автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Повышение эффективности ступеней многовальных мультипликаторных центробежных компрессоров путем регулирования поворотом лопаток входного направляющего аппарата и диффузора

На правах рукописи

САФИУЛЛИН Анас Гадулович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТУПЕНЕЙ МНОГОВАЛЬНЫХ МУЛЬТИПЛИКАТОРНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ ПУТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОВОРОТОМ ЛОПАТОК ВХОДНОГО НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА И ДИФФУЗОРА

Специальность - 05.04.06 Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

Автореферат диссертации

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Казань - 2003

Работа выполнена на кафедре "Компрессоры и пневмоагрегаты" Казанского государственного технологического университета и в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им.В.Б.Шнеппа"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Максимов Валерий Архипович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мифтахов Альберт Абдрахманович, доктор технических наук, профессор Сухомлинов Игорь Яковлевич

Ведущая организация:

ОАО "Казанское моторостроительное производственное объединение" (ОАО КМПО) г. Казань

Защита состоится " 16 " октября 2003 г. в 14 часов, на заседании диссертационного Совета К212.080.01 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, Казань, ул. К.Маркса, д.68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Автореферат разослан

2003 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие общего и энергетического машиностроения, химической, нефтехимической и других отраслей промышленности привело к необходимости создания компрессорных машин общего назначения, сжимающих, воздух от атмосферного давления до давлений 1... 1,5 МПа. Среди различных типов компрессоров, используемых для этой цели, в настоящее время наибольшее применение получили многовальные мультипли-кзторные центробежные компрессоры (МЦК). Свыше 26 зарубежных фирм изготавливают и поставляют такие компрессоры производительностью от 30 до 5000 м /мин на давление нагнетания до 5 МПа. В России и странах СНГ производство многовальных мультшишкатор-ных центробежных компрессоров в полной мере освоено лишь на ОАО "Казанькомпрессормаш", что объясняется главным образом технологическими причинами.

Компрессоры мультипликаторной схемы имеют ряд неоспоримых преимуществ - возможность применения осевого входа газа для всех ступеней и выполнения оптимальных геометрических соотношений в каждой ступени, а также выбора оптимальной частоты вращения рабочих колес, что, наряду с охлаждением газа после каждой ступени, позволяет достичь достаточно высокого уровня КПД

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

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

Настоящая работа выполнена в соответствии с приоритетными направлениями фундаментальных и прикладных исследований по реализации федеральной целевой программы "Энергосбережение России", утвержденной постановлением Правительства Российской федерации от 24 января 1998 года, а также с решениями VI 1-Х 11 Международных конференций по компрессоростроению.

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

графически закон оптимального регулирования ступени МЦК одновременным поворотом лопаток ВНА и ЛД;

усовершенствована математическая модель центробежного компрессора применительно к ступеням МЦК;

выполнена идентификация математической модели и произведено обобщение результатов экспериментальных исследований;

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

ДД;

разработаны рекомендации по проектированию и оптимальному регулированию ступеней МЦК.

Научная новизна. В процессе исследования получены новые научные результаты по вопросам регулирования мульгипликаторных центробежных компрессоров. Основные положения диссертации, научная новизна которых защищается:

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

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

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

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

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

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

1. Применением аттестованных измерительные средств, апробированных методов измерений с оценкой их погрешностей и воспроизводимостью результатов при проведении экспериментальных исследований;

2. Применением при разработке и совершенствовании математической модели фундаментальных законов сохранения массы вещества, количества движения, энергии, а также строгостью используемого математического аппарата;

3. Идентификацией математической модели по результатам экспериментальных исследований центробежной ступени;

4. Сравнением результатов расчетных и экспериментальных данных.

Практическая ценность. Доработанная и идентифицированная математическая модель, а также полученный на основе анализа характеристик закон оптимального регулирования поворотом лопаток ВНА и ЛД, рекомендации по проектированию обеспечивают создание новых эффективных конструкций МЦК, и позволяют провести их оптимизацию.

Результаты работы используются:

- в ЗАО "НИИТурбокомпрессор" и ОАО "Казанькомпрессормаш" в виде расчетно-исследоватсльских программ при создании новых и типовых конструкций мультипликатор-ных центробежных компрессоров;

- в учебном процессе кафедры компрессоров и пневмоагрегатов Казанского государст-

венного технологического университета, что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII Всесоюзной научно-технической конференции по компрессоро-строению (Казань, 1985); X и XII Международных научно-технических конференциях по компрессоростроению (Казань, 1995, 2001), отчетных научно-технических конференциях Казанского государственного технологического университета (Казань, 2000-2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 2 патента РФ, 2 свидетельства на промышленный образец и одна монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 197 страниц, в том числе 119 рисунков, 9 таблиц, расположенных по тексту. Слисок литературы включает 106 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности темы исследования, раскрывается научная новизна, сформулированы цель и задачи работы, перечислены основные положения диссертации, которые выносятся на защиту и краткое содержание диссертации.

