характеристики модельных ступеней с рабочими колесами = 22,5°: 1,2, 3. 4 - порядковые номера модельных колес.

12100; 13200 об/мин {Ми2 = 0.517; 0.568; 0.620). Максимальный политропный КПД на трёх различных оборотах составляет порядка 0,8 + 0,82 при коэффициентах расхода ^"=0,17-^0,20 (Ф =0,07 + 0,11.5). Увеличение относительной ширины 6,/Д, приводило к уменьшению коэффициента расхода на оптимальном режиме и снижению политропного КПД ступени т?„ш (рисунок 11 и таблица 2).

Результаты экспериментальных исследований показали, что применение «широких» цилиндрических рабочих колес оправдано в том случае, если нет особых требований к политропному КПД. Для получения достаточно высоких значений КПД целесообразно применять осерадиальные рабочие колеса с пространственными лопатками.

Для повышения эффективности проточной части нагнетателя природного газа 400-21-1С спроектирована и изготовлена специальная спиральная камера.

Перед разработкой конструкции спиральной камеры проведен численный эксперимент при помощи программ расчёта трёхмерных течений газа, с целью определения оптимальной формы и уменьшения потерь. Разработана модель спиральной камеры (рисунок 12) и изготовлена сама спиральная камера

Таблица 2. Оптимальные значения газодинамических и безразмерных

характеристик модельных ступеней вар. № 1 - 9.

Ns вар. модели п, об/мин 9ч» м /мин ^opt (<fe>)ор 0?™V (Я)*» O+ZV/Vi» (X'opt

1 8806 42.35 ¡.215 0.170 0.510 0.820 0.724 1.02S 0.528

9899 54.48 1.263 0.172 0.510 0.814 0.724 1.028 0.527

! 0999 59.03 1.338 0.163 0.519 0.817 0.726 1.029 0.538

2 11002 58.34 1.347 0.173 0.533 0.795 0.723 1.027 0.550

¡2)02 70.37 1.400 0.181 0.516 0.801 0.732 1.027 0.532

3 12036 68.55 1.363 0.200 0.480 0.817 0.735 1.030 0.496

13003 73.61 1.438 0.189 0.498 0.820 0.732 1.031 0.516

4 11004 59.28 1.312 0.196 0.485 0.826 0.730 1.030 0.502

12101 66.03 1.381 0.199 0.477 0.812 0.732 1.030

13199 71.46 1.481 0.199 0.480 0.814 0.735 1.030 0.496

6 121-40 72.63 1.431 0.187 0.536 0.800 0.717 1.025 0.551

13240 81.53 1.511 0.182 0.546 0.791 0.718 1.026 0.562

7 11029 62.27 1.320 0.211 0.493 0.810 0.723 1.028 0.509

12129 69.65 1.397 0.207 0.492 0.811 0.723 1.028 0.508

8 11627 66.36 1.383 0.193 0.553 0.809 0.708 1.028 0.572

12254 71.00 1.417 0.196 0.550 0.804 0.711 1.028 0.567

9 11627 65.45 1.395 0.187 0.560 0.819 0.696 1.029 0.578

12728 71.08 1.479 0.201 0.575 0.776 0.696 1.02.7 0.592

(рисунок 13). Спиральная камера использована в нагнетателе 400-21-1С зав. №1848.

Результаты испытаний показали высокие значения политропного КПД в расчётной точке до 86,7%, оптимальный режим работы нагнетателя соответствует техническому заданию (рисунок 14).

В пятой главе приведен анализ характеристик подобных и одинаковых проточных частей центробежных компрессоров и секций. Дана оценка влияния критериев подобия чисел Рейнольдса Кеи и Маха Ми на характеристики компрессора и определение политропного КПД по результатам испытаний.

Рисунок 12. Модель спиральной Рисунок 13. Спиральная камера,

камеры.

40

20 0.90

1 пол 0.80

0.70

0.60

1.4 1.2

Рисунок 14. Сравнение характеристик нагнетателя 400-21-1С:

/.....со сборной камерой, 2.....со спиральной камерой.

Выявлено, что при испытании вакуум-компрессоров на стенде предприятия при атмосферном давлении политропный КПД уменьшается в зависимости от степени разрежения, соответственно от уменьшения числа Reu (рисунок 15). Однако, при испытании нагнетателя 400СПЧ-1,38/76-32С влияние числа Reu (Reu = 2-4 106) на политропный КПД не обнаружено (рисунок 16). Разрежение создавалось путем замены торцевых диафрагм на меньшие диаметры (d, = 450, 375, 300, 250 мм) на входе в нагнетатель (до 0,7 ата). Таким образом, выявлено, что число Re„ практически не влияет на характеристики компрессора при разрежении на входе до 0.7 ата, то есть в области автомодельности (Reu = 105).

Подтверждено, что значительное влияние оказывает число Маха Мк при испытании многоступенчатых неохлаждаемых проточных частей. Так при повышении частоты вращения ротора (рисунок 17), что приводит к увеличению чисел М,„ значение максимального политропного КПД уменьшилось на 1 -3%.

При обработке результатов испытаний центробежных компрессоров, в частности нагнетателей природного газа, возникает вопрос, касающийся

At, "С

2.40 S.30 2.20 2.10

2.00 -

250

»4......

400

Q„

450

1лЛм*и

Рисунок 15. Газодинамические характеристики I -ой секции ЦНД компрессора К355-91-1

Р„: I - 1 ата; 2 - 0,5 ата; 3 ~ 0,3 ата.

it, "С

во

20 0.80

Л

ПОЛ

о.во

0.40 £> 1.6

1.4

.....ТГ-ц ***

V

___ V

\ i

—^

300 400 500 60О 700 8С

Q„, м'/ыи*

Рисунок 16. Газодинамические характеристики нагнетателя 400СПЧ-1/38/76-32С

при Р„: 1 - I ата: 2 - О, У ата.

2° -10 Q„ м>'мип 60

Рисунок 17. Газодинамические характеристики нагнетателя природного газа 47-71 -1 С: / - Или = 6600 об/мии; 2 - пж, ^ 8200 об/мин; 3 - п,„ = ШУ об/мин.

расчёта политропного КПД. Для выяснения причин, приводящих к различным

результатам оценки экономичности политропного процесса сжатия, был

выполнен анализ влияния коэффициентов полинома идеально-газовой

теплоёмкоскости и иных факторов на результаты термодинамических расчётов.

Выявлено, что основной причиной расхождения результатов является величина

теплоёмкости, зависящая от коэффициентов в идеально-газовой теплоёмкости,

которые принимаются из разных справочных данных:

сР - срА° + сРВпТ+ cpCfT1 + crDnT3. Разница в вычислении политропного КПД

может достигать до 1,5%, поэтому целесообразно пользоваться одним

источником, рекомендованным Международным стандартом ISO 5389.

В шестой главе рассматривается усовершенствованный метод расчета

сухих газодинамических уплотнений (СГУ) и разработана система обеспечения

буферным и барьерным газами.

Для расчёта силовых и температурных нагрузок, возникающих в узких

щелях пар трения СГУ и определения суммарных утечек буферного газа,

представлена усовершенствованная методика термогазодинамического расчёта

с учетом влияния термических и теплофизических свойств газов (вязкость,

теплопроводность). Решение уравнения энергетического баланса в

интегральной форме с учетом вязкости:

Т = ехр~г

1 + СД \expf dx , F = С, ¡(Ц -пПДх)<1х, С, =:

3 у.Д^А/.Й+^-Д)]'

Система уравнений для определения давлений на участке с канавками выглядит следующим образом:

f(s,p,) = s-p, -(s-l)etp

где .V - произвольная функция, подлежащая определению на основании граничных условий задачи,

~ Pi

условия периодического изменения давления по окружности; р, = —

Ро

относительное давление на фанице межканавочного промежутка и канавки в окружном направлении.

В результате решения системы уравнений получаем значения 5 и р,, которые необходимы для определения интегралов типа:

А-1 2 Л* '

~ , 1 - -V ■_£l±1 />?

2Л /5, -1

После определения интегралов вычисляем функцию типа:

•fe-1)3

2-7* 1+ J"

Система дифференциальных уравнений, описывающих течение на бесканавочном участке:

dx i-~(l2k2-2z2)M:

iil - f/ii^-^to^i

dx~ \-{\2кг-2хг)М2

Проведенные фундаментальные исследования позволяют в ближайшее время перейти к самостоятельному производству СГУ.

