автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Разработка, исследование и внедрение "сухих" газодинамических уплотнений центробежных компрессорных машин

На правах рукописи

ш

НОВИКОВ Евгений Александрович

РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ

«СУХИХ» ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ УПЛОТНЕНИЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН

Специальность 05.04.06—«Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 О НОЯ 2014

005555421 казань-2ом

005555421

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Официальные оппоненты:

Фалалеев Сергей Викторинович. доктор технических наук, профессор. Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (Национальный исследовательский университет), заведующий кафедрой «Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов»

Юн Владимир Климентьевич. доктор технических наук, ЗАО «Институт энергетического машиностроения и электротехники» (г. Санкт-Петербург), начальник отдела расчётов и исследований компрессоров управления перспективных разработок компрессоров

Сухомлинов Игорь Яковлевич, доктор технических наук, профессор. ОАО «ВНИИХолодмаш-холдинг» (г. Москва), главный научный сотрудник, начальник-отдела исследований и разработок

Ведущая организация: Федеральный научно-производственный центр ОАО НПО «Искра», г. Пермь

Зашита состоится 12 декабря 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (420015. г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68. Зал заседаний Учёного совета - каб. 330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» и на сайте www.ic.stLi.ru

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь ^ Герасимов

диссертационного совета // Александр Викторович

Д 212.080.11 г^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Центробежные компрессорные машины получили широкое распространение в химической, нефтяной и газовой промышленности. Центробежные компрессоры (ЦК) в составе технологических установок незаменимы при производстве высококачественного бензина и смазочных материалов, переработке углеводородов и их производных, производства удобрений, транспортировки и сжижении природного газа. Применение ЦК в производственных циклах повышенной опасности предъявляет высокие требования к надёжности их отдельных узлов и агрегата в целом.

Наиболее слабыми узлами турбомашин являются опорно-уплотнительные системы роторов. В центробежных насосах и компрессорах около 16% всех неисправностей составляет выход из строя упорных подшипников, а почти 40-80% отказов и производственных потерь происходит из-за выхода из строя уплотнений.

В этой связи разработка и совершенствование моделей функционирования, изучение процессов происходящих при работе уплотнений с целью повышения их надёжности является актуальной задачей.

На сегодняшний день наилучшим техническим решением для предотвращения протечек газа из корпуса сжатия центробежного компрессора в окружающую среду является применение систем «сухих» газодинамических уплотнений (СГУ). Благодаря неоспоримым преимуществам СГУ над ранее применяемыми масляными уплотнениями корпуса сжатия, комплектация вновь проектируемых и выпускаемых центробежных компрессоров системами СГУ доходит до 95% от общего объёма выпуска.

Применение СГУ в центробежных компрессорах позволяет исключить из технологической схемы агрегата громоздкую и энергоёмкую систему обеспечения циркуляции уплотнителыюго масла, исключить загрязнение сжимаемого газа маслом, уменьшить потери на трение в уплотнениях, ресурс и надёжность СГУ выше, чем у масляных уплотнений, что позволяет экономить на обслуживании агрегата в целом.

На отечественном рынке СГУ, в большей степени, представлены фирмами «EagleBurgmann» (Германия), «John Crane» (Великобритания), НПФ «Грейс-

инжиниринг» (Украина), ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» (Россия). Также известны такие производители СГУ, как ООО «ПНПК» (Россия), ЗАО «ТРЭМ - Казань» (Россия), «Pacific Wielz» (США), «EG&G Seaiol» (США), «Fiexibox» (Великобритания), «Dresser Rend» (США), «Flowserve» (Канада).

Наибольших успехов в России в области исследования и разработки СГУ, судя по публикациям, добились 3 научных центра - в Казани на базе ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» совместно с КНИТУ (КХТИ), в Санкт-Петербурге - СПбГТУ, в Самаре - Самарский Аэрокосмический университет. Значительный вклад в исследование СГУ внесли Максимов В.А., Ден Г.Н., Фалалеев C.B., Юн В.К., Виноградов A.C., Лучин Г.А., Болдырев Ю.Я., Зуев A.B., Бондаренко Г.А., Левашов В.А., Роговой Е.Д., а также разработчики упорных газовых подшипников Пинегин C.B., Емельянов A.B. и другие.

Шль_шботьг Разработать, исследовать и внедрить типоразмерный ряд СГУ, охватывающий широкий спектр центробежных компрессорных машин.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. - разработать термоупругогазодинамическую модель работы СГУ, учитывающую: разогрев газа в зазоре между газодинамическими кольцами; зависимость вязкости и плотности газовой смеси от температуры; деформации газодинамических колец, находящиеся под действием неравномерного поля температуры и давления;

2. - разработать программный комплекс, позволяющий проводить расчёты СГУ без переноса промежуточных данных из одной расчётной системы в другую и не требующей от оператора ЭВМ знаний конечно-разностных математических методов;

3 - на основе разработанного программного комплекса выполнить расчётное исследование работы СГУ, определить степень влияния отдельных геометрических размеров газодинамических колец и режимных параметров работы компрессора на форму и величину зазора, расход утечки газа через уплотнение;

4. - разработать уплотнения, испытательный стенд и провести экспериментальные исследования работы СГУ, сопоставить результаты с выводами теоретических исследований;

5. - разработать рекомендации для проектирования СГУ;

6. - разработать типоразмерный ряд СГУ, системы для контроля их работоспособности и регулирования, внедрить на вновь выпускаемых компрессорах взамен импортных.