В первой главе приводится обзор конструкций многовальных центробежных компрессоров и современных способов регулирования центробежных компрессоров. Работы известных ученых Эйлера Л., Стодолы А., Кертона Б., Степанова А.И., Пфлейдерера К., Эккерга Б., Траупеля В., Страховича К.И. в области центробежных машин составляют ее теоретическую основу и уже стали классическими. Значительный вклад в развитие центробежных компрессоров внесли работы Виноградова Б.С., Холщевникова К.В., Риса В.Ф., Дена Г.Н., Селезнева К.П., Шнеппа В.Б., Галеркина Ю.Б., Бухарина H.H., Рекстина Ф.С., Епифановой В.И., Шерстюка А.Н., Шкарбуля С.Н., Мифтахова A.A. и др. Рассмотрены работы по исследованию вопросов регулирования центробежных компрессоров, авторов Александровского П.Г., Сухомлинова И.Я., Бухарина H.H., Бондаренко Г.А., Зиневича Г.Н., Дена Г.Н., Соловьева В.Г., Довженко В.Н., Зыкова В.И., Селезнева К.П., Евдокимова В.Е., Епремяна Р.Е, Журавлева Ю.И., Камаева Ю.И., Иванова Г.И., Иванова Ю.В., Перфилова В.Г., Калниня И.М., Кочеткова JI.B., Латыпова Г.Г., Лившица С.П., Петросяна Г.Г., Г1ятах1мой Т.Т., Савельевой И.Ю., Симона, Валльманна, Менка, Шишкина В.М. и др., касающиеся исследования регулирования центробежных компрессоров. Приведена достаточно подробная классификация рассмотренных и возможных способов регулирования.

Отмечено, что работы по созданию математических моделей центробежных компрессоров и их элементов проводились в СПбГТУ (ЛПИ), СПбГУНиПТ (ЛТИХП), ЦКТИ, ЦИ-АМ, ВНИИхолодмаше, КГТУ им. А.Н.Туполева, КГТУ (КХТИ) и ЗАО "НИИТурбокомпрессор". На основании проведенного анализа конструкций МЦК и научно-технической литературы по регулированию ЦК и МЦК сформулированы основные выводы и задачи исследования.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям и анализу влияния изменения положения лопаток ВНА и ЛД на газодинамические характеристики центробежной ступени, выполненной с использованием технических решений по патенту [3] автора. Приводится описание экспериментального стенда, методов измерений основных параметров ступени и контрольно-измерительной аппаратуры, программы, методики проведения испытаний и обработки результатов экспериментальных исследований. Произведена также оценка погрешностей измерения контролируемых величин. Экспериментальная ступень и схема расположения точек отбора давлений представлены на рис. 1 и 2. Испытания проведены при ра'шичном сочетании значений углов установки лопаток ВНА 0^,=-45, -30,30, +60° и ПЛД авд= 15,21,27,33° на двух частотах вращения, соответствующих Ми=0,8 и 0,9.

Рис. 1.Экспериментальная ступень

На основе полученных экспериментальных данных построены 31 характеристика ступени.

В качестве примера на рис.3 и 4 представлены экспериментальные характеристики ступени при регулировании изменением угла установки лопаток только ВНА и постоянном авд=21° (расчетное значение при Ми=<),8). При изменении угла установки от -45° до 60° одновременно со смещением характеристик по расходу (связанным со смещением характеристик рабочего колеса) происходит изменение напорности ступени, которое объясняется изменением окружной составляющей скорости С Ц| в уравнении Эйлера

ш

(при овна^О" и Сш=0 закрутка потока отсутствует).

При закрутке потока в сторону вращения рабочего

колеса Сщ имеет положительные значения и напорностб снижается, при закрутке же против вращения Си1 становится отрицательной и напорность увеличивается.

Поскольку зависимость коэффициента потерь в диффузоре при положительных углах атаки сравнительно пологая, то при положительной закрутке снижение коэффициента напора и КПД несколько меньше, чем при закрутке против вращения. В случае закрутки против вращения правая часть характеристики ограничивается довольно резким ростом потерь в диффузоре, который и определяет критические расходы через ступень.

