Методика определения газодинамических, конструктивных параметров и эффективности осерадиальных рабочих колёс промышленных центробежных компрессоров

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Расширение сферы применения центробежных компрессоров ведет к необходимости создания высокоэффективных компрессорных ступеней различных типов в широком диапазоне геометрических и режимных параметров. Так при проектировании центробежных компрессоров сверхвысокого давления оказалось необходимым использовать ступени с весьма низким коэффициентом расхода. При разработке малорасходных центробежных… Читать ещё >

Методика определения газодинамических, конструктивных параметров и эффективности осерадиальных рабочих колёс промышленных центробежных компрессоров (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

Условные обозначения
1. Обзор и анализ задач, возникающих в связи с требованиями модернизации существующих и совершенствования вновь создаваемых промышленных центробежных компрессоров
2. Определение диапазона параметров проточной части рабочих колёс, в пределах которого могут решаться поставленные задачи по модернизации
3. Разработка методики исследования, включающая обзор и обобщение экспериментальных данных. Разработка методики приближённого расчёта вторичных потерь
- 3. 1. Модель расчёта потерь трения
- 3. 2. Модель расчёта диффузорных потерь
  - 3. 2. 1. Потери отрыва на выходе из рабочего колеса
  - 3. 2. 2. Диффузорные потери в межлопаточном канале
- 3. 3. Модель расчёта вторичных потерь. Неучтённые потери
4. Расчётно-теоретическое исследование влияния различных газодинамических и конструктивных параметров на эффективность проточной части рабочих колёс
- 4. 1. Влияние числа лопаток рабочего колеса на структуру потока и потерь
- 4. 2. Влияние теоретического коэффициента напора на эффективность рабочих колёс
- 4. 3. Влияние условного коэффициента расхода Фр на структуру потока и составляющие потерь
  - 4. 3. 1. Варьирование Фр изменением ширины проточной части в меридиональном сечении
  - 4. 3. 2. Варьирование Фр при постоянном объёмном расходе в рабочем колесе
- 4. 4. Влияние относительной ширины рабочего колеса на выходе на структуру потока и составляющие потерь
- 4. 5. Влияние числа маха Ми на эффективность рабочих колёс
- 4. 6. Исследование эффективности рабочих колёс с различной протяжённостью входного осевого участка
5. Экспериментальное исследование ступеней с осерадиальными рабочими колёсами
- 5. 1. Экспериментальные исследования осерадиальных колес с разной диффузорностью и различными коэффициентами расхода и напора
- 5. 2. Экспериментальные исследования осерадиальных колёс с разным меридиональным контуром и различной диффузорностью
- 5. 3. Экспериментальные исследования осерадиальных колёс с различными коэффициентами расхода и разной диффузорностью
6. Сравнения экспериментальных и расчётных значений к.п.д. осерадиальных рабочих колёс

Компрессоры, широко применяемые в народном хозяйстве, предназначены для повышения давления газов и их перемещения.

Большое место среди выпускаемых компрессоров занимают центробежные компрессоры разных типов. Ц.к.м. широко используются в химической, нефтяной и газовой промышленности, в автомобильном и авиационном производстве, в различных холодильных установках. В связи с широкой областью их применения, требования к ним постоянно растут.

Промышленности требуются центробежные компрессоры различных типов, производительность которых колеблется от долей до нескольких сотен и тысяч кубических метров в минуту, а конечное давление доходит до 2500.3000 ата.

Важным направлением в развитии компрессоростроения является создание высоконапорных малорасходных ступеней центробежного компрессора с осерадиальными р.к.

Центробежные компрессоры с осерадиальными рабочими колесами обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с рабочими колесами с радиальной решеткой. Они имеют более низкие значения среднего диаметра входа в рабочее колесо и соответственно, более низкий уровень чисел М на входе, более организованное течение потока на входе в рабочее колесо, благодаря чему могут эффективно применяться невысокие коэффициенты расхода и значительно более высокие коэффициенты напора, а также эффективно применяться колёса полуоткрытого типа с лопатками с радиальным выходом (рл2 = 90°). Полуоткрытые осерадиальные р.к., имеющие лопатки с радиальным выходом, по прочностным характеристикам могут работать при весьма высоких окружных скоростях (до 500 м/с и более).

Практически во всех компактных компрессорных установках применяются высоконапорные рабочие колеса с осерадиальной решёткой, что обеспечивает в значительной степени небольшие размеры установок за счёт уменьшения числа ступеней.