Рассмотрен также метод унификации центробежных компрессоров, разработанный и внедренный на H3J1. Предложены основные направления унификации: 1) унификация газодинамических схем, гарантирующая

выполнение расчетных параметров и упрощающая проектные работы; 2) унификация узлов и элементов проточной части с целью упрощения и облегчения производства компрессоров в цехах завода-изготовителя.

Проведен анализ существующих компрессоров с целью сокращения числа корпусов, находящихся в производстве и максимально возможной унификации конструкции проточных частей машин (диффузоров, ОНА, уплотнений). Разработан ряд унифицированных корпусов для нагнетателей природного газа (рисунок 18).

Наличие унифицированных корпусов позволили резко уменьшить сроки изготовления центробежных компрессоров, вместо обычных 1-1,5 года процесса изготовления нового типа понадобилось 6-9 месяцев.

Проведена унификация электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) мощностью 4 и 6.3 МВт (рисунок 19) с увеличением мощности до 8 МВт.

Особенностью, проводимой на предприятии ЗАО «РЭПХ» (НЗЛ) политики унификации проточных частей центробежных компрессоров, является совершенствование процесса изготовления основных узлов, а также использование покупных стандартных узлов, таких как СГУ (рисунок 20) и

а Ф

Рисунок 19. Сменные проточные части в унифицированном корпусе.

• -освоено серийное производство ■ перспективные рачработки о . разработаны проекты

Рисунок 18. Унифицированный ряд корпусов.

магнитный подвес (МП) (рисунок 21). Нагнетатели природного газа нового поколения поставляются с СГУ, а в случае ЭГПА, имеющих преимущество перед обычной схемой компоновки (электродвигатель + мультипликатор + нагнетатель) - с масляной системой, и с МП.

В седьмой главе рассматривается опыт эксплуатации центробежных компрессоров различного назначения, при создании которых использованы предложенные методы проектирования. В основном, это нагнетатели природного газа (385-21-1, 220-11-1 СМИ, 200-21-1СМП, 151СПЧ-1.65, 400СЛТЧ-1.38/76, 400СПЧ-1.44/76, 400-21-1С) (рисунок 22 а,6), а также компрессор попутного нефтяного газа К320-131-1 (рисунок 22 в), воздушный компрессор K5SOO-41-1M. Общее количество спроектированных с участием автора и изготовленных центробежных компрессоров с 2007 по 2011 годы составляет 47 штук. Коэффициент быстроходности спроектированных и изготовленных компрессоров изменяются в больших пределах п, = 33-5-130.

При пуско-наладочных работах опытных образцов центробежных компрессоров системой управления МП установлено, что осевые усилия, которые возникают только при работе машины в реальных условиях при высоких давлениях, при испытаниях на воздухе при атмосферном давлении,

Рисунок 20. Узел СГУ

Рисунок 21. Узел МП.

Рисунок 22. Центробежные компрессоры на месте эксплуатации: а) 220-11-СМП; б) ШСПЧ-1,38/76-32С; в) КЗ20-131-1."

незначительны. Обнаружено, что при выборе диаметра думмиса величина удельных нагрузок на упорный подшипник для МП должна быть примерно на порядок меньше, чем для обычного масляного упорного подшипника, из-за низкой несущей способности у МП. В результате уточненных расчетов осевых усилий по методу С. С. Евгеньева, проверенному многолетней практикой, и выбора нового диаметра думмиса, определены предельные величины удельных нагрузок для МП.

Для устойчивой и надежной работы СГУ в зимний период, разработаны и введены изменения в систему подачи буферного газа, заключающиеся в предварительном подогреве и осушке. Для расчета утечек газа из СГУ, предложено оптимальное соотношение расхода барьерного воздуха, влияющего на выбор вспомогательного воздушного компрессора.

В заключении представлены основные результаты работы:

1. Обобщены результаты экспериментальных данных центробежных компрессоров Невского завода, в результате получены безразмерные характеристики более 800 ступеней, используемые при моделировании проточных частей и при пересчёте на иные условия работы центробежных компрессоров.

Разработана база аэродинамических схем центробежных компрессоров, включающая одноступенчатые и многоступенчатые проточные части. Проведена классификация аэродинамических схем, включающая 48 схем и позволяющая на этапе выбора принципиальной схемы оптимально подобрать прототип для новой проточной части.

2. Разработаны универсальные термодинамические диаграммы для веществ, находящихся в газообразном состоянии, как для чистых однокомионентных веществ, так и для их смесей. Произведен анализ процессов, происходящих в проточных частях иеохлаждаемых центробежных секций на термодинамических диаграммах для различных веществ. Выявлено, что термодинамические диаграммы для веществ, находящихся в газообразном состоянии могут быть подразделены на четыре характерные зоны. В каждой

характерной зоне уравнения состояния могут быть представлены в виде уравнений: совершенного газа; «идеального» пара; реального газа; рабочих веществ, используемых в паровых холодильных машинах. Для различных групп, состоящих из однородных веществ, построены универсальные тепловые диаграммы.

3. Разработан метод расчёта термодинамических и калорических параметров с помощью модифицированного уравнения состояния Ли и Кеслера, которое базируется на приведенных температурах и давлениях и использует фактор ацентричности.

4. Обоснованы и развиты методы определения показателя степени при политропном процессе сжатия, позволяющие решать задачи моделирования характеристик при пересчете на иные условия. В зависимости от вариантов поставленных задач, определение показателя степени т политропного процесса сжатия возможно не только графическим способом, но и аналитическим способом, который использует экспериментальные данные практически всех вариантов проточных частей Невского завода и является более эффективным.

5. Усовершенствован метод проектирования центробежных компрессоров на основе аэродинамических и конструктивных схем НЗЛ, дополненный эмпирическими зависимостями коэффициентов потерь, полученных при численных и экспериментальных исследованиях элементов проточной части.

6. В результате выполненных работ по повышению эффективности проточных частей нагнетателей природного газа, достигнуто значение политропного КПД 86,5% при фг2 = 0,22 и Ма2 = 0,56. Результаты численного и экспериментального анализов показали целесообразность применения «развитой» всасывающей и спиральной камер, при этом обеспечивается увеличение области устойчивой работы и повышение политропного КПД.

7. Проведены экспериментальные. исследования 22 вариантов низконапорных и высокорасходных модельных ступеней нагнетателей природного газа, обобщение результатов исследований которых подтвердило, что применение «широких» рабочих колес цилиндрическими лопатками

оправдано в том случае, если нет особых требований по политропному КПД. Для получения достаточно высоких значений КПД целесообразно применять рабочие колеса с пространственными лопатками.

8. Разработан метод унификации центробежных компрессоров на базе унифицированных корпусов, элементов и узлов проточной части, позволивший создать ряд ЭГПА мощностью 4, 6.3 и 8 МВт, полностью в «сухом» исполнении. Экономичность и надежность созданных ЭГПА подтверждены испытаниями на месте эксплуатации (КС «Володина», КС «Чажемто», КС «Парабель», КС «Александровская» и т.д. ООО «Газпром трансгаз Томск», КС «Смоленская» ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» и т.д.).

9. Предложенные методы проектирования и унификации центробежных компрессоров обеспечили разработку и создание первого в России серийного нагнетателя природного газа мощностью 32 МВт, с улучшенными энергетическими показателями, не уступающими по техническому уровню зарубежным аналогам.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах Перечня ВАК

1. Ерохнн С.К., Спирнн В.В., Чершш М.Е., Шайдак Б.П., Юн В.К. Комплексный подход ЗАО «Росэлектропром Холдинг» в создании турбокомпрессорного оборудования на основе разработок Невского завода. [Текст] / С.К. Ерохип, В.В. Спирин, М.Е. Чернин, Б.П. Шайдак, В.К. Юн//Комнрессорная техника и пневматика. - 2008.- №8. -С. 10-16.

2. Деи Г.Н., Юн В,К. Характерные области в зоне газообразного состояния на тепловых диаграммах. [Текст] / Г.Н. Ден, В.К. Юн //Компрессорная техника и пневматика. - 2009. -№1.-С. 23-26.

3. Ден Г.Н., Юн В.К. Об оценке погрешности политропного кпд центробежной компрессорной машины. [Текст] / Г.Н. Ден, В.К. Юн //Компрессорная техника и пневматика. - 2009.-№4. -С. 19-23.