Научную новизну работы составляют:

термоупругогазодинамическая модель работы СГУ, описанная системой дифференциальных уравнений с соответствующими граничными условиями;

коэффициент конусности Ку , характеризующий форму уплотнительного

зазора;

анализ влияния режимных параметров работы ЦК и геометрических размеров газодинамических колец на форму и величину уплотнительного зазора, расход утечки газа, а также промежуточные выходные данные - распределения температуры и давления в зазоре, распределения температуры, радиальные и осевые деформации в газодинамических кольцах;

экспериментальные значения распределения давления и температуры газа в уплотнителыюм зазоре;

рекомендации по проектированию формы уплотнительного зазора, выбору предпочтительных геометрических размеров газодинамических колец.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием для описания работы СГУ классических уравнений теории газовой смазки и термоупругости, обоснованностью принятых допущений, строгостью используемого математического аппарата, сопоставлением экспериментальных и расчётных результатов.

Практическое значение работы заключается в организации производства СГУ в ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» (ЗАО НТК), внедрении разработанного типоразмерного ряда СГУ в ЦК выпускаемых ОАО «Казанькомпрессормаш», которые с успехом эксплуатируются на предприятиях ОАО «Роснефть», ОАО «Сибур», ОАО «Лукойл», ОАО «Газпром». Внедрение СГУ производства ЗАО НТК позволяет отечественным нефтегазовым компаниям обеспечивать свою экономическую и техническую безопасность, отказавшись от поставки дорогостоящих импортных комплектующих, а также получать оперативный и доступный сервис в процессе эксплуатации СГУ. Одновременно денежные

средства, получаемые от добычи углеводородов, и направляемые на приобретение СГУ остаются в России и инвестируются в научные исследования отечественного компрессоростроительного предприятия.

Апробация—работы, Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных научно-технических конференциях и конгрессах: десятом (Санкт-Петербург - 2004), одиннадцатом (Санкт-Петербург - 2005) и двенадцатом (Санкт-Петербург - 2006) международных симпозиумах «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования»; XIII международной научно-технической конференции «Герметичность, вибронадёжность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования» (Украина, Сумы - 2011); IX международной научно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин» (Казань-2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных трудов, включая 10 статей в журналах рекомендованных ВАК, 7 в периодических изданиях и трудах конференций, получен 1 патент на изобретение, издана 1 монография.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 98 источников, 2* приложений и изложена на 280 странице, содержит 137 рисунков, 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении, представлены преимущества использования СГУ в ЦК над ранее используемыми уплотнениями с масляным гидрозатвором, обоснована актуальность работы, определены цель и основные задачи, отмечены научная новизна и практическая ценность, представлена структура диссертации.

В первой главе представлено описание принципа работы уплотнительной газодинамической ступени СГУ, рассматриваются конструкции СГУ в зависимости от области применения, а также исполнение отдельных конструктивных элементов СГУ, представлена классификация уплотнений по конструктивному исполнению.

Проанализирован уровень расчётных методик и экспериментальных исследований из имеющихся в опубликованных литературных источниках. Анализ исследований показал, что приводимые частные решения не дают ответы на весь комплекс вопросов, возникающих при проектировании и связанных с определением формы уплотнительного зазора, а также определению геометрических размеров газодинамических колец, оказывающих наибольшее влияние на деформации колец, значение минимального зазора #тт и расхода утечки Q . В публикациях по данной тематике имеется весьма малое количество результатов по экспериментальным исследованиям, отсутствуют работы, в которых сопоставляются расчётные и экспериментальные характеристики. Рассмотрен положительный опыт внедрения систем СГУ в центробежных компрессорах. На основе рассмотренного материала сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлена математическая модель работы СГУ, описанная системой дифференциальных уравнений с соответствующими граничными условиями.

Уравнения газовой динамики описывают течение в уплотнительном зазоре, в расчётной области, ограниченной элементом «канавка — выступ» (рис. 2).

Для описания расчётной области используется полярная система координат г,в, где г - радиальная и в - окружная координаты.

В радиальном направлении расчётная область заключена между внутренним радиусом аксиально-подвижного кольца Ят (граница Г1) и наружным радиусом колец Я, (граница Г2).

В окружном направлении расчётная область заключена между наружной кромкой текущей газодинамической канавки, переходящей в отрезок, определяемый углом ам (граница ГЗ) и наружной кромкой следующей канавки, переходящей в отрезок, определяемый углом (граница Г4).

Уравнение наружной кромки текущей канавки определяется:

в = «о, -агссоз((г2 + Д02, -)/(2г • Я01)) (1)

Уравнение внутренней кромки текущей канавки определяется:

в = а02 - агссо5((г2 + Я022 - Кгт„г )/(2г • Яп )) (2)

Наружная кромка следующей канавки определяется уравнением:

0 = «01 - агссоз ((г2 + Л02, - )/(2г -Л0,))-('/, + /;,), (3)

где ат, аВ2 - полярный угол соответственно точки О, и Ог, /?01, Д0, - полярный радиус соответственно точки О,, 02, , 2 - угловая протяжённость канавки и выступа соответственно, /?2 - радиус окончания газодинамических канавок, " радиусы наружной и внутренней кромок газодинамической канавки.

(О

««а----

Рис. 2. Расчётная область элемента «канавка-выступ»

Распределение давления в уплотнительном зазоре описывается приближением тонкого слоя - уравнением Рейнольдса, которое в безразмерной форме имеет вид:

д_ дг

^грИъ ср д

р сг) г 80

с—Гз грп ср

= ~гА.— (р1г), 8вХ '

Р дв,

где г = Лв„г - радиус, /г = НИ - зазор, р = р0р - плотность газа, р = р0р - вязкость

газа, р = Р0 р - давление газа, Л = 6рйаЯ2и/Н2 Р0 - параметр сжимаемости, СО -скорость вращения ротора. Здесь и далее индекс О означает параметры газа перед уплотнением, индекс 2 - параметры газа за уплотнением, черта над параметром означает безразмерный параметр.