На рис.5 и 6 показаны характеристики ступени при регулировании изменением угла установки лопаток только ЛД (ивна^'0)-Видно, что при уменьшении «дд характеристики смещаются в сторону снижения расходов (вследствие снижения критической производительности ступени). При этом с уменьшением угла установки а.щ от 33° до 15° напорность увеличивается, что обусловлено известной закономерностью возрастания коэффициента на пора ерю при снижении коэффициента расхода <рй Для колес с лопатками рабочего колеса, загнутыми против вращения. Дальнейшее расширение диапазона регулирования возможно при уменьшении авд до ~ 10°, с плавным снижением КПД на 2-3%. При еще большем уменьшении ащ происходит (при неизменной характеристике рабочего колеса) значительное рассогласование колеса и диффузора, что приводит к существенному снижению коэффициента напора и КПД ступени.

Рис.2.Счема отборов давлений в сечениях "2-2" и-4-4"

... ,.

к

\

\ 1 1

—

V --

А-

.1« ф.

Рис 3.Характеристики ступени при Ми=0.8 и «„,=21°

Анализ экспериментальных данных показал, что часть характеристик перекрывает друг друга, т.е. возможен целый ряд комбинаций углов установки лопаток ВНА и ЛД, обеспечивающих одинаковые значения коэффициентов расхода и напора (при некотором значении условного числа Маха). Однако коэффициенты полезного действия (и соответствующая потребляемая мощность) в этих вариантах будут разными.

Это обстоятельство позволяет выделить сочетание углов установки лопаток ВНА и ЛД, обеспечивающие некоторую пару значений "коэффициент напора - коэффициент расхода" при наибольшем КПД. Множество же сочетаний этих углов, обеспечивающих максимум КПД при различных значениях коэффициента расхода (и фиксированных значениях коэффициента напора и условного числа Маха), определяет оптимальный закон регулирования конкретной ступени с двумя регулирующими элементами.

Для нахождения оптимального закона регулирования по экспериментальным данным были построены линии уровня для коэффициента расхода и КПД (при фиксированных значениях условного числа Маха и коэффициента напора) для исследованных сочетаний углов установки лопаток ВНА и ЛД. На рис. 7 приведены линии уровня, полученные на основании экспериментальных характеристик, соответствующим Мц = 0.8 и ц/ =0.57.

Анализ линий уровня позволил сделать вывод о том, что наибольшая эффективность регулирования может быть достигнута при одновременном изменении положения лопаток ВНА и ЛД и графически получить закон оптимального регулирования ступени (линия А-В).

Одна из точек, принадлежащих линии А-В (точка С), соответствует сочетанию углов установки лопаток ВНА и ЛД, обеспечивающих наибольшее значение КПД во всем диапазоне регулирования. Горизонтальная прямая, проходящая через нее, соответствует изменению параметров ступени при регулировании только ВНА при неизменном положении лопаток диффузора, равном 21°. Аналогично, параметры ступени при регулировании только ЛД отображаются вертикальной прямой.

Множество сочетаний углов установки лопаток ВНА и ЛД, лежащих на линии А-В, и есть оптимальный закон регулирования данной ступени для конкретных М„ и 4/. Любая

......

ггГ1

С-

> А Ь-.—43е

1 ® 4

-а—г

Ф.

Рйс.4. Характеристики ступени при Ми=0.8 и аот=21°

точка на ней обеспечивает получение некоторого значения Ф„ с максимальным КПД.

При относительном снижении КПД не более чем на 5% (от 0,785 в точке С до 0,745) коэффтщенту расхода Ф„ т„=0,102 соответствует сочетание углов установки ащр.270 и ®вна~-24°. Минимальный коэффициент расхода Фн „¡„=0,043 обеспечивается сочетанием углов установки адц=12,5° и аВ1[А=+42°. Таким образом, относительно оптимального коэффициента расхода Ф„~0,0Я, диапазон регулирования «оставляет от 54% до 128%.

На рис. 8 приведены линии уровня, полученные на основании экспериментальных характеристик, соответствующих Ми=0.9 н у*==0,6.

В третьей главе выполнено обобщение результатов экспериментальных исследований с использованием метода математического моделирования. За основу принят комплекс программ и входящая в него поэлементная математическая модель центробежной ступени, разработанные в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева под руководством д т.н, профессора А.П. Тунако-ва, которые в дальнейшем был существенно доработаны и широко используются в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им.В.Б.Шнеппа" при проектировании компрессоров.