4. Каменев В.М., Чернин М.Е., Ширм-днов В.М., Юн В.К. Электроприводные газоперекачивающие агрегаты нового поколения

производства ЗАО «РЭПХ». [Текст] / В.М. Каменев, М.Е. Чернин, В.М. Ширма нов, В.К. Юн//Компрессорная техника и пневматика. -2010. -№1.-С, 38-42.

5. Юн В.К., Чернин М.Е. Разработка ряда проточных частей унифицированных центробежных компрессорных машин на базе аэродинамических схем. [Текст]/ В.К. Юн, М.Е. Чернин//Компрессорная техника и пневматика. - 2010. - №8.-С. 17-22.

6. Юн В.К. Анализ газодинамических характеристик подобных и одинаковых центробежных компрессоров и секций. [Текст]/В.К. Юн//Компрессорная техника и пневматика. - 20] ]. - №1 .-С. 29-36.

7. Юн В.К. Методы расчета термогазодинамического процесса сжатия реальных газов в проточных частях центробежных компрессоров. [Текст] / В.К. Юн //Компрессорная техника и пневматика. - 20] 1. -№5.-С. 24-30.

8. Ширманов В.М., Спирин В.В., Чернин М.Е., Романов A.A., Юн В.К., Яковлев A.B. Перспективы развития турбокомпрессорного оборудования и электротехнических устройств в ЗАО «РЭПХ». [Текст] / В.М. Ширманов, В.В. Спирин, М.Е. Чернин, A.A. Романов, В.К. Юн, A.B. Яковлев//Компрессорная техника и пневматика. - 2011. - №7.-С. 16-21.

Статьи в научных изданиях

1. Юн В.К. Программа расчета сухих уплотнений валов турбомашин. [Текст] / В.К. Юн//Турбины и компрессоры. - 2002. - № 3,4 (20,21).С. 58-62.

2. Ден Г.Н., Юн В.К. К расчету сухих торцевых газовых уплотнений с U-образными канавками. [Текст] / Г.Н. Ден, В.К. Юн //Турбины и компрессоры. -2003. - №1,2 (22,23).-С. 14-19.

3. Ден Г.Н., Юн В.К. О воздушных стендовых испытаниях нагнетателей природного газа. [Текст] / Г.Н. Ден, В.К. Юн//Турбины и компрессоры. -2003. - №3,4 (24,25).-С. 4-10.

4. Юн В.К. Система обеспечения сухих торцевых газовых уплотнений центробежных компрессорных машин буферным и барьерным газами. [Текст]/В.К. Юн//Турбины и компрессоры. - 2005. -№ 1,2 (30,31).-С. 38-41.

5. Чернин М.Е., Юн В.К., Фафинов М.А. Разработка, изготовление и

испытание центробежного нагнетателя природного газа мощностью 32 МВт. [Текст]/М.Е. Чернин, В.К. Юн, М.А. Фафинов//Мегапаскаль. - 2011. -Nal.-С.2-3.

Доклады на конференциях и симпозиумах l.IOti В.К. К вопросу испытаний многоступенчатых центробежных компрессорных машин. [Текст] / В.К. Юн//Труды двенадцатого международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-2006». - СПб. — 2006. -СЛ44-150.

2. Ден Г.Н., Юн В.К. Характерные области в зоне газообразного состояния на тепловых диаграммах. [Текст] / Г.Н. Ден, В.К. Юн//Тезисы докладов. Четырнадцатая международная научно-техническая конференция по компрессорной технике. - Казань. — 2007. - С. 187-188.

3. Ерохин С.К., Спирин В.В., Чернин М.Е., Шайдак Б.П., Юн В.К.

Комплексный подход ЗАО «Росэлектропром Холдинг» в создании турбокомпрессорного оборудования на основе разработок Невского завода. [Текст] / С.К. Ерохин, В.В. Спирин, М.Е. Чернин, Б.П. Шайдак, В.К. Юн//Труды четырнадцатого международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-2008». - СПб. -2008. -С. 40-54.

4. Ден Г.Н., Юн В.К. Об оценке погрешности политропного кпд центробежной компрессорной машины. [Текст] / Г.Н. Ден, В.К. Юн //Труды четырнадцатого международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-2008». - СПб. - 2008. - С.208 - 214.

5. Маёров В.В., Чернин М.Е., Юн В.К. Разработка, создание и испытание электроприводных газоперекачивающих агрегатов в унифицированных корпусах с сухими уплотнениями и магнитными подшипниками. [Текст]/В.В. Маёров, М.Е. Чернин, В.К. Юн//Тезисы докладов. VIII международная научно-техническая конференция молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин». - Казань. - 2008. -С. 27-30.

6. Юн В.К. К вопросу проектирования неохлаждаемых проточных частей многоступенчатых центробежных компрессорных машин. [Текст] / В.К. Юн

//Проектирование и исследование компрессорных машин. - Казань. - 2009. -№6. -С.89-101.

7. Чернин М.Е., Ширманов В.М., Юн В.К. О вопросах унификации проточных частей центробежных компрессорных машин. [Текст] / М.Е. Чернин, В.М. Ширманов, В.К. Юн//Тезисы докладов. III международная конференция «Газотранспортные системы: настоящее и будущее». - Москва. - 2009. -С. 105.

8. Каменев В.М., М.А. Фафинов, Чернин М.Е., Ширманов В.М., Юн В.К.

Электроприводные газоперекачивающие агрегаты нового поколения производства ЗАО «РЭПХ». [Текст] /В.М. Каменев, М.А. Фафинов, М.Е. Чернин, В.М. Ширманов, В.К. Юн //Тезисы докладов. III международная конференция «Газотранспортные системы: настоящее и будущее». - Москва. - 2009.- С.23.

9. Шайдак Б.П., Ширманов В.М., Чернин М.Е., Юн В.К., Ерохии С.К Инновационные проекты ЗАО «РЭПХ». [Текст] / Б.П. Шайдак, В.М. Ширманов, М.Е. Чернин, В.К. Юн, С.К. Ерохин//Труды пятнадцатого международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-2010». - СПб. - 2010. -С.28-29.

10. Черни» М.Е., Юи В.К., Фафинов М.А. Разработка, изготовление и испытание центробежного нагнетателя природного газа мощностью 32 МВт. [Текст]/ М.Е. Чернин, В.К. Юн, М.А. Фафинов//МегаПаскаль. - 2011. - №1. С. 2-3.

11. Ширманов В.М., Спирин В.В., Чернин М.Е., Романов A.A., Юн В.К., Яковлев A.B. Перспективы развития турбокомпрессорного оборудования и электротехнических устройств в ЗАО «РЭПХ». [Текст] / В.М. Ширманов, В.В. Спирин, М.Е. Чернин, A.A. Романов, В.К. Юн, A.B. Лковлев//Труды шестнадцатого международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-2011». - СПб - 2011. -С.) 1-20.

! 2. Юн В.К. К вопросу о применении рабочих колес с «широкими» цилиндрическими лопатками. [Текст] / В.К. Юн//Труды шестнадцатого международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-2011». - 2011. - СПб, - С. 147-155.

Подписано в печать 22.03.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 8987Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1 Систематические исследования аэродинамики в элементах проточных частей центробежных компрессоров.

1.1 Обзор исследовательских работ на H3JI.

1.2 Классификация аэродинамических схем проточных частей центробежных компрессоров.

1.3 Одноступенчатые аэродинамические схемы.

1.4 Двухступенчатые аэродинамические схемы.

1.5 Многоступенчатые аэродинамические схемы.

За восемьдесят лет турбокомпрессоростроения на Невском заводе были спроектированы и изготовлены более 300 типов центробежных компрессоров различного назначения. Одним из основных потребителей центробежных компрессоров является ОАО «Газпром», где центробежными нагнетателями оборудуются компрессорные станции магистральных газопроводов. В металлургии центробежные компрессоры и нагнетатели применяются для подачи воздуха в печи и конверторы. На предприятиях химических производств используются десятки типов центробежных компрессоров, сжимающих различные газы и газовые смеси. В настоящее время эксплуатируются более 10000 центробежных компрессоров Невского завода. Большое разнообразие типов компрессоров несколько осложняет и удорожает технологический процесс изготовления. Недостаточный уровень стандартизации, унификации и взаимозаменяемости узлов и деталей не позволял в короткие сроки обеспечивать потребителей компрессоров различного назначения. Поэтому необходимо было определить пути сокращения разнообразия в размерах проточных частей центробежных компрессоров. Внедрение широкой унификации позволит сократить сроки изготовления компрессоров в большом диапазоне их параметров и снизить затраты на их создание и производство.