Граничные условия для уравнения Рейнольдса имеют вид:

р = 1, г = /?,/*„; р = Рг/Р0,г = \ ; (5)

по окружной координате выполняется условие

периодичности по в.

Распределение средней по величине зазора температуры описывается уравнением энергии, которое имеет вид:

РсН Г сг ) г2 дв{ ' дв

77-1У дГ1

-1 т- дТг]

_ _ дТ _ 1 дТЛ сг г дв ,

(6)

где IV - функция диссипации, учитывающая тепловыделение за счёт вязкого трения и за счёт изменения удельного объёма, уг , у0 - составляющие скорости по координате

г и в соответственно, Я = Т- коэффициент теплопроводности газа, Л,-= Л(/Д0,('= 1,2) - коэффициенты теплопроводности соответствующего газодинамического кольца, г, = г,//,к,(/= 1,2) - координата, отсчитываемая вдоль оси соответствующего кольца; - толщина аксиально-подвижного кольца,

а ^о . „ _ ЛрНоКи ' р0СрН2Р0' 2 ЬкрйСрНъР0'

Для уравнения энергии задаются условия на трёх границах: на. входе в уплотнительный зазор и на поверхностях вращающегося (граница Г5) и аксиально-подвижного (граница Г6) колец (рис. 3).

Граничные условия на входе в уплотнитедьный зазор задаются в виде равенства температуры Т уплотняемой температуре Т0 :

Т = 1,г = \

(7)

Л 0 0 72

Рис. 3. Расчётная схема к уравнениям энергии, теплопроводности и термоупругости

Граничные условия на поверхностях колец заменены условиями сопряжения, моделирующими потоки теплоты, соответственно через вращающееся (граница Г5) и аксиально-подвижное (граница Г6) кольца:

" Л1 1.4=0»" .-2=0

(8)

Уравнения Рейнольдса (4) и энергии (6) связаны между собой зависимостями вязкости и плотности газовой смеси от температуры:

М = Т"к; р = Р/- . (9)

Распространение теплоты во вращающемся и аксиально-подвижном кольцах осуществляется по закону Фурье и описываются уравнением теплопроводности в твёрдом теле. Уравнение теплопроводности для вращающегося кольца имеет вид (10):

0 «3Ч & ^ ] к,

1 - - -

+ Ь2 |г=0 +¿>3 }ат[т{г,:)-т0(г,:)щ^ +

о

+ Ь4 =0

л}

Т-с

о

где ат-ат!а - местный коэффициент теплоотдачи, аг = ат(я,) - коэффициент теплоотдачи, 6, = (Л,„ /¿4 )2, , = агДв2„ /Я111, Ьг = аЛ, /Я,, Ьь=аЯ11Л1 безразмерные постоянные.

Для уравнения теплопроводности (10) задаются граничные условия третьего рода (11). Полагается что температура кольца, соприкасающегося с газовым слоем в уплотнительном зазоре (Граница Г5) совпадает со среднеинтегральным значением решения уравнения энергии (6). На остальных границах кольца осуществляется теплообмен по закону Ньютона с омывающим эти поверхности газом:

Т=Т„„{г)при \<г<Й1, 2=0 (п)

Т0 = 1- на остальных участках поверхноспи кольца Уравнение теплопроводности для аксиально-подвижного кольца записывается в виде (12):

{д2Т , д2ТЛ

г о I , о 1

] — + ь,—Г

- ™ о:

гс!гЛ+

у

к.

Л,

_ _ Я** _ _

+Ь5 \ап[т{г,:)-Т0{г-)}с1г\-:_А +Ь5 ]а,Хт{г,:)-Т0{г,2)ЩЫ2 +

+ К\а п[т{г,2)-т0{г,ф\.г^ +Ь7 \а т[т(г,1)-Т0{г,ф\т=Жш + о \

1 _ _ _ \а т\т{г,1)-Т0{г,г)Щ?=-Кш1 + 6, ]а +

К™, о

1

+ 6,0 ¡а ,,\Т{г,2)-Т0{г,1>)Ы-г=к = 0,

¡7

где ¿5=а/?в„/^, ¿>7 =аД,„/;12,\=аКвыт1Х1> Ь9=аЯт111,

Ъ1п = аКт: / Хг - безразмерные постоянные.

По аналогии с уравнением теплопроводности для вращающегося кольца, для аксиально-подвижного кольца также задаются граничные условия третьего рода в виде:

Т =Тгаза{г) при 1<г<Я„ 2=0

(13)

Т0 = \-на остальных участках поверхноспи кольца.