Проводимые на кафедре КВХТ СПбГПУ исследования показали перспективность применения высоконапорных осерадиальных колес в стационарном компрессоростроении в широком диапазоне изменения требуемых параметров, включая их использование, как в малорасходных, так и в высокорасходных ступенях.

Накоплен большой опыт исследования и создания таких ступеней для авиационных и транспортных компрессоров. Однако этот опыт не может быть полностью перенесён на стационарные компрессоры. Это связано с различными требованиями к компрессорам в авиационных ГТД и стационарным компрессорам. Обзор литературы показывает недостаточность данных и обобщенных рекомендаций по проектированию высоконапорных ступеней для стационарных компрессоров, что значительно усложняет разработку компрессоров с такими ступенями.

Экспериментальный способ выбора оптимального варианта приводит к большим материальным и временным затратам на изготовление и испытание модельных ступеней. Поэтому необходимо сократить время доводки компрессора. С этой целью стремятся уже на стадии проектирования перейти к расчётным методам определения коэффициента напора и к.п.д. центробежной ступени, на основе сравнения различных вариантов выбрать оптимальные геометрические и расчетные параметры ступеней.

Данная работа состоит из шести глав.

В первой главе проведён обзор и анализ задач, возникающих в связи с требованиями модернизации существующих и совершенствования вновь создаваемых промышленных центробежных компрессоров. Рассмотрена возможность применения ступеней с осерадиальными р.к. в ходе вышеуказанных мероприятий, а также проведён анализ имеющихся расчётно-теоретических методик определения потерь в п.ч. центробежных компрессоров. Обоснована актуальность и сформулированы цели и задачи настоящей работы.

В гл. 2 определен диапазоны изменения основных параметров проточной части рабочих колёс, в пределах которых могут эффективно решаться поставленные задачи по модернизации или созданию нового турбокомпрессорного оборудования.

В гл. З представлена методика расчётно-теоретического анализа, включающая в себя математическую модель, построенную с учётом особенностей течения в осерадиальных р.к. полуоткрытого типа, а также описаны применяемые методы расчёта распределений скоростей в меридиональной плоскости. Рассмотрена методика приближённого расчёта вторичных потерь на основе теоретического расчёта пограничного слоя на лопатках р.к.

В гл. 4 проведено расчётно-теоретическое исследование влияния различных газодинамических и конструктивных параметров на эффективность проточной части рабочих колёс. По результатам расчётов построены графики распределения по длине лопатки в меридиональной плоскости относительных скоростей w/u2 на средней по высоте лопатки о.п.т. для задней (w3) и передней (wn) сторон лопатки, а так же для средней (wcp = [w3+wn]/2) относительной скорости. Построены зависимости коэффициентов потерь С, и к.п.д. г| от следующих варьируемых параметров р.к.: числа лопаток z, условного коэффициента расхода на расчётном режиме Фр, условного числа Маха Ми, относительной длины в меридиональной плоскости осевого участка lBHa/lzДополнительно построены зависимости характерных соотношений относительных скоростей (Aw3.BX/w3i, Awn. BX/ wnl, W1/W2, w3.Bbix.OTp/w2 и Awcp/ u2) в п.ч. межлопаточного канала, определяющих основные потери в колесе, от z, Фр, Mu, lBHa/lz.

В гл. 5 описана методика экспериментального исследования, включающая обзор и обобщение экспериментальных данных, представлена геометрия и приведены данные экспериментальных исследований модельных ступеней с осерадиальными р.к., результаты которых использовались для корректировки коэффициентов расчётно-теоретического метода определения потерь в п.ч. колеса.

В гл. 6 проведён сравнительный анализ экспериментальных и расчётно-теоретических данных по исследованным вариантам рабочих колёс, результаты которого позволяют судить о эффективности разработанного метода расчёта потерь в колесе.

В гл. 7 по результатам расчётно-теоретического анализа и обобщенных экспериментальных данных сформулированы основные рекомендации по проектированию осерадиальных колёс в предлагаемом диапазоне изменения их газодинамических и конструктивных параметров.

В гл. 8 представлена база данных по эффективности осерадиальных рабочих колёс. Данные по эффективности р.к. представлены в табличном виде и отражают основные газодинамические и геометрические параметры п.ч., а также характерные зависимости относительных скоростей w в межлопаточном канале р.к., определяющие основные составляющие гидравлических потерь в колесе. Также в этой главе представлена блок-схема алгоритма расчёта и проектирования п.ч. осерадиального колеса центробежной ступени.