В сложном положении оказалось проектирование новых центробежных компрессоров. Полученные на НЗЛ результаты исследований центробежных компрессоров распространялись на определенные типы машин и позволяли предварительно оценивать эффективность проточных частей только на ранней стадии проектирования. Непрерывное изменение параметров и ужесточение требований к повышению КПД проточных частей, вызывает необходимость корректировки и уточнения существующих подходов и методов проектирования машин.

Особенностью создания центробежных компрессоров высокого давления, является необходимость учета реальности сжимаемого газа, который по своим термодинамическим свойствам отличается от совершенного газа. Поэтому вместо уравнения состояния совершенного газа необходимо использовать уравнение состояния реального газа или газовой смеси. Вследствие этого возникает необходимость в корректировке методов расчета термодинамических и калорических параметров реального газа в зависимости от области применения компрессоров. Для аналитического описания экспериментальных данных в широкой области параметров применяют различные эмпирические уравнения состояния. Число уравнений состояния реального газа, предлагавшихся в разное время и различными авторами, чрезвычайно велико. Несмотря на это, вопрос о пригодности предложенных уравнении состояния реальных газов применительно к процессам в центробежных компрессорах среднего и высокого давлений остается открытым.

Актуальным является вопрос о возможности газодинамических испытаний многоступенчатых центробежных компрессоров, предназначенных для работы на реальных газах, в случае работы на воздухе. При этом возникает вопрос о допустимости газодинамических испытаний при пониженном начальном давлении машин, рассчитанных на нормальную работу при высоком начальном давлении.

Усовершенствование методов проектирования и унификации центробежных компрессоров, создание на этой основе высокоэффективных машин является актуальной задачей. В результате могут быть снижены затраты на создание новых машин, а их конструкция сделана более экономичной при производстве и в эксплуатации. При решении задачи об упрощении производства и повышении качества изготовления компрессоров, за счет широкой унификации проточных частей ступеней и их элементов необходимо учитывать, что наиболее сложной задачей является упрощение существующих, уже созданных и освоенных конструкций, т.к. объем конструкторских работ и работ по подготовке производства модернизированной машины может оказаться в ряде случае большим.

Таким образом, совершенствование методов проектирования и унификации центробежных компрессоров является актуальной проблемой.

В результате появившихся технических проблем определена цель работы - совершенствование методов проектирования проточных частей на основе анализа систематизированных опытных данных характеристик проточных частей и разработка методов унификации центробежных компрессоров Невского завода.

Для достижения цели были поставлены задачи: систематизация и анализ опытных данных проточных частей центробежных компрессоров Невского завода; разработка методов расчёта термодинамических и калорических параметров газов в характерных областях на их термодинамических диаграммах; разработка более совершенного метода проектирования проточных частей на основе существующих аэродинамических и конструктивных схем; разработка метода унификации центробежных компрессоров Невского завода; реализация разработанных методов и технических решений в практике создания высокоэффективных нагнетателей природного газа и центробежных компрессоров различного назначения.

В процессе решения поставленной научной проблемы получены новые научные результаты:

Обобщен и проанализирован экспериментальный материал аэродинамических схем центробежных компрессоров, при этом показано, что резерв повышения эффективности может быть реализован за счет выбора оптимальных типов ступеней центробежных компрессоров.

Разработаны универсальные термодинамические диаграммы для веществ, находящихся в газообразном состоянии, как для чистых однокомпонентных веществ, так и для их смесей. На основании анализа показано, что вся область газообразного состояния может быть разделена на четыре характерных зоны, в которых уравнение состояния и калорические уравнения представляются в различных видах.

Разработан метод термогазодинамического расчёта проточных частей с помощью модифицированного уравнения состояния Ли и Кеслера, базирующегося на приведенных температурах и давлениях с применением фактора ацентричности.

Обоснованы и развиты методы определения показателя степени при степенном процессе сжатия, позволяющие решать задачи моделирования характеристик проточных частей при пересчете на иные условия работы.

Усовершенствован метод проектирования центробежных компрессоров на основе аэродинамических и конструктивных схем с учетом эмпирических зависимостей, полученных при численных и экспериментальных исследованиях элементов проточных частей.

Обоснована пригодность предложенного метода унификации центробежных компрессоров путем стандартизации корпусов и элементов проточной части на Невском заводе.

Обобщен метод термогазодинамического расчёта сухих газодинамических уплотнений различных типов, учитывающих реальность газа и его теплофизические свойства.

В результате исследовательских работ получен метод проектирования высокоэффективных центробежных компрессоров на базе аэродинамических и конструктивных схем проточных частей, с использованием усовершенствованных термогазодинамических расчётов процессов сжатия и уточненных коэффициентов потерь в элементах проточной части.

Разработанный метод был использован при проектировании центробежных компрессоров различного назначения, как для одноступенчатых, так и для многоступенчатых проточных частей.

Получен ряд унифицированных модельных ступеней, предназначенных для создания высокорасходных и низконапорных нагнетателей природного газа.

Создан банк характеристик аэродинамических схем, позволяющий оперативно получить необходимую информацию.

Разработаны алгоритмы и программы для расчёта характеристик центробежных компрессоров.

Разработана система обеспечения буферного и барьерного газов для сухих газодинамических уплотнений.

На основе разработанного метода унификации центробежных компрессоров, созданы и внедрены в серийное производство унифицированные электроприводные нагнетатели природного газа мощностью 4.0 и 6.3 МВт, а также нагнетатели природного газа с газотурбинным приводом мощностью 32 МВт для магистральных газопроводов Бованенково-Ухта («Северный поток»).

Создан и внедрен опытный образец многоступенчатого центробежного компрессора попутного нефтяного газа мощностью 6,3 МВт.

Экономический эффект от внедрения результатов работы за счёт повышения эффективности и сокращения сроков создания и освоения унифицированных центробежных компрессоров, изготовленных с 2007 по 2011 годы, составил более 2,7 млрд. рублей.

Достоверность научных положений и практических результатов определяются более совершенным методом проектирования, учитывающего более точно особенности процессов сжатия в центробежных компрессорах и использующего современные вычислительные методы, а также обширными экспериментальными исследованиями модельных ступеней и натурных компрессоров, подтвердивших адекватность предложенного метода проектирования проточных частей центробежных компрессоров.

В первой главе, на основе представленного обзора исследовательских работ на НЗЛ и опытных данных выпускаемых заводом центробежных компрессоров, анализируются, разрабатываются и классифицируются аэродинамические схемы одно-, двух- и многоступенчатых проточных частей.

Результаты многолетних исследований были обобщены в работах [17, 44, 53, 57, 63, 64, 74, 81] крупных отечественных ученых в области турбокомпрессоростроения К. И. Страховина, В. Ф. Риса, К. П. Селезнева, В. Б. Шнеппа, Г. Н. Дена, Ю. Б. Галеркина, Г. А. Раера, по рекомендациям которых в настоящее время ведется создание новых центробежных компрессоров. Известный как метод НЗЛ, метод проектирования центробежных компрессоров был разработан в конце 30-х годах В. Ф. Рисом. Положения этого метода учитывают также результаты научных исследований невских машиностроителей: Б. Л Гунбина, А. Н. Шершневой, В. Е. Евдокимова, В. И. Дальского, Д. М. Бавельского, В. Г. Соловьева и других. Большой вклад в развитие методов проектирования, в исследование рабочих процессов и создания центробежных компрессоров сделан представителями предприятий и организаций г. Казани: И. Г. Хисамеевым, С. С. Евгеньевым, В. А. Максимовым, А. А. Мифтаховым, Г. С Баткисом, А. М. Галеевым и другими, представителями кафедры КВХТ СПбГПУ: А. В. Зуевым, Р. А. Измайловым, А. М. Симоновым, Л. Я. Стрижаком и другими, представителями научных организаций г. Москвы: Т. С. Соломаховой, И. Я. Сухомлиновым и другими.

Для определения границы применимости методов проектирования проточной части разработана и предложена система классификации аэродинамических схем существующих машин Невского завода. Из подобранных наиболее эффективных аэродинамических схем составлен банк ступеней с оптимальными безразмерными характеристиками для разработок новых центробежных компрессоров.