Уравнение упругого равновесия газодинамических колец, находящихся под действием силовых и термических деформаций строятся на основе классической модели термоупругости. Уравнение упругого равновесия для вращающегося кольца записывается в виде (14):

Цл,

\ К^гг + °в0£00 + + ^п^пУ^'Е =

О Кз

Сд Л, Л, 1 Яре,

= с, [ р2гс!гсИ + с2 г_0 + с2 _\Р2Щ+ с2 Р2+

0 ' К,,

V» о о

Компоненты безразмерного тензора напряжений связаны с компонентами тензора деформаций и безразмерной температурой следующими соотношениями:

(дй. Си, и. —

^ ОЛ (Ж г )

(8иг ди, и."] = С5 + - + I + сп€м-сгт,

где

^ ТГ^'-б а- - I ОГ 02 Г )

. дй. си и Л -

о-« = + с6+ + спеа - с87\ = с7гг„,

ОГ 02 Г )

ди. иг си, 1ГЗн2 5г/г К]„Рйа2

дг г 21 ° а? ' " ° йг / ' ЕдН

КЛ с = М. с = М> с V»» с =*«

1кЕдН' 3 ЕдН' 4 £ЙЯ' 5 (1 + //лД1-2/^)' 6 1К -7 = Т7Г~-Ч> с8 = (Зс5 + 2с7 )т0кьлс;1 ,с9=- Н

Безразмерный вектор смещений й =(иг, и,), где иг = Нйг,и, = Ни, удовлетворяет граничным условиям закрепления вращающегося кольца в виде:

йг(Ед,г) = ОД3 <г<ЖвЬ1С (15)

Уравнение упругого равновесия для аксиально-подвижного кольца записывается в виде (16):

¡(апегг + авдЕвд + саеа + стггЕгх УОГсВ =

д

К, Ци

1 Щ я«.».

__'1 ' Чь™

+ с,0 }(- ^У^Ц + СП К"1 Щг-^ +С,2 |И>4=*. +

1 о /,

1 '2 - 1 - I

Компоненты безразмерного тензора напряжений связаны с компонентами тензора деформаций и безразмерной температурой следующими соотношениями:

где

(диг ди, г/, \ _

Г ЭгТ о;7. г/, ^ _

Гдйг ди, и, \ _

_- _"г г „ ¿4- 1 С ЗгТ2 5/7 ^

^ - 1 ^' 16" 0+/ОМ л«)' 17 "7/ 18

с19 = (Зс16 + 2с9)Г0КЬкС^, С20 =

Н

К,,

К уравнению упругого равновесия (16) задаются граничные условия второго рода, когда известны давления и температуры, действующие на поверхности аксиально-подвижного кольца (граница Г6, Г12, Г13, Г15, Г16)

Свойства материалов вращающегося и аксиально-подвижного колец в представленных уравнениях, соответственно обозначены как: Ед,ЕК - модуль упругости, рд,рк - плотность, ц„д,цпК - коэффициент Пуассона, КЬд,КЬк -коэффициент линейного расширения.

Вклад в безразмерную величину зазора за счёт деформации газодинамических колец определяются по формуле:

/7 (г)=и<'>(г)+«,<*>(?), (17)

где «."'(г), м(,2>(г) - решение задачи о равновесии вращающегося и аксиально-подвижного колец.

Система представленных уравнений замыкается условием равновесия сил, действующих на аксиально-подвижное кольцо:

к, = кР+- К - ), (18)

где Т'см = | ^р(г,в)гс[гс1в - безразмерная реакция газового слоя, И„р = /{р^,,) о я..

- суммарное безразмерное усилие пружин, действующих на тыльную сторону

аксиально-подвижного кольца.

Уравнение (18) служит для определения зазора между газодинамическими

кольцами.

Расход утечки газа через СГУ, определяется на выходе из уплотнительного зазора по формуле:

_ _ Г / п п выхода

(19)

Сг

В результате решения поставленной математической задачи разработана программа расчёта СГУ, общий объём кодов которой составляет около 41 тыс. строк

текста.

В третьей главе представлен теоретический анализ влияния режимов работы ЦК и геометрических размеров газодинамических колец на Ят!п, Q, деформации и форму уплотнительного зазора. Установлено, что форма уплотнительного зазора, обеспечивающая на всех режимах работы ЦК отсутствие контакта между газодинамическими кольцами, должна соответствовать конфузорной в области газодинамических канавок и дифузорной в области уплотнительного пояска

(рис. 4).

К Нбходп В

Рис. 4. Форма уплотнительного зазора

Деформации рабочих поверхностей газодинамических колец в осевом направлении, образующие уплотнительный зазор, определяются взаимными перемещениями точек, представленными на рис. 4: для вращающегося кольца И-К; для аксиально-подвижного А-Б (область уплотнительного пояска), Б-В (область газодинамических канавок).

Для оценки изменения формы уплотнительного зазора вводится коэффициент

конусности, который определяется по формуле:

= (20)

где Ь - протяжённость газового слоя, которая для формы уплотнительного зазора, представленного на рис. 4 определяется:

Ашх)а ~ ^гтап > ^выхода ~ ^шш — Кен '

в остальных случаях:

За основу для проектирования типоразмерного ряда СГУ принята номенклатура центробежных компрессорных машин, производимых на ОАО «Казанькомпрессормаш». Расчётное исследование представлено на примере СГУ для нагнетателя природного газа ГПА-16 «Волга». Диаметры газодинамических колец данного уплотнения имеют наибольшие размеры из представителей ряда, а следовательно большие окружные скорости и деформации рабочих поверхностей при прочих равных условиях.

За номинальный (расчётный) режим работы уплотнения принят режим работы компрессорного агрегата с параметрами Р0 = 56 кгс/см2, Т0=333 К и п =5600 об/мин.

При расчётном исследовании параметры сгруппированы следующим образом: 1 - режимные параметры работы компрессора (Г0,л,Р0); 2 - радиусы установки резиновых уплотнительных колец (Цкор, 3 - размеры, определяющие

геометрию газового слоя 4 - размеры

газодинамических колец ,/,,/2,,/вы„, ); 5 - свойства материалов

колец.