В последней главе предпринята попытка разработать п.ч. с осерадиальными р.к. для различных вариантов модификации промышленных ц.к.м. В задачи по модернизации штатных п.ч. не ставилось конструктивное решение проблемы по замене радиальных р.к. с цилиндрическими лопатками на осерадиальные колёса. Предполагалось провести только газодинамический расчёт п.ч. с различными вариантами замены штатных радиальных р.к. на новые осерадиальные, более эффективные на повышенные параметры работы ц.к.

Заключение

По итогам выполненной научно-исследовательской работы можно сформулировать основные результаты диссертации.

1. Усовершенствована расчётная модель потерь осерадиального р.к. на основе разработанных методик учёта диффузорных и вторичных потерь в п.ч. колеса.

2. На основе обобщённых экспериментальных данных и усовершенствованной модели расчёта потерь разработан банк данных по эффективности осерадиальных р.к. в широком диапазоне варьирования их геометрических и газодинамических параметров:

— Фр = 0,03.ОД 2;

— 4^ = 0,7. 0,9;

— b2/D2 = 0,02.0,08;

— Mu = 0,6.1,2.

3. Разработаны методика и комплекс программ оптимизации проточных частей путём сравнения их эффективности на основе предложенной методике расчёта потерь и применения разработанной базы данных по эффективности осерадиальных колёс.

4. Проведены расчёты по ряду модификаций п.ц.к. путём применения в них осерадиальных колес с использованием разработанной базы данных.

5. Данные расчётов по эффективности осерадиальных колёс в рассмотренном диапазоне изменения параметров Фр, Тт, b2/D2 и Ми обобщены и представлены в виде рекомендаций по проектированию.