Программный комплекс позволяет рассчитывать характеристики компрессоров, а также выполнить оптимизацию выбранной конструкции и идентификацию математической модели по результатам экспериментальных исследований. Приводится краткое описание программного комплекса и входящих в него модулей расчета характеристик, идентификации и оптимизации. Основу программного комплекса составляет поэлементная математическая модель (рис. 9). представляемая как совокупность математических моделей отдельных его элементов в виде черных ящиков.

Математическая модель построена на основе методики поверочного расчета, но в отличие от нес рассчитана на достаточно широкий класс задач. Алгоритм математической модели многоступенчатого компрессора представляет собой последовательность расчетов её элементов по их математическим моделям. При этом рассчитанные выходные параметры предыдущего элемента проточной части являются входными для последующего.

и у Л |

г" Г

V

И

.Ха| 0* "'. яктерис к тики ег » у'пени щ *.....~ >иМи=Ч >2 8 и а„„ г ф. = 0°

5» у^

.... . ..1...

Г V

1

Рис 6 Характеристики ступени при Ми=Ч) 8 и авш= 0°

(град)

О 5 10 15 20 25 30 35 <0 45

вми, (град)

Рис 7. Линии уровня и оптимальный закон ргаулировании ступени для МиИ) 8 и \()*=0 57

0-м.

(град)

-35 -30 -2D -15

5~ 10 15 » 25 »

а»н« (град)

где сора,

Рис 8 Линии уровня и оптимальный закон регулирорания ступени дои Ми=0.9 и \|/*=0 6

Математическая модель центробежного компрессора в обшем виде:

г = *К,и, У).

Ъ г= (гь 22,..., г^) - вектор основных параметров центробежного компрес-

К = (гь Г™) - вектор геометрических размеров, определяющий проточную часть,

и = (иь и2,..., и™) - вектор параметров, задающий режим работы компрес-

сора,

V - (уь Уг• •, Уяу) - вектор констант.

В процессе выполнения настоящей работы программный комплекс и математическая модель доработаны применительно к центробежной ступени МЦК при регулировании поворотом лопаток входного направляющего аппарата и диффузора. В данной работе в исходную математическую модель включены дополнительно (рис.9) такие элементы, как входной направляющий аппарат ВНА, переходной кольцевой канал ПКК и диффузор с поворотными лопатками ПЛД.

Коэффициент потерь для ВНА с поворотными лопатками вычисляется по формуле, приведенной в работе С.А.Довжика:

?врв

airnm

гдеСх =0.015 + 0.014-—+0.016-С?, t у

t

"у =2 —-sinam • ctga, -Сх • ctgam,

a„

«,т, - углы потока. Угол выхода потока то ВНА определяется по формулам М.В.Хайта:

«1=<*1л +0.25-(а0л-а1л)-22-(^1 -С™* при а,<46°,

а,=а]л+0.25-(а0л-а1л)-(45-0.5-а,л)-Стах приа,>46°.

Кроме того, был добавлен модуль переходного кольцевого канала, соединяющего выход ВНА с входом рабочего колеса. Алгоритм модуля позволяет рассчитать кольцевой канал достаточно сложной формы и учитывает влияние трения вязкого газа о стенки канала не только на уменьшение полного давления на выходе из канала, но и изменение окружной

составляющей скорости потока.

Параметры потока рассчитываются в нескольких поперечны« сечениях по длине канала. Работа трения в этом случае определяется:

"К f |К -НЛ1—jtt|—|K¡—][Г

л t—4_H~k -ил ь4 J-ч

1 ¡r ¡' I " ÍJ !' ' Р ' "

BhHnWfHHs -ЧпН~сМ°

I: 11:

Ht

-ГТ-1Г —ЧвМв ' —jy¡—Н,н

uJ

»НиНс1 ■■-iáJ-UW.

где иия:

Рис 9.Схема математической модели многоступенчатого центробежного компрессора

А,ф - коэффициент сопротивле-

с)г - гидравлический диаметр; 1 -длина траектории частицы в ядре потока.

Коэффициент сопротивления трения корректируется в зависимости от угла раскрытия эквивалентного диффузора и кривизны линий тока.

Для того, чтобы рассчитать характеристики компрессора с вновь

введенными регулирующими элементами, в программу были внесены дополнения. В математическую модель каждого регулируемого элемента ступени добавлен алгоритм вычисления соответствующей регулируемой переменной (например, угла установки лопаток) в зависимости от численного значения заданного аргумента.

