автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Ступень центробежного компрессора с комбинированным диффузором

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Исследование безлопаточных диффузоров.

1.2. Исследование лопаточных диффузоров.

1.3. Особенности работы ступеней холодильных центробежных компрессоров

I.3.I. Работа при повышенных числах Маха

1.4. Комбинированный диффузор в ступени холодильного центробежного компрессора

1.5. Задачи исследования

ГЛАВА 2. ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК

СТУПЕНИ КОМПРЕССОРА.

2.1. Характеристики рабочего колеса.

2.2. Характеристики безлопаточного диффузора.

2.3. Характеристики лопаточного диффузора 65 2.4. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Объекты исследования.

3.2. Экспериментальный стенд.

3.3. Контрольные сечения, измеряемые параметры, измерительные и регистрирующие приборы.

3.4. Обработка опытных данных

Погрешность эксперимента.

3.5. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕ РИМЕНТ АЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТУПЕНЕЙ С

КОМБИНИРОВАННЫМИ ДИФФУЗОРАМИ.

4.1. Характеристики рабочих колес при больших числах Маха.

4.2. Исследование безлопаточного диффузора.ЮЗ

4.3. Характеристики лопаточного диффузора.

4.4. Характеристики ступени с комбинированным диффузором.

4.5. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ОБЛАСТИ ПШМЕНЕНИЯ СТУПЕНЕЙ С КОМБИНИРОВАННЫМ ДИФФУЗОРОМ И

МЕТОДИКА ИХ РАСЧЕТА.

5.1. Определение области применения компрессоров с комбинированным диффузором.

-45.2. Особенности методики расчета комбинированного .диффузора.

ВЫВОЛД И РЕЗУЛЬТАТЫ.

Актуальность, цель и задачи исследования.

Отечественное компрессоростроение развивается быстрыми темпами и является важной отраслью народного хозяйства. Кроме выполнения своей непосредственной задачи - обеспечения потребностей народного хозяйства, оно играет большую роль в развитии и укреплении экономических и политических связей СССР, в деле оказания помощи развивающимся странам. Директивами ХХУ1 съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 годы предусмотрено неуклонное увеличение выпуска холодильных центробежных компрессоров, для решения важных задач в химической промышленности, для обеспечения комфортного кондиционирования, а, также, для решения задач поставленных Продовольственной программой. ■

Холодильные центробежные установки являются сложным комплексом взаимодействующих механизмов и систем* Среди них особое место занимают машины для систем кондиционирования, позволяющие обеспечить нормальную жизнедеятельности и высокую производительность труда рабочих, сохранность продуктов питания, нормальное функционирование приборов и оборудования, обеспечение необходимых в химической промышленности, технологических процессов.

Все более растущие мощности, требуемые в народном хозяйстве, ставят задачу разработки все более эффективных ступеней холодильных центробежных компрессоров.

Ноябрьский 1982 года Пленум ЦК КПСС еще раз указал на необходимость дальнейшего снижения расхода электроэнергии. Холодильные центробежные компрессоры являются энергоемкими машинами и для них эта задача является особенно актуальной.

Обычно центробежные компрессоры холодильных установок для кондиционирования выполняются с безлопаточными.диффузорами, что позволяет обеспечить требуемый график нагрузки, даже в одной установке. Однако, эффективность их сравнительно невелика - на Ь-1% ниже, чем у машин с лопаточными диффузорами,

В то же время применение центробежного компрессора с лопаточным диффузором может не обеспечить необходимого интервала производительностей и требует увеличения количества машин.

Поэтому весьма актуальной является задача создания центробежного компрессора с пологими характеристиками и, в то же время, с достаточно высоким коэффициентом полезного действия, В таком компрессоре может быть использована ступень с комбинированным диффузором, представляющем сочетание развитого безлопаточного диффузора и последующего за ним лопаточного.