При исследовании влияния режимов работы компрессора (параметры 1°" группы) установлено:

увеличение уплотняемой Т0 не оказывает существенного влияния на #тп, ¡2, деформации рабочих поверхностей газодинамических колец и форму

уплоткительного зазора:

- увеличение « до 15000 об/мин (+250% от расчётного режима работы) вызывает увеличение температуры в уплотнительном зазоре до 30 К относительно Тй. При этом практически линейно увеличивается Нтт , чем определяется линейный рост <2 на 0,25 нм3/ч при увеличении п на 1000 об/мин. Деформация рабочей поверхности вращающегося кольца возрастает в 4,5 раза от 0,59 до 2,71 мкм (рис. 5).

2.26 нкм

5.85 мин

1.78 тЫК!

ШШ

? Ш

/ / I

3.13 пкм/в! -178 тМ

2.37 мкЫИ!

1М нкмШ!

ОА9мкн!Ы 0.93 тМ

0.93 мкмШ

а)

б)

Рис. 5. Форма уплотнительного зазора в зависимости от п а - и =400 об/мин, б - « = 15000 об/мин

На рис. 5 и далее цифрами обозначены: 1 - рабочая поверхность вращающегося кольца без учёта деформаций; 2 - рабочая поверхность аксиально-подвижного кольца без учёта деформаций; 3 - рабочая поверхность вращающегося кольца с учётом деформаций; 4 - рабочая поверхность аксиально-подвижного кольца

с учётом деформаций; 5 - газодинамическая канавка. Деформация рабочей поверхности аксиально-подвижного кольца в области уплотнительного пояска увеличивается от 0,33 до 0,44 мкм, в области газодинамических канавок увеличивается от 0,76 до 0,95 мкм. Большие деформации рабочей поверхности вращающегося кольца по сравнению с деформациями рабочей поверхности аксиально-подвижного кольца объясняются тем, что основной теплоотвод от газа протекающему по уплотнительному зазору осуществляется через вращающееся кольцо.

Форма уплотнительного зазора при увеличении я от 400 до 15000 об/мин не изменяется - в области конфузорного уплотнительного зазора коэффициент Ку (рис. 6) увеличивается в 2,32 раза от 0,07-Ю"3 до 0,163-103, а в области дифузорного зазора Ку увеличивается в 2,58 раза от 0,017-10° до 0,044-10'3.

КУ*Ю'3 Ку х 10 ~3

п. об/пин П 05/тн

а) б)

Рис. 6. Зависимость коэффициента Ку от п

а - область конфузорного уплотнительного зазора; б - область дифузорного уплотнительного зазора

- в диапазоне изменения уплотняемого давления Р0 от 16 до 96 кгс/см2 (± 75% от расчётного режима работы) увеличивается (рис. 7) от 23,03 до 136,04 кН, нтт уменьшается от 2,72 до 1,92 мкм, £> увеличивается от 0,4 до 3,67 нм3/ч. При увеличении Р0 от 16 до 96 кгс/см2 деформация рабочей поверхности вращающегося кольца увеличиваются до 4 раз от 0,45 до 1,76 мкм, деформация рабочей поверхности аксиально-подвижного кольца в области уплотнительного пояска увеличивается от

0,06 до 0,64 мкм, а в области газодинамических канавок от 0,51 до 1,39 мкм. Максимальная температура в уплотнительном зазоре при этом уменьшается на 1,6 К. Форма зазора, при изменении Р0 в исследованном диапазоне не изменяется - в области конфузорного уплотнительного зазора Ку увеличивается в 3,71 раза от 0,035-10"3 до 0,130-10"3. При Р0=56 кгс/смг значение коэффициента конусности Ку в области дифузорного уплотнительного зазора имеет минимум 0,031 10 3.

в, нм3/ч г 4

- 3

- 2

~ 1

- О

Рис. 7. Зависимость Н, Гсм и 2 от Р0

Важность определения деформаций в радиальном направлении, особенно аксиально-подвижного кольца подтверждается перемещением точки Е, расположенной на радиусе Как в направлении к радиусу на корпусе уплотнения Якор

(рис. 8).

При увеличении Р0 от 16 до 96 кгс/см2 перемещения точки Е увеличиваются в 16 раз от 10,51 до 165,73 мкм. Изменение зазора между деталями необходимо

Нш, МКМ кН

10 ЬО 70 100 Ро кгс/см2

учитывать с целью предотвращения контакта поверхностей и потери подвижности аксиально-подвижного кольца.

---Ро=16 кгс/см2

--Ро=96 кгс/см'

Рис. 8. Деформации газодинамических колец в радиальном направлении

Из размеров 2°" группы представлено влияние Якор на характеристики СГУ -Гс.«>н™п >2 (рис. 9). Определяющим фактором для выбора Я является величина Нтт' который должен обеспечивать отсутствие контакта рабочих поверхностей

колец на всех режимах эксплуатации центробежного компрессора и одновременно приемлемый расход утечки газа.

Наибольшее влияние на Нтт , 0 и форму зазора из размеров 3 группы оказывают значения щ - цг, Яг которые определяют площадь газодинамической канавки.

Увеличение угловой протяжённости элемента «канавка» - г/, , от 5 до 25° вызывает практически линейный рост НШ1П от 1,94 до 3,06 мкм и £> от 1,66 до 8,51 нм3/ч.