Закон оптимального регулирования, определяющий взаимную зависимость регулируемы« элементов компрессора, определяется системой уравнений вида

где

— Кф•Ка • Км-к¥

адд = А +В • авт + С • а^

Кф = 1.+Офп •ФИ+Оф,2 Ф2 при Фн >0.075

Кф = 1. + 0Ф2, ■Фн+0Ф22 Ф2 при Ф„ ¿0.075

Ка авна + 2 ®вяа при авиа >0.

Ка = 1+»а2Г авна + 2 " авн«1 при ат .50.

Км = 1+Омп •ми+оМ12 М*

,-12'V

•2

,.*2

Рис 10. Характеристики ступени при «и=15° и М„=0.8 --расчет, 0 - эксперимент

Рвс.11. Характеристики ступени при «^,-15° и М„~0.8 --расчет; □ - эксперимент

к¥ =1. + Оч,и-\|/

при \|/ >0.5

Кч,=1. + Оч)21-ч/* +0^22-4/' при \|/* < 0.5,

где А, В, С, Ц - константы закона регулирования.

Для произвольного сочетания параметров, задающих режим работы ступени (Ф„, Ми, V*) данная система уравнений позволяет однозначно определить углы установки Они и «лд, обес-печиваюших максимальный КПД ступени.

Полученные в результате оптимизации константы зависимости заносятся во входные данные, описывающие конкретную ступень, что позволяет непосредственно рассчитать характеристики регулируемой ступени.

Как отмечалось во второй главе, на основе выполненного эксперимента построены линии уровня для коэффициента расхода и КПД в зависимости от значений углов установки лопаток ВНА и ЛД, что позволило графически найти взаимную зависимость углов,

обеспечивающую максимум КПД при различных значениях коэффициента расхода.

Однако подобный способ нахождения оптимального закона регулирования требует проведения достаточно большого числа испытаний, объем которых существенно возрастает в случае многоступенчатого компрессора при большем числе регулируемых элементов. Кроме того, следует отметить, что графическое решение этой задачи при числе регулируемых переменных более двух представляется весьма проблематичным.

Разработанная математическая модель позволяет, выполнив относительно небольшой объем экспериментов, рассчитать и построить упомянутые выше линии уровня или выполнить непосредственную оптимизацию углов установки лопаток ВНА и ДД и определить оптимальный закон регулирования. Экспериментальные характеристики достаточно снимать только при крайних значениях исследуемых параметров

По результатам экспериментальных исследований была выполнена идентификация математической модели цетробежной ступени МЦК. Приведены постановка задачи идентификации, значения поправочных коэффициентов модели до и после идентификации. В процессе идентификации была проведена дополнительная доработка математической модели, учитывающая влияние больших углов забутки потока на входе в колесо на коэффициенты уменьшения напора и потерь в рабочем колесе.

На рис. 10 и 11 для примера приведено сравнение расчетных характеристик ступеней,

полученных по уточненной модели и экспериментальных. Наибольшее расхождение расчетных и экспериментальных данных на крайних точках характеристик составляет около 3,5%.

В качестве примера были выполнены расчеты оптимального закона регулирования при тех же условиях, что и во второй главе, т.е. для коэффициента напора ч» =0.57 и условного числа Маха М„=0.8.

При этом получены следующие значения коэффициентов:

А = 0.57, В = 0.245, С = 0,00=-0.785, Цм1=а.346, Оф,г=1.001, 0Ф21=--4.027, Оф22=4).2Х1, ОаЦ=-О.Ш, Оа, 2=0/00034, Цд,=0.0135, 0022 ~0.00044. Характеристики ступени, регулируемой по найденному закону, приведены на рис. 12,13.

Ввдно, что именно при таком регулировании с одновременным изменением углов установки ВНА и ЛД происходит наиболее значительное расширение рабочего диапазона с сохранением у* и незначительным (до Рис. 13.Характеристики ступени с оптимальным '%) снижением КПД на границах ре-регулированием ВНА и ДД при М„=0.8 комевдуемого диапазона регулирова-

Рис. 12.Характеристики ступени с оптимальным регулированием ВНА и ДЦприМ„=0 8

кия.