Такие ступени лишь незначительно уступают по максимальному КПД ступеням центробежных компрессоров с лопаточными диффузорами, однако, обладают столь пологими характеристиками, что уже в случае двух машин (а иногда и одной - все зависит от необходимой глубины регулирования) покрывают требуемый диапазон производительностей с КПД на 5-7$ выше, чем в ступенях с безлопаточными диффузорами,

В технической литературе отсутствуют опытные данные о влиянии геометрических параметров комбинированных диффузоров на эффективность работы как элементов, так и ступени центробежного компрессора в целом, поэтому решение этой задачи является важным этапом в разработке ступеней такого типа.

Основной целью диссертации является исследование влияния режимных и геометрических параметров на показатели работы ступеней холодильных центробежных компрессоров и их эффективность.

Для ее достижения в работе решены следующие задачи:

1. Разработка эффективной ступени центробежного компрессора с комбинированным диффузором.

2. Исследование влияния геометрических и режимных параметров на эффективность ее элементов.

3. Разработка метода расчета характеристик элементов компрессора.

4. Выработка рекомендаций по применению ступеней центробежного компрессора с комбинированным диффузором в соответствии с требуемым графиком нагрузки.

Научная новизна. Разработан метод расчета характеристик элементов компрессора, в котором используется только одна опытная точка. Впервые разработана высокоэффективная ступень центробежного компрессора с комбинированным диффузором, обладающая как высоким коэффициентом.полезного действия, так и достаточно пологой характеристикой. Установлены оптимальные соотношения размеров лопаточной части комбинированного диффузора, значительно удаленной от рабочего колеса.

Основные научные положения и результаты.

1. Разработан метод расчета характеристик элементов ступени центробежного компрессора с комбинированным диффузором, с использованием только одной экспериментальной точки.

2. Метод позволяет расчетным путем установить значения оптимальных углов атаки при различных режимах работы ступени.

3. Установлены оптимальные соотношения геометрических параметров ступени с комбинированным диффузором, позволяющие обеспечить ее высокую эффективность и глубокое регулирование производительности в достаточно большом интервале чисел Маха.

4. Установлена область применимости ступеней центробежных компрессоров с комбинированными диффузорами.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов, определенных по предлагаемому методу расчета элементов ступени центробежного компрессора, с экспериментальными данными. Указанное позволяет считать полученные научные результаты установившимися фактами в исследованной области.

Практическая ценность результатов работы заключается в создании ступени компрессора с комбинированным диффузором, которая позволяет обеспечить требуемын диапазон регулирования с существенно большим - на 5-7$ - КПД по сравнению со ступенями с безлопаточным диффузором. Разработан инженерный метод расчета ступеней центробежного компрессора с комбинированным диффузором.

Полученные результаты могут быть использованы в проектно-конструкторских разработках организаций Союзкомпрессормаша и других отраслей промышленности. Данные по влиянию режимных и геометрических параметров на эффективность ступени и отдельных элементов могут быть использованы при доводке уже существующих агрегатов и проведении научно-исследовательских работ в области компрессорного и холодильного машиностроения, при чтении лекций и ведении курсового и дипломного проектирования в вузах по специальности 0529 "Холодильные и компрессорные машины и установки".

Реализация в промышленности. Основные результаты работы использованы во ШИИхолодмаше при проектировании новых и модернизации существующих конструкций холодильных центробежных компрессорных установок,выпускаемых Казанским компрессорным заводом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку Ш Всесоюзной научно-технической конференцией молодых специалистов по холодильной технике и технологии (Ленинград, 1977 г.), на У Всесоюзной научно-технической конференции по компрессоростроению "Повышение эффективности и совершенствование компрессорных машин и установок" (Москва, 1978 г.), на У1 Всесоюзной научно-технической конференции по компрессоро-строению (Ленинград, 1981 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из . 6Я:. наименований и приложения (акты.внедрения). Работа изложена на 1д9 страницах и содержит 102,, стр. основного машинописного текста, W таблиц и 75: рисунков.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Создана высокоэффективная ступень центробежного компрессора с комнированным диффузором, состоящим из безлопаточного и последующего за ним лопаточного диффузоров, обеспечивающая болыцую глубину регулирования с высоким

• КПД.