При <7, =25° разница между Н8ХОда и Ятш составляет всего 0,04 мкм против 1,67 мкм при 7/, =5° (рис. 10). Коэффициенты конусности для конфузорных областей зазоров составляют А> =0,004-10'3 (^,=25°) и Ку=0,085 10'3 {П] =5°), то есть

отличаются в 20,23 раза (рис. 11). В областях дифузорных зазоров А"у=0,048 10"' (7, =25°) и /(У=0,031'10"3 (/71=5°), то есть отличаются в 1,54 раза.

Нщ МКМ

5

0, нм'/ч Рем, кН

ОЛJ

93 95 97 99 101 103

Шор. мм

Рис. 9. Зависимость , Нтт , 2 от Ккор

а) б)

Рис. 10. Форма уплотнительного зазора в зависимости от 7, а - 7, =5°; б - 7, =25°;

Глубина газодинамических канавок 8 оказывает существенное влияние на Ят|п и <2 не оказывая влияния на форму уплотнительного зазора. Увеличение 8 от 3 до 9 мкм вызывает практически линейный рост НтЫ от 1,5 до 2,21 мкм и 2 от 0,81 до 2,41 нм3/ч.

Углы наклона газодинамических канавок вх,вг и радиусы их образующие Лт„,,Лш„2 оказывают менее значительное влияние на и форму зазора по

сравнению с /7, - г]г, К2 и 8. Размеры Л, и Явн на , <2 оказывают также менее значительное влияние чем г], - /72, Л2 и 5, однако эти размеры изменяют сечение газодинамических колец, что приводит к изменению формы зазора.

Ку* 10' 0.1 • 0.08 0.06 -0.04 -0.02 -0 -

Кух 10'

0.05

0.04 0,03 0,02

10 15 20 25 30

V,:

а)

10 15 20 26 30

П,/

б)

Рис. 11. Зависимость коэффициента Ку от т/, а - область конфузорного уплотнительного зазора; б - область дифузорного уплотнительного зазора

Из размеров 4 группы, необходимо отметить размеры определяющие габариты выточки на тыльной стороне аксиально-подвижного кольца Л ,/

вым ' выт "

варьируя которые можно изменять перемещение узловой точки В, расположенной на рабочей поверхности аксиально-подвижного кольца.

При увеличении Яеыт от 109 до 123 мм (выточка отсутствует), перемещения узловой точки В от первоначального положения уменьшаются от 3,9 до 1,5 мкм (рис. 12), то есть в 2,6 раза. Перемещения узловой точки А от первоначального положения увеличиваются всего в 1,08 раза от 2,26 до 2,46 мкм. При отсутствии выточки

перемещения узловой точки В от первоначального положения имеют меньшие значения чем перемещения узловой точки Б.

Деформация рабочей поверхности аксиально-подвижного кольца при Яшт=109 мм составляет 1,64 мкм, при отсутствии выточки в дифузорной области

а) б) в)

Рис. 12. Формы уплотнительного зазора в зависимости от

а - Явыт = 109 мм; б - Л,ки=113,5 мм; в - Яеы„ = 123 мм (выточка отсутствует);

Форма уплотнительного зазора при увеличении Явыт по направлению от периферии к центру в радиальном направлении меняется от конфузорной в области ОТ Н.хоСа ДО Н.шода ПРИ Я,ы„=109 ММ ДО КОНфуЗОрНОЙ В области ОТ Нвтда ДО Итт И

дифузорной в области от Нтт до Нешода при /?,„„,=113,5 мм.

Результатом представленных расчётных исследований является определение предпочтительных значений Нтт, деформаций рабочих поверхностей газодинамических колец и Ку. Целью определения предпочтительных значений вышеперечисленных параметров является возможность разработки рекомендаций для проектирования типоразмерного ряда СГУ в соответствии с постановкой задачи для проведённого исследования,

В таблице 1 представлены рекомендации для проектирования уплотнительного зазора между газодинамическими кольцами, которыми можно

пользоваться при разработке любого типоразмера СГУ для широкого диапазона режимных параметров работы ЦК.

Таблица 1

Предпочтительный диапазон параметров для проектирования уплотнительного зазора СГУ

Параметр Предпочтительный диапазон

Нтт, мкм 1,9...2,1

Ку (область конфузорного зазора) 0,08-10"' ...0,0910°

Ку (область дифузорного зазора) 0,025-10" ...0,035-10°

Область конфузорного зазора Деформация рабочей поверхности аксиально-подвижного кольца > деформации вращающегося кольца на 10... 15%.

В четвёртой_главе представлены экспериментальные исследование по

определению распределения давления и температуры в уплотнительном зазоре. Также представлены экспериментальные зависимости расхода утечки газа через СГУ производства ЗАО НТК. На экспериментальные данные нанесены границы доверительного интервала ¡р =(от,;т2) с доверительной вероятностью 0,95, результаты

расчёта по разработанной методике, расхождения в процентах между расчётными данными и среднеарифметическим значением экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проведены на испытательном стенде ЗАО НТК.

На рис. 13 представлен внешний вид испытуемого газодинамического уплотнения.

Экспериментальное определение расхода утечки газа является наиболее доступным способом экспериментального подтверждения расчётов СГУ и из-за его простоты широко используется при проектировании уплотнений.

На рис. 14 представлены экспериментальные данные изменения расхода утечки в зависимости от уплотняемого давления.

Вращающееся кольцо Аксиально-подвижное кольцо

Рис. 13. Испытуемый узел СГУ

Ро. кг/см2

Рис. 14. Зависимость Q от Р0

о -эксперимент — -расчёт

На рис. 15 и 16 представлены экспериментальные данные распределения давления в уплотнительном зазоре для /"„ = 15 и 25 кгс/см2.