Четвертая глава посвящена внедрению результатов исследований и опыту промышленного освоения многовальиых центробежных компрессоров. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования центробежных компрессоров ЗАО "НИИТурбокомпрессор" и используются в учебном процессе кафедры "Компрессоры и пневмоагрегаты" КГТУ (КХТИ). Приводится опыт промышленного освоения МЦК с применением регулирующих лопаточных аппаратов, рекомендации по проектированию и применению регулирования поворотом лопаток ВНА и ЛД

Для учета влияния перепуска газа при комбинированном регулировании вводится понятие КПД с учетом коэффициента использования сжатого газа Кде МЗо/С^ в виде

-Цч _ ^п1(|,адлол) _ „

Л 6(1,ад,пол) ~ .,— ~ , ^ и(УП(1>ад,шл)

ГЬ Ок13

где Ы„ - полезная мощность, эквивалентная расходуемому потребителем количеству газа, N3- затрачиваемая мощность, Оп - массовый расход, подаваемый потребителю, массовая производительность компрессора. С учетом этой формулы графики зависимости КПД от условного коэффициента расхода при различных способах регулирования имеет вид (рис. 14).

Как видно из графиков, в диапазоне расходов от нуля до точки открытия бай-пасного клапана зависимость КПД от условного коэффициента расхода представляет собой прямую линию с угловым коэффициентом, равным коэффициенту использования сжатого газа. Такая диаграмма позволяет обоснованно выбирать способ регулирования компрессора в необходимом диапазоне производительности с учетом перепуска газа через бай-пасный клапан, исходя из экономической целесообразности расширения диапазона регулирования. Из приведенных графиков также видно, что наибольшее расширение диапазона экономичного (с незначительным снижением КПД) регулирования достигается применением комбинированного способа совместного регулирования ВНА и ЛД.

Приведены также данные о выпускаемых в настоящее время ОАО "Казанькомпрессормаш" МЦК, в том числе и с применением регулирующих лопаточных аппаратов и сведения об опыте эксплуатации этих машин в промышленных условиях.

В приложении представлены акты внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Выполнен подробный обзор конструкций МЦК и способов их регулирования. Регулирование в широком диапазоне изменений производительности с сохранением приемлемых значений КПД возможно обеспечить только использованием комбинированных сповобов. Для МЦК наиболее предпочтительным является применение комбинированного способа

Рис. 14 Различные варианты регулирования о учетом перепуска гача

регулирования одновременным поворотом лопаток ВНА и ПЛД

2.Проведены экспериментальные исследования модельной ступени МЦК с поворотом лопаток ВНА и ЛД. Они показали, что:

- при изменении угла установки а „а от -45° до + 60° характеристики смещаются в сторону уменьшения расхода и происходит снижение напорности ступени;

- диапазон оптимального регулирования по расходу изменением углов установки а,т и условии сохранения постоянного коэффициента напора, соответствующего расчетному (у*=0,57) составляет до 40%. При этом КПД снижается не более, чем на 5% от максимального. Для углов а „и от 0° до -45° диапазон регулирования составляет 23% по расходу, а для а „а от 0 до +40° диапазон регулирования без снижения коэффициента напора составляет 17%;

- при изменении угла установки лопаток диффузора с уменьшением угла установки лопаток а коэффициент напора увеличивается, что обусловлено известной закономерностью возрастания коэффициента напора при снижении коэффициента расхода фг2 для рабочих колес с лопатками, загнутыми против вращения. Для характеристик при Ми=0,8 при сохранении коэффициента напора »р*=0,57 диапазон оптимального регулирования составляет 30 %. При этом КПД снижается не более, чем на 5% от максимального на расчетном режиме;

- регулирование с помощью ЛД при сохранении постоянного коэффициента напора, соответствующему максимальному КПД на расчетном режиме, возможно от расчетного режима только в сторону уменьшения расхода, что подтверждается другими авторами. Диапазон регулирования с сохранением >у*=0,57 в этом случае для углов установки аю =21 15° составляет 11%, при этом КПД снижается не более, чем на 2%. В результате, уменьшение ат приводит к существенному смещению границы помпажа. Дальнейшее расширение диапазона регулирования возможно при уменьшении угла установки ап до 10°, где происходит плавное снижение КПД на 2-3 %. Последующее снижение Ощ нежелательно из-за значительного рассогласования характеристик колеса и диффузора, что приводит к резкому снижению коэффициента напора и КПД ступени;

- при комбинированном регулировании возможен целый ряд комбинаций углов установки лопаток ВНА и ЛД, обеспечивающих одинаковые значения коэффициентов расхода и напора, но КПД в этих вариантах будут разными. Таким образом, возможен выбор оптимального сочетания углов установки лопаток ВНА и ЛД, обеспечивающих наибольшее значение КПД. По совокупности сочетания углов установки лопаток ВНА и ЛД для заданного коэффициента напора при различных значениях коэффициента расхода графически определен закон оптимального регулирования;

• при оптимальных сочетаниях углов установки лопаток по результатам экспериментальных исследований при снижении КПД не более 5 % от оптимального значения и сохранении постоянства коэффициента напора (ч/*=0,57 при Ми=0,8), можно обеспечить диапазон регулирования по коэффициенту расхода в пределах 54...128 % (50...135% для у*=0,биМи=0,9).