2. Разработан инженерный метод расчета характеристик рабочего колеса и диффузора по одной экспериментальной точке. Произведено сопоставление опытных и расчетных характеристик рабочего колеса и комбинированного диффузора,показавшее удовлетворительное их согласование.

Важной особенностью разработанного метода является возможность расчетного определения оптимальных углов атаки. Метод позволяет производить согласование оптимальных режимов работы колеса и лопаточного диффузора.

3. Экспериментально изучено влияние геометрических и режимных параметров на эффективность элементов и ступени в целом. В частности показано, что оптимальный относительный шаг лопаток диффузора, удаленного от рабочего колеса значительно больше, чем в обычном лопаточном диффузоре tonT= 0,6 против tonr = 0,45). По той же причине оптимальный угол атаки на лопатки комбинированного диффузора возрос до 5-7°, против обычных 1-2°. Числа Маха существенно влияет на характеристики рабочего колеса, однако в меньшей степени сказывается на характеристики безлопаточного и последующего лопаточного диффузоров.

- / 154. Получены регулировочные характеристики ступени компрессоров с безлопаточным, лопаточным и комбинированным диффузорами, позволившие установить области применения компрессоров в составе холодильной установки. Если холодильная установка состоит из одной машины, то при типичном изменении холодопроизводительности от 100% до 30-40%, в режимах кондиционирования, применим компрессор с безлопаточным диффузором. В случае двух установок компрессор с комбинированным диффузором позволяет покрыть весь график нагрузки с более высоким коэффициентом полезного действия ( Н* = 0,78) и только, если имеется че

CimajC тыре установки, целесообразно применение ступени с лопаточным диффузором* 5, Результаты исследований использованы при создании комцрес-соров в холодильных установках ТХМВ-2000, TXMB-400Q,TXMB -8000; Работа по созданию ступени центробежного комцрес-сора с комбинированным диффузором удостоена бронзовой медали ВДНХ. Ожидаемый экономический эффект около 350 тыс, рублей.

- / 7 6

1. А б о л т и н Э.В. Зайченко Е.Н» Анализ условий возникновения обратных токов в безлопаточнш диффузоре центробежного компрессора» "Теплоэнергетика", 1970, J& 12, о. 79-81»2* Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика» М», "Н^ка", 1969, 824 с.

2. АльГовзен Б.А. Исследование высоконапорной центробежной ступени с осерадиальным колесом для стационарного компрессора» Автореферат канд»диссертации. Л», ЛЕИ, 1971.

3. А н и м о в Ю.А», Петренко Ю»Г# Шапошников В»А. Влияние отрыва потока в каналах ВНА на диапазон устойчивой работы центробежного компрессора "Энергомашиностроение", 1975, № 4»

4. Баренбойм А.Б. Малорасходные фреоновые турбокомпрессоры» М», "Машиностроение", 1974, 224 с.

5. Бухарин Н»Н» Исследование канально-лопаточных диффузоров центробежных компрессоров» Автореферат канд•диссертации. л», ЛШ, 1966»

6. Б а л ь е О.Е. Изучение влияния числа Рейнольдса в турбомашинах. Труды Американского общества инжвнеров-меха-ников. Сер. "энергетические машины и установки", 1964, т»86 , № 3, с.6-16»

7. Быков А*В.» К а л н и н ь Развитие холодильного машиностроения в СССРУХолодильная техника", 1975, J& 9, с. 25-30.

8. В е т ц е л ь Е.С. Теория вероятностей. Mi, Физматгиз, 1958.1.'. Галеркин Ю.Б. Исследование элементов тло-расходных центробежных компрессорных ступеней. "Энергомашиностроение", 1963» № I. с. II <- I4w

9. Г о л о б и н М*В«» Коноваленко Ю.И.» Сухомлинов И.Я. К выбору угла входа в рабочее колесоцентробежной компрессорной ступени. В сб.: Исследование, расчет и конструирование холодильных и компрессорных машин. М«» 1980, с. 77*

10. Д е н Г.Н. исследование лопаточных диффузоров центробежных компрессорных машин. "Энергомашиностроение", 1959, № 10, с. 3-7.