Й2

Рис. 15. Сопоставление экспериментальных и расчётных значений профиля давления

при Р0 = 15 кгс/см2

Р0, кг/см2

28

Рис. 16. Сопоставление экспериментальных и расчётных значений профиля давления

при Рв =25 кгс/см2

Сравнение опытных и расчётных данных показали удовлетворительное совпадение значений и характера изменения исследуемых параметров, что подтверждает правильность использования законов и уравнений для математического описания процессов, происходящих при работе СГУ.

В пятой главе представлены рекомендации для проектирования СГУ, которые позволили разработать и внедрить, в составе центробежных компрессорных машин, выпускаемых на ОАО «Казанькомпрессормаш», типоразмерный ряд СГУ для диаметров валов от 78 мм до 160 мм (таблица 2).

Таблица 2.

Типоразмерный ряд СГУ

/

Й мм 0. мм /, мм

78 175 154

92 183 135

120 208 110

133 245 136

160 278 160

В главе отмечено, что основной причиной выхода СГУ из строя является попадание на газодинамические кольца механических включений и паров жидкости, содержащихся в перекачиваемом газе. Освещены способы борьбы с загрязнениями СГУ.

С целью предотвращения загрязнения газодинамических колец в системе регулирования и контроля работы СГУ предусмотрена линия подготовки буферного газа подаваемого на уплотнения. В зависимости от содержания влаги в буферном газе эта линия может содержать подогреватели либо влагоотделители (коаписцирующие фильтры). Для отделения механических примесей из буферного газа целесообразно применять двухступенчатую систему фильтрации, состоящую из фильтров предварительной и тонкой очистки. Внешний вид, разработанной панели регулирования и контроля работы СГУ представлен на рис. 17.

Вероятность прекращения подачи очищенного буферного газа возрастает во время пуско-наладочных работ, с этой целью в ряде случаев может применяться передвижная станция очистки, подключаемая к основной системе на время пуско-наладки. При кратковременных прекращениях подачи буферного газа, попадание на газодинамические кольца неочищенного компримируемого газа из проточной части компрессора может быть предотвращено, применением специально разработанного и запатентованного автором работы технического решения в конструкции СГУ. Это достигается движением газа в направлении от СГУ в проточную часть компрессора, создаваемого лопатками выполненными на торцовой поверхности роторной втулки уплотнения.

Рис. 17.11 Панель регулирования и контроля СГУ

Разработанные СГУ совместно с панелями регулирования и контроля поставлены и эксплуатируются в составе центробежных компрессорных машин на предприятиях: ОАО «Роснефть» - ОАО «РН-Куйбышевский НПЗ» (ЦК марки - 5ЦД-208/30-45 М), ОАО «АНХК» (ЦК марки - 2ГЦ2-16/27-3 7), ООО «РН-Юганскнефтегаз» (ЦК марки - 5ГЦ2-420/2,5-45) и др.; ОАО «Лукойл» - ООО «Лукойл- Пермнефтеоргсинтез» (ЦК марки 2ГЦ2-23/21-37), Усинский ГПЗ ООО «Лукойл-Коми» (ЦК марки 6ГЦ2-260/2-38) и др.; ОАО «Сибур» - ОАО «Южно-Балыкский ГПК» (ЦК марок 4ГЦ2-184/13,5-76, 4ГЦ2-124/14-79), ЗАО «Ноябрьский

ГПК» (ЦК марки 6ГЦ2-375/4-77) и др.; ОАО «Газпром» - «Сургутский ЗСК» (ЦК марки 4ГЦ2-218/3-18).

Основные результаты и выводы

В результате комплекса проведённых теоретических, расчётных и экспериментальных исследований, а также конструкторских работ получены следующие результаты и выводы:

1. разработана оригинальная термоупругогазодинамическая модель функционирования СГУ, которая реализована в виде программного комплекса для ПЭВМ, позволяющего определять форму уплотнительного зазора между газодинамическими кольцами и газодинамические характеристики для СГУ, охватывающих широкий спектр центробежных компрессорных машин. Для описания формы уплотнительного зазора предложен коэффициент конусности;

2. впервые представлены комплексные исследования по влиянию геометрических размеров газодинамических колец и режимных параметров работы компрессора на деформации колец и форму уплотнительного зазора. Показано, что с точки зрения исключения контакта рабочих поверхностей колец во время работы СГУ, необходимо проектировать конфузорную форму зазора в области газодинамических канавок и дифузорную (со значением дифузорности близком к единице) в области уплотнительного пояска;

3. проведены экспериментальные исследования, позволившие подтвердить выводы теоретических исследований о характере распределения давления и температуры в зазоре между газодинамическими кольцами, которые представлены впервые. Сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований позволили сделать выводы о адекватности разработанной математической модели и рекомендовать разработанный программный комплекс для внедрения в конструкторскую практику по созданию СГУ;

4. разработаны рекомендации для проектирования СГУ, позволившие создать и внедрить типоразмерный ряд уплотнений. Разработаны системы регулирования и контроля работоспособности СГУ, отвечающие всем требованиям эксплуатации;

5. результаты диссертации являются основой одного из направлений деятельности отдела «Подшипников и уплотнений» ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», который направлен на разработку и внедрение систем СГУ, которые к настоящему времени эксплуатируются в составе центробежных компрессорных машин на предприятиях ОАО «Роснефть», ОАО «Лукойл», ОАО «Сибур», ОАО «Газпром».

Основные научные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Баткис, Г.С. Создание системы газостатодинамических уплотнений для центробежных компрессоров и газоперекачивающих агрегатов/ Г.С. Баткис, В.К. Хайсанов, Е.А. Новиков, В.А. Максимов // Компрессорная техника и пневматика. -2004. - №7. - С. 2-4.