Для получения корректных зависимостей, учитывающих изменение соотношений между параметрами ступеней многоступенчатой неохлаждаемой проточной части при изменении условий работы, впервые были получены безразмерные характеристики каждой ступени, по которым могут быть подсчитаны суммарные размерные характеристики при заданных условиях работы. В качестве основных зависимостей, характеризующих работу отдельных ступеней центробежных компрессоров, были приняты зависимости коэффициента теоретического напора (ри2, коэффициента мощности Х2, политропного КПД г}под, относительных потерь на протечки и трение (1 + (Зпр + ртр) и коэффициента реакции колеса 02 от коэффициента расхода (рг2.

Расчет характеристик производился методом последовательных приближений по предложенной методике Г. Н. Дена. Полученные безразмерные характеристики ступеней ($)), ($)), (<р£), и изображаются графически.

Из всех типов существующих и эксплуатирующихся центробежных компрессоров, обработаны характеристики более 800 ступеней, входящих в проточные части одноступенчатых и многоступенчатых неохлаждаемых секций, заканчивая восьмиступенчатыми. Предложено именовать аэродинамические схемы следующим образом: АС - аэродинамическая схема; 01 - одноступенчатая; 02 - двухступенчатая и т.д.; следующая пара цифр 01, 02 и. т.д. - порядковый номер отличительных признаков.

Проанализированы и обработаны экспериментальные данные всех типов компрессоров, выпускаемые на НЗЛ, в результате чего получены 48 аэродинамических схем, из них 11 схем составляют одноступенчатые; 9 схем -двухступенчатые; 4 схемы - трехступенчатые; 5 схем — четырехступенчатые; 3 схемы - пятиступенчатые; 1 схема - шестиступенчатая; 2 схемы -семиступенчатые и 1 схема - восьмиступенчатая.

Во второй главе рассмотрены основы термодинамического расчёта процессов сжатия в характерных областях на тепловых диаграммах веществ.

Для решения вопроса о применимости общего уравнения состояния в различных областях работы центробежных компрессоров и влияния на расчёт термических и калорических параметров, следовательно, и удельную работу сжатия, впервые разработаны универсальные термодинамические диаграммы и определены характерные области для различных газов.

Термодинамические диаграммы для веществ, находящихся в газообразном состоянии, как для чистых однокомпонентных веществ, так и для их смесей, впервые предложено разделить на четыре области: I - область умеренных давлений, достаточно удаленная от правой пограничной кривой;

П-область более высоких давлений, для которой Z = Х(б), где 5 - энтропия; Ш-область еще более высоких давлений, близких и превосходящих критическое ркр; IV - область реального пара вблизи правой пограничной кривой, характерной для режимов работы паровых холодильных машин.

Разработанные универсальные тепловые диаграммы для различных веществ, условно разделены на группы по назначению: 1) углеводородные (метан, этан, этилен, пропан, пропилен); 2) холодильные (Ш1, Ш2, ЮЗ, Я22, Ш34а, 11717; 3) воздух и его компоненты. Для каждой из групп веществ определены характерные области.

Во всех характерных областях рассмотрены расчёты процессов сжатия, представленные степенной зависимостью, при этом развиты методы определения показателя степени т при следующих постановках: 1) задано отношение давлений е = рк/рп; 2) задано повышение энтальпии А/ (полный напор) в процессе сжатия; 3) задан коэффициент изменения удельного объёма газа в процессе сжатия кук = рК/ри; 4) заданы е и А/. Разработан алгоритм расчёта показателя степени т при рассмотренных вариантах, использующийся при определении удельной работы сжатия в неохлаждаемой проточной части.

В практике проектирования центробежных компрессоров на Невском заводе было предложено рассматривать общий политропный процесс сжатия кусочно-политропным процессом, составленным из отрезков политроп, характеризующих процессы в отдельных элементах [50]. Исходя из этого, разработана математическая модель для расчёта термических и калорических параметров, а также для определения удельной работы. Решение системы уравнений позволяет определить политропный КПД действительного процесса сжатия и получить зависимость удельной работы сжатия по ступеням в многоступенчатой неохлаждаемой проточной части от свойств реальных газов. Предложенный метод термогазодинамического расчёта был использован при проектировании центробежных компрессоров, сжимающих реальные газы.

В третьей главе рассматриваются основы методов проектирования проточных частей, в случае отсутствия подходящих аэродинамических схем для одно- и многоступенчатых центробежных компрессоров.

Для создания новых центробежных компрессоров, не имеющих подходящих аэродинамических схем и не гарантирующих получения достоверных характеристик, необходимы экспериментальные исследования. В случае одноступенчатой проточной части величину политропного КПД предложено представить в виде, где учтены потери во всех элементах ступени.

Из ближайшего ряда одноступенчатых аэродинамических схем получены безразмерные характеристики (tjnojl, (ри2, /2, 1 +РпР+РтР) в их зависимости от коэффициента расхода <ри2 = f(<pr2), x2=f(<pr2), vn„.n = /fe>,2), 1+Рпр+Ртр= А<Р,г), Q2 = f{(pn)' Анализ статорных элементов проточной части показал, что в зависимости от геометрических размеров и форм этих элементов и от режимов работы ступени, можно найти резервы для повышения политропного КПД. Обобщение результатов исследований позволило создать банк данных по каждому элементу проточной части и представить границы изменения потерь в этих элементах.

Одновременно с анализом экспериментальных данных проведен численный анализ элементов проточной части с помощью программ расчета вязких трехмерных течений газа (ANSYS, Fluent). Построена пространственная геометрическая модель, состоящая из спиральной камеры, лопаточного диффузора, выходного патрубка, поворотного колена и прямолинейного участка трубопровода. Произведены расчеты с использованием RANS модели турбулентности k-е (уравнения Навье-Стокса, осредненные по Рейнольдсу, преобразованные в виде турбулентной кинетической энергии) и вязкости (диссипации).

В результате проведенного анализа сформулирована математическая модель, выражающая основную взаимосвязь элементов проточной части на базе экспериментальных данных.

По разработанному и предложенному методу проектирования центробежных компрессоров созданы одноступенчатые и двухступенчатые нагнетатели природного газа, высокоэффективность которых подтверждается при испытаниях.

В четвертой главе представлены способы повышения эффективности проточных частей нагнетателей природного газа. Для повышения эффективности ступеней с низконапорными и высокорасходными рабочими колесами были проведены экспериментальные исследования на модельном стенде.

Для определения оптимальных газодинамических характеристик и получения максимального политропного КПД для СПЧ нагнетателя типа 400 мощностью 32 МВт. на степень сжатия 1,38 и 1,44 и конечное давление 7,45 МПа был исследован ряд «широких» колёс на модельной установке. Исследовано 22 варианта модельных рабочих колёс с разными относительными ширинами рабочих колес ¿>2/Д> = 0.085 ч- 0.113 и углами выхода лопаток р2л = 22,5°; 27° и 32°. Получены газодинамические характеристики модельных ступеней при различных частотах вращения ротора п = 11000; 12100; 13200 об/мин (Ми2 = 0,517; 0,568; 0,620). Максимальный политропный КПД на трёх различных оборотах составляет порядка 0,8 - 0,82 при коэффициентах расхода (р°™ =0,17 + 0,20 (Ф = 0,07 - 0,115). Увеличение относительной ширины 62/£)2 приводит к уменьшению коэффициента расхода на оптимальном режиме и снижению политропного КПД ступени г\поя.

В результате экспериментальных исследований получено, что применение «широких» цилиндрических рабочих колес оправдано в том случае, если нет повышенных требований по политропному КПД (более 85 %). В противном случае, целесообразно применить осерадиальные рабочие колеса.

Для повышения эффективности проточной части нагнетателя природного газа 400-21-1С, спроектирована и изготовлена спиральная камера. Перед разработкой конструкции спиральной камеры, проведен численный эксперимент с помощью программ расчёта трёхмерных течений газа (А^УБ), с целью определения оптимальной формы и уменьшения потерь. Результаты испытаний показали высокие значения политропного КПД в расчётной точке до 86,7%, оптимальный режим работы нагнетателя соответствует техническому заданию.

В пятой главе приведен анализ характеристик подобных и одинаковых проточных частей центробежных компрессоров и секций. Дана оценка влияния критериев подобия чисел Рейнольдса Яеи и Маха Ми на характеристики компрессора и определение политропного КПД по результатам испытаний.