3. Выполнено усовершенствование математической модели применительно к МЦК и ее идентификация на основе экспериментальных исследований.

Проведенные расчетные исследования по программе показали, что:

- в результате усовершенствования и идентификации математической модели удалось снизить погрешности расчета по среднестатистической модели примерно с 5 % до 2... 3,5 %;

- математическая модель позволяет выполнить непосредственно оптимизацию углов установки лопаток ВНА и ЛД и определить закон оптимального регулирования изменением угле» установки лопаток ВНА и ЛД. Полученные в результате оптимизации для каждого

коэффициента расхода значения углов аппроксимированы квадратичным полиномом, где коэффициенты полинома определяются расчетным путем на основе математической модели;

- полученные законы оптимального регулирования могут быть использованы при регулировании характеристик ступени МЦК или компрессора, где установлены ВНА и ЛД с поворотными лопатками.

4. Результаты исследований используются при проектировании центробежных компрессоров ЗАО "НИИТурбокомпрессор" и в учебном процессе кафедры "Компрессоры и пневмоагрегаты" Казанского государственного технологического университета.

5. Приведены рекомендации по дальнейшему внедрению результатов исследований в практику проектирования новых и модернизации находящихся в эксплуатации МЦК. Например, при необходимости экономичного (со снижением КПД не более 5%) регулирования производительности ступени с поддержанием постоянного конечного давления Рк=сопй (при Ми=0,9 и ¥*=0,6) в диапазоне 85-100% можно применять дросселирование; поворот лопаток ВНА позволяет расширить диапазон рабочих режимов до 69-127%, а поворот лопаток только ЛД соответственно до 72-100%. Одновременный поворот лопаток ВНА и ЛД расширяет диапазон регулирования до 50-135%. Наиболее широкий диапазон рабочих режимов может быть достигнут комбинированным регулированием поворотом лопаток ВНА и ЛД совместно с байпасным перепуском на линию всасывания - до 0-135%.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Афанасьев Б.В., Дроздов Ю.В., Лунев А.Т., Сафиуллин А.Г., Солтеев П.В. Методы исследования влияния газодинамических и геометрических данных центробежного компрессора с помощью математической модели. / Тезисы докладов XI1-МНТК по компрессорной технике, Казань, 2001-С.45-46/.

2. Афанасьев Б.В., Сафиуллин А.Г., Солтеев П.В. Экспериментальный стенд и методика определения характеристик ступеней многовальных центробежных компрессоров / Тезисы докладов XI 1-МНТК по компрессорной технике, Казань, 2001-С.72-73/.

3. Лопаточный диффузор центробежного компрессора: патент №2194125 от 17.10.2001г. / С.Г.Коханов, Р.Ф.Муртазин, С.Л.Русланов, Р.А.Сагитов, А.Г.Сафиуллин,- 2с.

4. Многоступенчатый центробежный компрессор: Патент № 702763 от 14.08.1979 / Ф.Г.Гильмутдинов, С.Г.Коханов, Г.Г.Петросян, А.Г.Сафиуллин, В.Б.Шнепп.- 8с.

5. Сафиуллин А.Г. Исследование регулирования ступени многовалыюго центробежного компрессора // Техника. -2001.-№ 6.-С.6-8.

6. Сафиуллин А.Г. Определение характеристик ступени многовального центробежного компрессора при изменении параметров входного регулирующего аппарата (ВРА) и лопаточного диффузора (ЛД) // Тезисы докладов XI 1-МНТК по компрессорной технике, Казань, 2001.-С.65-66.

7. Сафиуллин А.Г. Центробежный компрессор общего назначения 32ВЦ-100/9. // Химическое и нефтяное машиностроение. -1989.-№ 4.-С. 14-15.

8. Сафиуллин А.Г., Хадиев М.Б., Максимов В.А. Экспериментальные исследования регулирования газодинамических характеристик ступеней центробежных компрессоров изменением углов установки лопаток входного направляющего аппарата и лопаточного диффузора,- Казань, КГТУ.-Препринт П-1.03,2003.-50с.