2. Новиков, Е.А. Влияние термоупругих деформаций колец пары трения на форму зазора сухого газодинамического уплотнения / Е.А. Новиков // Компрессорная техника и пневматика. - 2010. - №7. - С. 22-25.

3. Баткис, Г.С. Разработка и внедрение «сухих» газодинамических уплотнений для центробежных компрессорных машин / Г.С. Баткис, В.К. Хайсанов, Е.А. Новиков, Н.М. Лившиц, В.А. Максимов // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №10. - С. 305-313.

4. Новиков, Е.А. Термоупругогазодинамический расчёт сухих газодинамических уплотнений центробежных компрессоров / Е.А. Новиков // Компрессорная техника и пневматика. - 2011. - №2. - С. 2-6.

5. Новиков, Е.А. Влияние режимных параметров работы компрессора на утечку и форму рабочего зазора в «сухом» газодинамическом уплотнении / Е.А. Новиков // Компрессорная техника и пневматика. - 2012. - №3. - С. 19-22.

6. Максимов, В.А. К вопросу классификации «сухих» газодинамических уплотнений компрессорных машин, особенности конструирования / В.А. Максимов, В.К. Хайсанов, Е.А. Новиков, В.А. Дементьев, М.Н. Серазутдинов // Вестник-Казанского технологического университета. - 2012. - №16. - С. 136-138.

7. Новиков, Е.А. Рекомендации для проектирования типоразмерного ряда «сухих» газодинамических уплотнений центробежных компрессоров / Е.А. Новиков // Компрессорная техника и пневматика. - 2013. - №1. - С. 30-33.

8. Новиков, Е.А. Экспериментальное определение распределения давления и температуры в зазоре «сухого» газодинамического уплотнения / Е.А. Новиков // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №5. - С. 202-204.

9. Новиков, Е.А. Форма уплотнительного зазора в «сухом» газодинамическом уплотнении. Коэффициент конусности / Е.А. Новиков // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - №21. - С. 254-257.

10. Даутов, Р.З. Математическое моделирование сухих газодинамических уплотнений / Р.З. Даутов., М.М. Карчевский, Е.А. Новиков, Е.М. Федотов, В.К. Хайсанов // Учёные записки Казанского университета. - 2013. - т. 155. кн. - 2. - С. 158166.

Монография

11. Новиков, Е.А. Газодинамические уплотнения: монография / Е.А. Новиков. - Казань: Изд-во КНИТУ, 2013. - 252 с.

Изобретения и патенты

12. Торцовое газодинамическое уплотнение вала центробежного компрессора: пат. 2443921 Рос. Федерация. № 2011104151/06; заявл. 07.02.2011; опубл. 27.02.2012, Бюл. №6. 7 с.

Публикации в периодических изданиях и трудах конференций:

13. Шайхутдинов, А.З. Разработка и исследование отечественных торцовых газодинамических уплотнений и их систем для центробежных компрессоров и нагнетателей газоперекачивающих агрегатов / А.З. Шайхутдинов., В.А. Максимов, И.Г. Хисамеев, Г.С. Баткис, В.К. Хайсанов, Е.А. Новиков // Труды десятого международного симпозиума «Потребители — производители компрессоров и компрессорного оборудования 2004». - СПб, 2004. - С. 219 - 224.

14. Баткис, Г.С. Подшипники и уплотнения, используемые в центробежных и винтовых компрессорах разработки ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» / Г.С. Баткис, В.К. Хайсанов, Е.А. Новиков // Труды одинадцатого международного симпозиума «Потребители - производители компрессоров и компрессорного оборудования - 2005». - СПб, 2005. - С. 186 - 188.

15. Хайсанов, B.K. Типоразмерный ряд газодинамических уплотнений для компрессорных машин разработки ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» / В.К. Хайсанов, Е.А. Новиков // Труды двендацатого международного симпозиума «Потребители - производители компрессоров и компрессорного оборудования -2006». - СПб, 2006. - С. 150 - 152.

16. Даутов, Р.З. К численному моделированию газодинамических уплотнений / Р.З. Даутов, М.М. Карчевский, Е.А. Новиков, Е.М. Федотов, В.К. Хайсанов // Исследования по прикладной математике и информатике. - Казань: изд-во КГУ, 2006, вып. 26. - С. 50-56.

17. Баткис, Г.С. Разработка и внедрение «сухих» газодинамических уплотнений для центробежных компрессорных машин / Г.С. Баткис, В.К. Хайсанов, Е.А. Новиков, Н.М. Лившиц // Труды XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. - Казань: ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», изд-во «Слово», 2007, том II. - С. 274-286.

18. Новиков, Е.А. Газодинамические уплотнения производства ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа». Расчёт. Проектирование. Внедрение / Е.А. Новиков// Вибронадёжность и герметичность центробежных машин: монография под ред. В .А. Марцинковского, A.B. Загорулько. - Сумы: Сумский государственный университет, 2011. - С. 27-31.

19. Новиков, Е.А. Исследование влияния уплотняемого давления на выходные характеристики «сухого» газодинамического уплотнения / Е.А. Новиков, А.Р. Батыршин, Р.П. Ильин, Г.С. Баткис // Тезисы докладов. Девятая международная научно-техническая конференция молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин». - Казань: ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа, изд-во «Слово»,2012. - С. 88-91.

Офсетная лаборатория Казанского национального исследовательского технологического университета

420015, Казань, К.Маркса, 68