Выявлено, что при испытании вакуум-компрессоров на стенде предприятия при атмосферном давлении, политропный КПД уменьшается в зависимости от степени разрежения, соответственно от уменьшения числа Рейнольдса. Однако, при испытании нагнетателя 400СПЧ-1,3 8/76-32С влияние числа Рейнольдса (Яеи = 2-ь4 106) на политропный КПД не обнаружено. Разрежение создавалось, путем замены торцевых диафрагм на меньшие диаметры (с!т = 450, 375, 300, 250 мм) на входе в нагнетатель (до 0.7 ата). Следовательно, выявлено, что число Рейнольдса Яеи практически не влияет на характеристики компрессора при разрежении на входе до 0.7 ата. т.е. в области автомодельности.

Получено и подтверждено, что значительное влияние оказывает число Маха Ми при испытании многоступенчатых неохлаждаемых проточных частей. При повышении частоты вращения ротора, соответственно увеличении чисел Маха Мю значение максимального политропного КПД уменьшается.

В шестой главе рассматриваются методы унификации центробежных компрессоров, разработанные и внедренные на предприятии. Усовершенствован расчет сухих газодинамических уплотнений и разработана система обеспечения буферным и барьерным газами.

Предложены основные направления унификации,: 1) унификация газодинамических схем, гарантирующая выполнение расчетных параметров и упрощающая проектные работы; 2) унификация узлов и элементов проточной части с целью упрощения и облегчения производства компрессоров в цехах завода-изготовителя.

Проведен анализ существующих компрессоров с целью сокращения числа корпусов, находящихся в производстве и максимально возможной унификации конструкции проточных частей машин (диффузоров, ОНА, уплотнений). Разработан ряд унифицированных корпусов для нагнетателей природного газа.

Наличие унифицированных корпусов позволили резко уменьшить сроки изготовления центробежных компрессоров, вместо обычных 1 — 1,5 года процесса изготовления нового типа, понадобилось от 6 до 9 месяцев.

Проведена унификация электроприводных газоперекачивающих агрегатов мощностью 4 и 6.3 МВт с увеличением мощности до 8 МВт.

Для расчёта силовых и температурных нагрузок, возникающих в узких щелях пар трения СГУ и определения суммарных утечек буферного газа, представлена усовершенствованная методика термогазодинамического расчёта с учетом влияния термических и теплофизических свойств газов (вязкость, теплопроводность.

В седьмой главе рассматривается опыт эксплуатации центробежных компрессоров различного назначения, при создании которых использованы предложенные методы проектирования. В основном, это нагнетатели природного газа (385-21-1, 220-11-1СМП, 200-21-1СМП, 151СПЧ-1.65, 400СПЧ-1.3 8/76, 400СПЧ-1.44/76, 400-21-1С), а также компрессор попутного нефтяного газа К320-131-1 и воздушный компрессор К5500-41-1М. Общее количество спроектированных с участием автора и изготовленных центробежных компрессоров с 2007 по 2011 годы составляет 47 штук.

Для устойчивой и надежной работы СГУ в зимний период, разработаны и введены изменения в систему подачи буферного газа, заключающиеся в предварительном подогреве и осушке. Для расчета утечек газа из СГУ, предложено оптимальное соотношение расхода барьерного воздуха, влияющего на выбор вспомогательного воздушного компрессора.

Автор выражает огромную благодарность коллективу управления компрессоров ЗАО «ИЭМЭТ» за помощь и поддержку, оказанную в исследованиях проточных частях и при выполнении данной работы. Работа началась при непосредственном руководстве Георгия Николаевича Дена -моего Учителя, которому автор всем обязан и благодарен. Все что достигнуто и получено автором является продолжением его трудов и идей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обобщены результаты экспериментальных данных центробежных компрессоров Невского завода, в результате получены безразмерные характеристики более 800 ступеней, используемые при моделировании проточных частей и при пересчёте на иные условия работы центробежных компрессоров. В результате проведенного анализа проточных частей выявлено, что разнообразие типов компрессоров, изготовленных на НЗЛ сведено к 48 аэродинамическим схемам, из них 11 схем составляют одноступенчатые; 9 схем - двухступенчатые; 4 схемы - трехступенчатые; 5 схем - четырехступенчатые; 3 схемы — пятиступенчатые; 1 схема - шестиступенчатая; 2 схемы -семиступенчатые и 1 схема - восьмиступенчатая.

2. Разработана база аэродинамических схем центробежных компрессоров, включающая одноступенчатые и многоступенчатые проточные части. Проведена классификация аэродинамических схем, включающая 48 схем и позволяющая на этапе выбора принципиальной схемы оптимально подобрать прототип для новой проточной части.

3. Разработаны универсальные термодинамические диаграммы для веществ, находящихся в газообразном состоянии, как для чистых однокомпонентных веществ, так и для их смесей. Произведен анализ процессов, происходящих в проточных частях неохлаждаемых центробежных секции на термодинамических диаграммах для различных веществ. Выявлено, что термодинамические диаграммы для веществ, находящихся в газообразном состоянии могут быть подразделены на четыре характерные зоны. В каждой характерной зоне уравнения состояния могут быть представлены в виде уравнений: совершенного газа; «идеального» пара; реального газа; рабочих веществ, используемых в паровых холодильных машинах. По отображенному процессу сжатия скорректированы расчеты коэффициента сжимаемости газа. Для различных групп, состоящих из однородных веществ, построены универсальные тепловые диаграммы.

4. Разработан метод расчёта термодинамических и калорических параметров с помощью модифицированного уравнения состояния Ли и Кеслера, которое базируется на приведенных температурах и давлениях и использует фактор ацентричности.

5. Обоснованы и развиты методы определения показателя степени при степенном процессе сжатия, позволяющие решать задачи моделирования характеристик при пересчете на иные условия. В зависимости от вариантов поставленных задач, определение показателя степени т политропного процесса сжатия возможно не только графическим способом, но и аналитическим способом, который использует экспериментальные данные практически всех вариантов проточных частей Невского завода и является более эффективным.

6. Усовершенствован метод проектирования центробежных компрессоров на основе аэродинамических и конструктивных схем, дополняемой эмпирическими зависимостями коэффициентов потерь, полученных при численных и экспериментальных исследованиях элементов проточной части.

7. В результате выполненных работ по повышению эффективности проточных частей нагнетателей природного газа, достигнуто значение политропного КПД 86,5%. Результаты численного и экспериментального анализов показали целесообразность применения «развитой» всасывающей и спиральной камер.

8. Проведены экспериментальные исследования 22 вариантов низконапорных и высокорасходных модельных ступеней нагнетателей природного газа, обобщение результатов исследований которых подтвердило, что применение «широких» цилиндрических рабочих колес оправдано в том случае, если нет повышенных требований по политропному КПД (более 85%). В противном случае, целесообразно применять осерадиальные рабочие колеса.

9. Разработан метод унификации центробежных компрессоров на базе унифицированных корпусов, элементов и узлов проточной части, позволивший создать ряд ЭГПА мощностью 4, 6.3 и 8 МВт, полностью в «сухом» исполнении. Экономичность и надежность созданных ЭГПА подтверждены испытаниями на месте эксплуатации.

10. Предложенные методы проектирования и унификации центробежных компрессоров обеспечили разработку и создание первого в России серийного нагнетателя природного газа мощностью 32 МВт, с улучшенными энергетическими показателями, не уступающими по техническому уровню зарубежным аналогам.

1. Анисимов, С.А. Газодинамический расчет центробежных компрессоров поэлементным методом (метод ЛПИ) Текст. / С.А. Анисимов // Учебно-методическое пособие: ЛПИ имени М.И. Калинина, 1974. 135 с.

2. Бурцев, С.И., Цветков, Ю.Н. Влажный воздух. Состав и свойства Текст. / С.И. Бурцев, Ю.Н. Цветков // Учебное пособие. СПб.: СПбГАХПТ, 1998. - 146 с.

3. Бухарин, H.H. Моделирование характеристик центробежных компрессоров Текст. / H.H. Бухарин. Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983. - 214 с.

4. Вассерман, A.A. О составлении единого уравнения состояния для газа и жидкости с помощью ЭВМ Текст. / A.A. Вассерман // В сб. ГСССД; «Теплофизические свойства веществ и материалов». Вып. 10. М.: Изд-во стандартов, 1976. - С.7-34.

5. Вукалович, М.П., Новиков, И.И. Уравнение состояния реальных газов Текст. /М.П. Вукалович, И.И. Новиков. М. Л: Госэнергоиздат, 1948.340 с.