Показать весь текст

Список литературы

Адлер Д., Кримерман И. Применимость теории невязкого дозвукового течения к реальному течению в рабочем колесе центробежного компрессора. — Теоретические основы инженерных расчетов, 1980, № 1.
Анисимов С.А., Апанасенко А. И., Галеркин Ю. Б. и др. Разработка аналитической зависимости для потерь в лопаточном диффузоре центробежного компрессора. Изв. ВУЗов «Энергетика». — 1977. № 1. — С. 61−68.
Баренбойм А.Б. Газодинамический расчёт холодильных центробежных компрессоров. М.: Машиностроение. — 1980. — 152 с.
Визуализация характерных зон течения в элементах проточной части центробежных компрессоров с помощью напыления мелкодисперсноготвёрдого красителя. / Галёркин Ю. Б., Зараев В. И., Митрофанов В. П.,
Селезнёв КП. Энергомашиностроение. — 1980. № 5. — С. 2 — 4.
Галёркин Ю.Б. Исследование, методы расчёта и проектирования проточной части стационарных центробежных компрессоров. Дисс. на соиск. учен.степ. канд. техн. наук. Л.: ЛИИ им. М. И. Калинина. — 1974. — 448 с.
Галёркин Ю.Б., Никифоров А'.Г, Селезнев K.JI. Оценка эффективности двухзвенных ступеней на основе статистической обработки результатов, энергомашиностроения. Тр. ЛИИ им. М. И. Калинина. — 1977. № 358. — С. 57 — 62.
Галёркин Ю.Б., Рекстин Ф. С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. — Л.: Машиностроение. 1969. — 303 с. 11 .Дейч^М.Е., Самойлович Г. С. Основы аэродинамики осевых турбомашин. — М.: Машгиз. 1959. — 428'с.
Ден< Г. Н. Механика потока в центробежных компрессорах. Л.: Машиностроение. 1973. — 272 с.
ХЪ.Джонстон, Дин Р. Потери в безлопаточных диффузорах центробежных компрессоров и насосов. Тр. Амер. общества инж.-мех., сер. А. — 1966. № 1. — С. 56−70.
Джонстон, Дж. П. Подавление турбулентности в течениях со сдвигом во вращающихся системах. Теоретические основы инженерных расчетов. -Тр. Амер. общества инж.-мех. 1973. № 2. — С. 131 — 140.
Марковский А. А. Автоматизированное проектирование рабочего колеса центробежного насоса: Учеб. пособие. — СПб.: Изд-во СПбГТУ. — 1997. — 106 с.
Жуковский М.И. Расчёт обтекания решётки профилей турбомашин. -М Л: Машгиз. — 1960. — 260 с.
Исаков Ю.Н., Симонов A.M. Расчёт и оптимизация параметров проточной части агрегатов наддува ДВС. СПб.: СПб. гос. техн. университет. — 1995. — 48 с.
Исаков Ю.Н., Симонов A.M. Расчёт турбокомпрессора для наддува двигателя. Методические указания. Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина. — 1989. -32 с.
Калинкевич Н.В. Исследование высоконапорных ступеней с осерадиальными колёсами для стационарных компрессоров общего назначения. Дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук, Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина. — 1976. — 251 с.
Калинкевич Н.В., Савин Б. Н., Симонов A.M. Разработка лопаточных элементов осерадиальных ступеней малорасходного центробежного компрессора по задаваемому распределению скоростей. Тр. ЛПИ, Теплоэнергетика. — 1977. № 358. — С. 63 — 67.
Кириллов И.И. Теория турбомашин.- Л.: Машиностроение. 1972. -536 с.
Козлов А.Е. Исследование эффективности и оптимизация стационарных центробежных компрессорных ступеней методом математического моделирования. Дисс. на соиск. учен, степ, канд. техн. наук, Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина. 1978. — 299 с.
Латыпов Г. Г. Исследование аэродинамики промежуточных ступеней центробежных компрессоров при изменении закрутки на входе. Дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук, Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина. — 1980. — 329 с.
Лач В. Г. Исследование осерадиальных колёс стационарного центробежного компрессора. Дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук, Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина. 1971. — 209 с.
Ленеман, Хоуард. Нестационарные течения во вращающихся каналах колеса центробежного компрессора. — Энергетические машины и установки. 1970. № 1. — С. 78 — 87.
ЪХ.Масимо, Ватанабе, Арига. Влияние числа Рейнольдса на рабочие характеристики центробежных компрессоров с учётом формы рабочего колеса. Тр. Амер. общества инж.-мех., сер. А. — 1975. № 3. — С. 66 — 74.
Митрофанов В.П. Исследование течения в центробежных компрессорных колёсах с различным характером распределения скоростей и нагрузки по лопаткам. — Дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук, Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина. 1977. — 310 с.
Никифоров А.Г. Исследование потерь в двухзвенной ступени центробежного компрессора. — Дисс. на соиск. учён. степ. канд. техн. наук, Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина. 1973. — 251 с.
Постоловский С.Н. Исследование проточной части центробежных вентиляторов. Электрические станции. — 1960. № 6. — С. 28 — 33.
Примак А. Н. Селезнёв К.П. и др. Некоторые результаты исследований течений в ядре потока и в пограничном слое в каналах рабочих колёс центробежных компрессоров. Энергомашиностроение. М.-Л.: Машиностроение. — 1969. — ?. 169 — 175.
Примак А.Н., Селезнёв К. П. Шкарбулъ С.Н. Стенд для исследования течения во вращающемся рабочем колесе центробежного компрессора визуальными методами. Изв. Вузов «Энергетика». — 1973. № 4.