9. Установка компрессорная центробежная унифицированная: свидетельство на промышленный образец № 19524 от 23.12.1985 / Б.А.Галеев, С.М.Гельман, Ф.Г.Гильмутдинов, Р.Р.Ишмуратов, В.С.Лобарев, Г.Г.Петросян, А.Г,Сафиуллин, В.Б.Шнепп - 2с.

10. Центробежная компрессорная установка: свидетельство на промышленный образец № 12324 от 27.04.1981 / Б.АГалеев, С.М.Гельман, Ф.Г.Гильмутдинов, В.С.Лобарев, Г.Г.Петросян, А.Г.Сафиуллин, В.Б.Шнепп-2с.

»14247

11. Шнепп В.Б., Петросян Г.Г., Шишкин В.М, Сафиуллин А.Г., Гильмутдинон Ф.Г., Кример Е.М., Булычев О.П. Разработка и экспериментальное исследование нового центробежного компрессора общего назначения // Проектирование и исследование компрессорных машин: Сб. научных трудов, Казань, 1982.-С.118-127. ^ оЗ

Соискатель У/р»"-^ А.Г.Сафиулпин

Тираж 80экз

Офсетная лаборатория Казанского государственного технологического университета 420015, Казань, К.Маркса, 68

Заказ 266.

Основные обозначения.

Введение.•.

I. МНОГОВАЛЫ1ЫЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ.

1.1 Обзор конструкций многовальных центробежных компрессоров

1.1.1 Схемы МЦК.

1.1.2 Давления нагнетания и производительности.

1.1.3 Ступени компрессора.

1.1.4 Газоохладители.

1.1.5 Регулирование МЦК.

1.2 Современные способы' регулирования центробежных компрессоров.

1.2.1 Регулирование изменением характеристики сети.

1.2.2 Регулирование параллельным или последовательным подключением нескольких потоков или компрессоров.

1.2.3 Регулирование изменением характеристики компрессора . .'.

1.2.4 Комбинированные способы регулирования.

1.3 Моделирование характеристик центробежных компрессоров при различных способах регулирования.

1.4 Выводы. Постановка задачи.

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

2.1 Оппсаппе экспериментального стенда для исследования ступени

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

2.3 Программа, методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований.

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

2.5 Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

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

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

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

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

ВНАиЛД.

2.6 Выводы.

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

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

3.2 Расчетные модули.

3.3 Функции и структура диалоговой оболочки.

3.4 Математическая модель центробежного компрессора.

3.4.1 Основные допущенйя и схема расчета элементов.

3.4.2 Входное устройство.

3.4.3 Рабочее колесо.

3.4.4 Безлопаточный диффузор.

3.4.5 Лопаточный диффузор.

3.4.6 Выходное устройство.

3.5 Доработки математической модели и программного комплекса.

3.5.1 Входной направляющий аппарат.

3.5.2 Переходный кольцевой канал.

3.5.3 Программная реализация алгоритма регулирования.

3.6 Идентификация математической модели центробежной ступени

3.6.1 Постановка задачи идентификации.

3.6.2 Уточнение математической модели.

3.6.3 Доработки модели.

3.7 Оптимизация закона регулирования.

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

4.1 Рекомендации по выбору вариантов регулирования.

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

0 - параметры на входе в рабочее колесо,

1 - параметры на входе в решетку рабочего колеса,

2 - параметры на выходе из рабочего колеса,

3 - параметры на выходе из безлопаточного диффузора,

4 - параметры на выходе из лопаточного диффузора,

СОКРАЩЕНИЯ

МЦК - многовальный мультипликаторный центробежный компрессор,

ЦК - центробежный компрессор,

ВНА — входной направляющий аппарат,

ВРА - входной регулирующий аппарат,

РК - рабочее колесо,

БЛД - безлопаточный диффузор,

ЛД - лопаточный диффузор,

КПД - коэффициент полезного действия,

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

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

10 задачи, являются весьма актуальными.

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

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

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

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

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

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

- усовершенствована математическая модель центробежного компрессора применительно к ступеням МЦК;

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

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

- разработаны рекомендации по проектированию и оптимальному регулированию ступеней МЦК.

Основные положения диссертации, научная новизна которых защищается:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. МНОГОВАЛЬНЫЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Дросселирование на нагнетании 71, [221,

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

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

5. Комбинация способов 22., [86]

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

7. Изменения характеристики сети и геометрии проточной части