6. Вукалович, М.П., Новиков, И.И. Термодинамика Текст./ М.П. Вукалович, И.И. Новиков. М.: Машиностроение, 1972. - 670 с.

7. Галеркин, Ю.Б., Селезнёв, К.П. Профилирование рабочих колёс промышленных компрессоров методом ЛПИ Текст. / Ю.Б. Галеркин, К.П. Селезнев// Учеб. пособие. Л., 1979. - 48 с.

8. Галлеев, А.М., Шнепп, В.Б. Опыт освоения производства унифицированных центробежных компрессорных машин на Казанском компрессорном заводе Текст. / A.M. Галлеев, В.Б. Шнепп // Химическое и нефтяное машиностроение. 1978. №1 - С.65-67.

9. Гамбургер, Д.М. Численное моделирование течения вязкого газа в центробежной компрессорной ступени: методика и результаты Текст./Д.М. Гамбургер// дисс. . канд. техн. наук: 05.04.06: защищена 15.11.09: утв. СПб.- 2009. 190 с.

10. Гунбин, Б.Л. Структура потока на входе в колесо центробежного компрессора в относительном движении Текст. / Б.Л. Гунбин. -«Энергомашиностроение», 1964. №10 - С. 43-44.

11. Гунбин, Б.Л. Передатчик давления для измерения параметров относительного потока Текст. /Б.Л. Гунбин. «Энергомашиностроение», 1972. - №6 - С.44-46.

12. Ден, Г.Н. Исследование лопаточных диффузоров центробежных компрессорных машин Текст. / Г.Н. Ден. «Энергомашиностроение», 1959. - №10 - С.3-7.

13. Ден, Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах Текст. / Г.Н. Ден. Л. - «Машиностроение», 1973. - 272 с.

14. Ден, Г.Н., Гунбин, Б.Л., Лесман, В.И. Определение коэффициента теоретического напора центробежной ступени Текст. / Г.Н. Ден., Б.Л.Гунбин, В.И. Лесман. «Энергомашиностроение», 1974. - № 1- С. 3-5.

15. Ден, Г.Н. Проектирование прочной части центробежных компрессоров Текст./ Г.Н. Ден. Термогазодинамические расчеты.

16. Л.: «Машиностроение», 1980. -232 с.

17. Ден, Г.Н. Введение в термогазодинамику реальных газов Текст./ Г.Н. Ден. Монография. СПб.: Издательство СПбГТУ, 1998. 142 с.

18. Ден, Г.Н., Перескоков, А.Е. К расчету давлений на канавочном участке сухого торцового газового уплотнения ротора турбомашины Текст./ Г.Н. Ден, А.Е. Перескоков // Компрессорная техника и пневматика. -1998. №18-19. -С. 50-55.

19. Ден, Г.Н. Моделирование проточных частей ЦКМ для сжатия реальных газов и пересчет газодинамических характеристик на иные условия Текст./ Г.Н. Ден. РТМ-7179-99. СПб.: АО «НИКТИТ»,-1999, -100 с.

20. Ден, Г.Н. К использованию метода Ли-Кеслера при газодинамических расчётах ЦКМ для сжатия реальных газовТекст./ Г.Н. Ден//Турбины и компрессоры, -1999. -№ 8,9. -С.78-82.

21. Ден, Г.Н., Юн, В.К. Газодинамические характеристики различных типов сухих торцевых газовых канавочных уплотнений роторов турбомашин Текст./ Г.Н. Ден, B.K. Юн//Турбины и компрессоры. -2001. -№ 3-4 (16-17). -С.34-39.

22. Ден, Г.Н., Малышев, A.A. Прошкин, Д.В. К получению газодинамических характеристик неохлаждаемых ЦКМ для сжатия реальных газов Текст./ Г.Н. Ден, A.A. Малышев, Д.В. Прошкин//Турбины и компрессоры. -2002. -№ 3,4 (20, 21). -С.34-40.

23. Ден, Г.Н. Термогазодинамика сухих торцевых газовых уплотнений роторов турбомашин Текст./ Г.Н. Ден: Монография. Владивосток: Дальрыбвтуз, -2003. 290 с.

24. Ден, Г.Н., Юн, B.K. Характерные области в зоне газообразного состояния на тепловых диаграммах Текст./ Г.Н. Ден, В.К. Юн//Компрессорная техника и пневматика. -2009. -№1. -С. 23-26.

25. Дорфман, JI.A. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел Текст./ JI.A. Дорфман. -М.: Гос. изд. ФМЛ, -1960. -260 с.

26. Евдокимов, В.Е. Особенности газодинамических характеристик унифицированных ступеней ЦКМ Текст./В.Е. Евдокимов//Турбины и компрессоры, -1997.-№ 1. -С. 30-33.

27. Евдокимов, В.Е. О результатах расчёта теоретического коэффициента напора методом теории решетокТекст./ В.Е. Евдокимов//Турбины и компрессоры. 1997. -.№2. -С. 20-23.

28. Евдокимов, В.Е., Лысюк, В.И. О некоторых конструктивных особенностях и газодинамических характеристиках ступеней с осерадиальными колесамиТекст./ В.Е. Евдокимов, В.И. Лысюк// Турбины и компрессоры. -2004.- №1,2 (26, 27). -С.49-58.

29. Лапицкий, А.Е. О расчёте характеристик нагнетателей природного газа по методу ISOTeKCT./ А.Е. Лапицкий/ЛГурбины и компрессоры. -1997.-№1. -С. 33-35.

30. Камке, Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям Текст./ Э Камке. М.: «ИЛ», 1951.-828 с.

31. Каталог-справочник .Центробежные компрессорные машины. -1970. -М. НИИИНФОРМТЯЖМАШ,, 215 с.

32. Каталог. Компрессорные машины и турбины АООТ «Невский завод». -2000. -М. -С. 159.

33. Ковалевский, Н.И., Кузьмин, В.Е., Спирин, Н.Ю., Чернявский, Л.К.

34. Кожухов, Ю.В. Анализ и математическое моделирование напорной характеристик центробежного компрессорного колеса с использованием результатов расчёта невязкого квазитрехмерного потока Текст./Ю.В. Кожухов: дисс. канд. техн. наук. -2007. -СПб. С. 161.

35. Корн, Г., Корн, Т. Справочник по математике Текст./ Г.Корн, Т. Корн. -М.: «Наука». -1978. С. 832.

36. Коршунов, A.B. Метод профилирования лопаток обратнонаправляющего аппарата центробежного компрессора с применением сплайн функций Текст./ A.B. Коршунов. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. СПб., СПбГПУ. -2009. -С.16.

37. Кутателадзе, С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление Текст./ С.С. Кутателадзе: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990.-367 е.: ил.

38. Лившиц, С.П. Аэродинамика центробежных компрессоров Текст./ С.П. Лившиц. М. -Л., «Машиностроение», 1966, 340 с.

39. Методические указания по проведению теплотехнических и газодинамических расчётов при испытаниях газотурбинных газоперекачивающих агрегатовТекст./ A.A. Щуровский, С.Н. Синицын и др. -1999.-М.: ВНИИГАЗ. -С. 51.

40. Мифтахов, А. А., Зыков, В. И. Входные и выходные устройства центробежных компрессоров Текст./ А. А. Мифтахов, В. И. Зыков. К.: Фон, 1996.198 с.

41. Некоторые работы НЗЛ по исследованию проточной части центробежных компрессорных машин Текст./В.Ф. Рис, Г.Н. Ден, А.Н. Шершнева, И.А. Тилевич //Энергомашиностроение. -1966, -№ 9. С.2-6.

42. Никитин, A.A. Цукерман, C.B. Расчёт потерь в выходном устройстве центробежного компрессора Текст./ A.A. Никитин, C.B. Цукерман//Энер-гомашиностроение. -1979. -№6. -С. 17-19.

43. Попов, A.A., Лапицкий, А.Е., Евдокимов, В.Е., Бухарин, H.H.

44. Сравнения различных методов расчёта процесса сжатия реальных газов в холодильных и технологических центробежных компрессорах Текст./ A.A. Попов, А.Е. Лапицкий, В.Е. Евдокимов, H.H. Бухарин// Турбины и компрессоры. -2005. -№ 1,2 (30,31). -С. 31-36.

45. Попов, A.A. Расчет термогазодинамических процессов и определение к.п.д. холодильного центробежного компрессора, сжимающего реальные рабочие вещества, методом обобщенной политропы Текст./ A.A. Попов//Автореф. канд. дисс. СПбГУНПТ, 2008, 16с.