11. Д е н Г.Н.» Т и л е в и ч И.А. Газодинамические характеристики лопаточных диффузоров центробежных компрессорных машин. "Теплоэнергетика", 1965» $ 6, с. 33-36.

12. К а л н и н ь И.М., Ц и р л и н Б.Л., Чистяков Ф.М. Холодильные машины с центробежными компрессора^ ми. "Химическое и нефтяное машиностроение", 1975, й 9,с. 30*33•

13. Кириллов И.И. Теория турбомашин. Л., "Машиной строение", 1972* 536 с.

14. Лившиц С«П» Аэродинамика проточной части центробежных комцрессоров. М.- Л», "Машиностроение", 1964, 340с.38* Лойцянский Д.Г* Механика потока жидкости и газа. М., "Наука", 1973* 848 с.

15. Н у ж дин А*С. Исследование безлопаточных диффузоров центробежных компрессоров. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук, JU, ЛПИ, 1969.

16. Перельштейн И.И* Таблицы и диаграммы термо» динамических свойств фреонов -12,13,22* М*, 1971, 92 с.

17. П е т у н и н А.Н* Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давления и скоростного напора) м*, "Машиностроение", 1972, 332 с.

18. П о в х И.Л* Аэродинамический эксперимент в машиностроении. Л., "Машиностроение", 1974, 480 с.

19. Пфлейдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. Пер. с нем. М«, Машгиз, I960. 682 с.- I82L

20. С е л е з н е в К.П., Галеркин Ю*Б.,

21. Н у ж д и н А«С. Исследование в области компрессорных машин, Киев, "ЕудЬельник", 1970, 323 с.

22. Ши£р теш 0555-81-78. # го с.регистрации 8II038I0. Инв. № 02820083909. М., 1982. - 63 с.

23. Страхович К.И.Гидро * и газодинамика* М., "Наука", 1980, 302 с.

24. Страхович К.И* Центробежные комцрессорные машины. М., Машгиз, 1940, 401 с*

25. Т и л е в и ч И.А. Аэродинамические усилия, действующие на лопатки диффузоров центробежных компрессоров и потери в лопаточных диффузорах* "Энергомашиностроение", 1966, № 9, с. 12-16.

26. Т и л е в и ч И.А. 0 влиянии сжимаемой среды на работу лопаточного диффузора центробежной компрессорной ступени. "Энергомашиностроение", 1971, № 7, с. 31-34.

27. Фирюлин A.M. Влияние свойств рабочих вещэ ств на характеристики ступени турбокомпрессора паровой холодильной машины. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. Л., ЛЗЖЩ 1976* 24 с,

28. X а н и н Н.С., Ш е р с т ю к А*И», Зайчен-к о Е.Н., Д и н е е в Ю.Н. Наддув и нагнетатели автомобильных двигателей. М., "Машиностроение", 1965, 222 с.

29. Ч и с т я к о в Ф.М. Холодильные турбоагрегаты* М*, Машгиз, 1967, 288 с.68* Ш е р с т ю к А.Н., Соколов А*И*, JI ы с е н -к о В.П. Исследование компрессоров осерадиального типа с лопаточными диффузорами. "Теплоэнергетика", 1965, $ I, с. 43 47.

30. Я н с е н в* Установившееся движение жидкости в радиальном безлопаточном диффузоре. Труды Американскогообщества инженеров механиков. Серия Д, 1964, Jfe 3.

31. С и г 1 е and Ц a v i t s H.J. Modern Fluid dynamics, Vol. 1} 1968, 290p.79. 0 1 i v о r i д., Sdlaspini A. Measurement of velocity disfuhulion at the impeller exit of a radial compressor. Von Korman Institute of Fluid Dynamic. Tech. Mote, /06, /97S.

32. Re у n о / d s W,S. Computation aj Turbulent Hows. Annua/ Rewiew oj Fluid Dynamic. Я76, pp. /83-М8.

33. V a / d e n a z z / L. If ca/co/o deldiffusori Usti dei turbo compressor/ cent rf fuoh/'r "L' Aero technico " pp. 79

34. Towns end A. A. structure of Turbulent Shear Flow, Second edition. Cambridge 1976. 489p. ' '