Применение математического моделирования для расчёта потерь в обратных направляющих аппаратах малорасходных ступеней. / Н. Ф. Захаров, Ю. Б. Ладе, Л. Я. Стрижак, А. Г. Никифоров — В кн.: Тезисы ВТК по компрессоростроению, Псков. 1982. — С. 62.
Проектирование и оптимизация проточной части ПЦК с использованием математического моделирования характеристик. / К. П. Селезнев, Ю. Б. Галёркин, А. Г. Никифоров, В. В. Тихонов В кн.: Тезисы докл. VI ВНТК по компрессоростроению. — 1981. — С. 60 — 61.
Разработка математической модели для оптимизации проточной части центробежного компрессора. / Ю. Б. Галёркин, А. В. Козлов, А. Г. Никифоров, К. П. Селезнёв. — Химическое и нефтяное машиностроение.- 1979. № 5. -С. 1 -4.
Разработка САПР осерадиальной компрессорной ступени турбокомпрессоров наддува ДВС и создание высокооборотного стенда. -Отчёт НИР, ЛПИ им. М. И. Калинина. Л. — 1990. — 252 с.
Раухман Б.С. Расчёт обтекания несжимаемой жидкостью решётки профилей на осесимметричной поверхности тока в слое переменной толщины. Механика жидкости и газа. — 1971. № 1. — С. 83 — 89.
Раухман Б. С. Решётка профилей на осесимметричной поверхности тока в переменном слое дозвукового потока газа. — Энергомашиностроение. -1971. №−11.-С. 9- 12.
Раухман Б.С. Решётка профилей в произвольном слое переменной толщины. Тр. ЦКТИ. -1971. вып.106. — С. 9 — 33.
Сальников B.C. Исследование влияния наклона лопаток на распределение параметров потока в венцах турбомашин. Отчёт 187 / институт им. Баранова. 1960.
Сальников B.C. К расчёту осесимметричного потока газа в турбомашинах. В кн.: Лопастные и струйные аппараты, М. — 1972. вып.6. — С. 25 — 48.
Сальников B.C. Методика расчёта на ЭВМ течения газа в ступени компрессора при допущении осевой симметрии потока. Отчёт 6663/ институт им. Баранова, 1971.
Селезнёв К.П., Галёркин Ю. Б., Анисимов С. А. и др. Теория и расчёт турбокомпрессоров: учебное пособие для студентов вузов машиностроительных специальностей. — Л.: Машиностроение. 1986. -392 с.
Селезнёв К.П., Галёркин Ю. Б. Центробежные компрессоры. — Л.: Машиностроение. 1982. — 271 с.
Селезнев К.П., Подобуев B.C., Анисимов А. С. Теория и расчёт турбокомпрессоров. — М Л.: Машиностроение. — 1968. — 406 с.
Сену, Накасе. Анализ течения в рабочем колесе компрессора с осерадиальной решёткой. — Энергетические машины и установки. — 1972. № 1.-С. 45 -53.
Сену, Ямагути, Ниши. Визуальное исследование пространственного течения в центробежном компрессоре. Энергетические машины и установки. — 1968. № з. — С. 28 — 35.
Симонов A.M. Исследование эффективности и оптимальное проектирование высоконапорных центробежных компрессорныхступеней. — Тр. научной школы компрессоростроения СПбГПУ, II выпуск, СПб. 2005.
Симонов A.M., Смагоринский A.M. Выбор оптимальных параметров ступени с осерадиальным центробежным рабочим колесом холодильного компрессора. Компрессорная техника и пневматика. —2008. № 1. — С.28−30
Симонов A.M., Смагоринский A.M. Исследование эффективности модернизированной проточной части промышленного холодильного центробежного компрессора. Тезисы XIV Международной конференции по компрессорной технике ЗАО «НИИтурбокомпрессор», Казань. 2007.
Степанов Г. Ю. Гидродинамика решёток турбомашин. — М.: Физматгиз. 1962.-512 с.
Тихонов В.В. Разработка метода расчёта энергетических характеристик ступени центробежного компрессора на основе математического моделирования рабочего процесса. Дисс. иа соиск. учен, степ, канд. техн. наук, Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина. — 1981. — 298 с.
Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочное пособие. / Б. П. Байков, В. Г. Бордуков, П. В. Иванов, Р. С. Дейч. — JI: Машиностроение. 1975.-200 с.
Уточнение расчёта потерь и теоретического напора в насосах низкой и средней быстроходности / А. А. Жарковский, B.JI. Плешанов, М. В. Карцева, М. П. Морозов — Гидротехническое строительство: Орган М-ва электростанций М. — 2003. № 1. — С. 35−39.
Центробежные компрессорные машины: сборник докладов / Ленинградский научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения (Ленниихиммаш) — под ред. ЮД. Головина, Ф. С. Рекстина. М.- Л.: Машиностроение. — 1966. — 186 с.
Цыганков А.В. Динамика плавающих колец уплотнений роторов компрессоров высокого давления. Дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук, Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина. — 1982. — 261 с.
Шкарбулъ С.Н. Исследование пространственных течений вязкой жидкости в рабочих колёсах центробежных компрессоров. — Дисс. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук, JL: ЛПИ им. М. И. Калинина. 1974.- 289 с.
Шкарбулъ С.Н., Кузов КП. Комплексное применение теоретических методов расчёта лопаточных решёток и теории пограничного слоя к проектированию и расчёту рабочих колес центробежных турбомашин. -Энергомашиностроение. — 1966. № 9. — С. 30 — 32.
Шкарбулъ С.Н. Расчёт пространственного пограничного слоя во вращающихся каналах центробежных колёс. Энергомашиностроение.- 1973. № 1.-С. 14−17.
Экардт. Мгновенные измерения в выходящем из рабочего колеса центробежного компрессора потоке типа струя-след. — Энергетические машины и установки. -1975. № 3. С. 38.
Bammert К., Rautenberg М., Wittekind W. — Matching of turbocomponents described by the example of impeller and diffuser in a centrifugal compressor.- ASME Paper, vol. 102, 1980, p. 594−600.

Заполнить форму текущей работой