46. Поташев, A.B., Поташева, Е.В. Методика и программа решения обратной задачи для решетки профилей с учетом пограничного слоя Текст./A.B. Поташев, Е.В. Поташева: сб. науч. тр. Под. ред. д.т.н. Шнеппа В.Б. -1997. -Казань. -№3. -С. 65-77.

47. Раер, Г.А. Динамика и прочность центробежных компрессорных машин Текст./ Г.А. Раер. Л., «Машиностроение», 1968, 256 с.

48. Раухман, Б.С. Решетка профилей в произвольном слое переменной толщины Текст./ Б.С. Раухман//Труды ЦКТИ. -1971.-106. -С. 9-33.

49. Рид, Р., Праусниц, Дж., Шервуд, Т. Свойства газов и жидкостей Текст./ Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд.-Л.: «Химия», 1982. 542 с.

50. Рис, В.Ф. К вопросу о моделировании центробежных компрессорных машин Текст./В.Ф. Рис//Советское котлотурбостроение. -1938, -№8-9. -С. 355-360.

51. Рис, В.Ф. Центробежные компрессорные машины Текст./ В.Ф. Рис. М. -Л., Машгиз, 1951,245 с.

52. Рис, В.Ф. Центробежные компрессорные машины Текст./ В.Ф. Рис. М.-Л., «Машиностроение». 1964. 336 с.

53. Рис, В.Ф. Центробежные компрессорные машины Текст./ В.Ф. Рис. М.-Л., «Машиностроение». 1981. 351 с.

54. Рис, В.Ф. Расчёты сжатия реальных газов* Текст./В.Ф. Рис//Турбины и компрессоры, -1999.- № 8,9.-С. 73-77.

55. Рис, В.Ф. К вопросу о применении рабочих колёс ЦКМ с пространственными лопатками Текст./ В.Ф. Рис.// Турбины и компрессоры. -2004. -№1,2 (26, 27). -С.45-48.

56. Селезнев, К.П., Подобуев, Ю.С., Анисимов, С.А. Теория и расчет турбокомпрессоров Текст./ К.П. Селезнев, Ю.С. Подобуев, С.А. Аниси-мов.-Л.: «Машиностроение», 1968. -.408 с.

57. Селезнев, К.П., Галеркин, Ю.Б. Центробежные компрессоры Текст. / К.П. Селезнев, Ю.Б. Галеркин . Л.: Машиностроение, 1982. - 271 с.

58. Симонов, Л.А. Осевые компрессора Текст./ Л.А. Симонов // Сборник теоретических работ по аэродинамике. ЦАГИ. М.: Оборонгиз, 1957. С. 463-509.

59. Соловьев, В.Г. Определение времени выхода ЦКМ на установившийся режим Текст./ В.Г. Соловьев // Турбины и компрессоры. Вып. № 2 , 1997. - С. 28-29.

60. Соловьев, В.Г. О внутреннем теплообмене в неохлаждаемых секциях ЦКМ Текст./ В.Г. Соловьев// Турбины и компрессоры. Вып. 8-9 (1,2 -99), 1999.-С. 34-38.

61. Соловьев, В.Г., Ден, Г.Н. О выборе центробежных нагнетателей для закачки природного газа в подземные хранилища Текст./ В.Г. Соловьев, Г.Н. Ден //Турбины и компрессоры. Вып. № 1-2(10-11), 2000. - С. 9-12.

62. Справочник по специальным функциям Текст./Под ред. М. Абрамовича, Н. Сиган. -М.: Наука, 1979. С. 125-140.

63. СТО ГАЗПРОМ 2-3.5-138-2007 Типовые технические требования к газотурбинным ГПА и их системам М. 2007 Текст./ СТО ГАЗПРОМ2.3.5-138-2007. Типовые технические требования к газотурбинным ГПА и их системам. М. 2007.

64. СТО Газпром 2-3.5-245-2008. Рекомендации по выбору технических решений для реконструкции тппоразмерных парков ГПА. Текст./ Официальное издание ОАО «Газпром». М.: 2009. 30 с.

65. Столярский, М.Т. Характеристики центробежных компрессорных колёс с различным углом входа Текст./М.Т.Столярский.- Энергомашиностроение, 1966. № 9 - С. 19-22.

66. Страхович, К.И. Центробежные компрессорные машины Текст./ К.И. Страхович. JI.-M.: Машгиз, 1940. - 355 с.

67. Таблицы стандартных справочных данных. Газ природный расчётный. ГСССД 81-84.

68. Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификацпи природных газов (справочное пособие) Текст./В.А. Загорученко и др. М.: Недра, 1980. 320 с.

69. Тилевич И.А. Исследование лопаточных диффузоров центробежных компрессорных машин Текст.: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук/ И.А. Тилевич. Л., ЦКТИ им. И.И. Ползунова, 1969. - 19 с.

70. Холодильные машины Текст./Под. ред. И.А. Сакуна. Л.: Машиностроение, 1985. 506 с.

71. Чистяков Ф.М., Игнатенко В.В., Романенко Н.Т., Фролов Е.С. Центробежные компрессорные машины Текст./ Ф.М.Чистяков, В.В .Игнатенко, Н.Т.Романенко, Е.С.Фролов. «Машиностроение». - М., 1969.-327 с.

72. Шайдак, Б.П., Ширманов, В.М., Чернин, М.Е., Юн, В.К., Ерохин, С.К.

73. Инновационные проекты ЗАО «РЭПХ» Текст./ Б.П. Шайдак,

74. B.М. Ширманов, М.Е. Чернин, В.К. Юн, С.К. Ерохин // Труды пятнадцатого международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-2010». СПб, 2010.1. C.28-29.

75. Шайхутдинов, А.З., Щуровский, В.А.; Сальников, С.Ю.

76. Шершнева, А.Н. Влияние некоторых конструктивных элементов ступени на осевые усилия в центробежном нагнетателе Текст./ А.Н.Шершнева. -«Теплоэнергетика», 1965. №8 - С. 78-82.

77. Шершнева, А.Н. Аэродинамические усилия, действующие на ротор центробежного нагнетателя Текст.: Автореф. дис. на соиск. учен. степ, канд. техн. наук/ А.Н.Шершнева. Л.: ЛПИ им. М.И. Калинина, 1966. -15 с.

78. Шкарбуль, С.Н. Исследование пространственных течений вязкой жидкости в рабочих колесах центробежных компрессоров Текст.: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук/ С.Н. Шкарбуль. Л., ЛПИ им. М.И. Калинина, 1974. - 39 с.

79. Шнепп, В.Б., Евгеньев, С.С. Экспериментальное определение осевого усилия, действующего на вращающийся диск Текст./В.Б. Шнепп, С.С. Евгеньев. Химическое и нефтяное машиностроение, 1970. - №8. -С. 10-12.

80. Шульц, Дж. М. Политропический анализ центробежного компрессора Текст./ Дж.М.Шульц // Труды Американского общества инженеров механиков. 1962. - №1, январь.

81. Юн, В.К. Теория и расчет сухих торцевых газовых канавочных уплотнений валов холодильных турбокомпрессоров Текст.: дис. канд. техн. наук/ В.К. Юн. СПбГУНПТ. -СПб., 2002. - 142 с.

82. Юн, В.К. Система обеспечения сухих торцевых газовых уплотнений центробежных компрессорных машин буферным и барьерным газами Текст./ В.К. Юн. Турбины и компрессоры. - Вып. 1,2 (30,31), 2005. -С. 38-41.

83. Юн, В.К. К вопросу испытаний многоступенчатых центробежных компрессорных машин Текст./ В.К. Юн // Труды двенадцатого международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования -2006». СПб.: АСКОМП. - С. 144-150.

84. Юн В.К. Анализ газодинамических характеристик подобных и одинаковых центробежных компрессоров и секций Текст./ В.К. Юн // Компрессорная техника и пневматика. Вып. №1, 2011. - С. 29-36.

85. Юн В.К. Методы расчёта термогазодинамического процесса сжатия реальных газов в проточных частях центробежных компрессоров Текст./

86. B.К. Юн // Компрессорная техника и пневматика. Вып. №5, 2011.1. C. 24-30.

87. ANSYS CFX 13: User Manual Электронный ресурс. / ANSYS Inc., 2011.

88. International Standard IS05389 /1991(E) / Turbocompressors Performance Test Code.