CC BY
11
УДК 621.515
Характеристики ступени холодильного центробежного компрессора при работе на хладонах с различными условными показателями изоэнтропы
Канд. техн. наук В. А. КОРОТКОВ1, канд. техн. наук Ю. В. ТАТАРЕНКО2, К. М. МАРКОВА3, А. В. ПАНЧЕНКО4
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Университет ИТМО 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
Представлены результаты экспериментального исследования хладоновой центробежной компрессорной ступени при работе на газах с различными условными показателями изоэнтропы и при высоких числах Маха. Исследовалась смесь криптон-ксенонового концентрата при различных значениях показателя изоэнтропы ky = 1,62; 1,49; 1,39; 1,2 и 1,12. Рассмотрены газодинамические характеристики концевой ступени холодильной центробежной машины с осерадиальным колесом. Проанализировано влияние показателя изоэнтропы на характеристики ступени холодильного центробежного компрессора, а в частности, с ростом ky плотность газа при выходе из колеса снижается, так что одному и тому же углу потока при выходе из колеса соответствуют тем меньшие значения производительности, чем выше ky, а значит — большие значения углов натекания. Проведенное исследование показало, что влияние ky на характеристики ступени проявляется по-разному и зависит от особенностей согласования работы элементов проточной части. Данные результаты физического эксперимента возможно перенести на все хладагенты с близкими значениями ky и вновь создаваемые озонобезопасные смеси. Ключевые слова: исследование, центробежная компрессорная ступень, рабочее колесо, характеристики.
Информация о статье
Поступила в редакцию 22.03.2016, принята к печати 20.04.2016 doi: 10.21047/1606-4313-2016-15-2-60-62 Ссылка для цитирования
Короткое В. А., Татаренко Ю. В., Маркова К. М., Панченко А. В. Характеристики ступени холодильного центробежного компрессора при работе на хладонах с различными условными показателями изоэнтропы // Вестник Международной академии холода. 2016. № 2. С. 60-62.
Centrifugal compression stage performance with fluorocarbon refrigerants of different conditional isentropic exponents
Ph. D. V. A. KOROTKOV1, Ph. D. J. V. TATARENKO2, K. M. MARKOVA3, A. V. PANCHENKO4
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
ITMO University 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
The article investigates fluorocarbon centrifugal compression stage performance with gases of different isentropic exponents and high Mach number as a refrigerant. The mixture of krypton-xenon concentrate with isentropic exponents (k) of 1.62; 1.49; 1.39; 1.2 and 1.12 was analyzed. Gas-dynamic characteristics for the last stage of refrigeration centrifugal compressor with axial-radial impeller are considered. The influence of isentropic exponent on the performance of centrifugal compression stage is analyzed. на характеристики ступени холодильного центробежного компрессора. When ky increases the output density ofgas decreases. Therefore, at the same outputflow angle we have lesser compressor capacity for higher ky i.e. higher contact angle. The influence of ky on compression stage performance is shown to be different and to depend on the peculiarities of matching the compressor flow stage elements. The results obtained might be expended to be valid for all refrigerants of similar ky and new ozone-safe refrigerants.
Keywords: research, centrifugal compression stage, impeller, characteristics.
Основными приоритетными направлениями в развитии холодильной техники в настоящее время являются повышение ее энергетической эффективности и эко-
логической безопасности. Данная статья служит продолжением работ [1, 2], в связи с не теряющей актуальности проблемой применения озонобезопасных хладонов в хо-
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
61
лодильной технике [3-5], а в частности — в компрессорах динамического принципа действия. Наилучшим вариантом для исследований является симбиоз физического эксперимента и математического моделирования с использованием специальных компьютерных пакетных программ [6-9]. На данном этапе, проведено экспериментальное исследование на базе кафедры холодильных машин и низкопотенциальной энергетики Университета ИТМО с целью определения влияния физических свойств сжимаемого газа на характеристики ступени холодильного центробежного компрессора.
Отличительной чертой данного исследования, в отличие от работы [10], является испытание модельной ступени не на воздухе, а на смеси криптон-ксенонового концентрата при различных значениях показателя изоэнтро-пы ку = 1,62; 1,49; 1,39; 1,2 и 1,12.
При данном рассмотрении индекс «у» показывает, что анализ ведется в рамках метода условных температур [11], при котором реальный газ в рассматриваемой области заменяется идеальным с индивидуальной шкалой условных температур Т = zT, где z — коэффициент сжимаемости.
Рабочее колесо имеет следующие геометрические параметры, представленные в таблице. Лопаточный диффузор с числом лопаток z3 = 22 имеет параллельные стенки, развитой безлопаточный участок с относительным диаметром при входе В3 = 1,15. Лопатки симметричного аэродинамического профиля относительной толщиной 7% и средней линией, изогнутой по дуге окружности, установлены под углом а3 л = 14о. Относительный диаметр при выходе диффузора = 1,385. Отношение ширины диффузора к ширине колеса при выходе Ъ3/Ъ2 = 1,0. За лопаточным диффузором установлена кольцевая камера [11].
Параметры рабочей точки центробежного компрессора определяются двумя безразмерными числами подобия: условным числом Маха по окружной скорости на периферии колеса
_ и2 _ и2
и *
Мс0у =
РН^ОА/^у^^У
Геометрические характеристики рабочего колеса
Параметр Размерность Значение
Наружный диаметр колеса, м 0,305
Диаметр рабочего колеса на входе, м 0,1662
Диаметр расточки покрывающего диска
колеса, Б0 м 0,163
Входной угол перед лопатками, град 30
Угол выхода лопаток рабочего колеса, р2 град 45
Ширина рабочего колеса на входе, Ъх м 0,00252
Ширина рабочего колеса на выходе, Ъ2 м 0,0010
Число лопаток колеса, z12 шт 12/24
Важнейшей задачей сейчас является создание новых экологически безопасных рабочих веществ с использованием производственной базы отечественной химической промышленности. Как видно из уравнений (1), (2), в оба параметра входит скорость звука в заторможенном потоке при входе в колесо а*, зависящая от условного показателя изоэнтропы ку и газовой постоянной рабочего вещества. Если молекулярная масса и показатель изоэнтропы, а следовательно и скорость звука, будут близки по значениям, то возможна работа холодильной центробежной ступени на новом рабочем веществе без изменения конструкции и частоты вращения ротора. При наличии нескольких экологически безопасных рабочих веществ, которые выпускаются отечественным предприятиями, возможно создание смесей, удовлетворяющих предъявляемым требованиям.
В результате физического эксперимента получены характеристики исследованной ступени при различных значениях условного коэффициента изоэнтропы (рис. 1-3).
Из характеристики кпоя = /(Мс0у, М) (см. рис. 2) видно, что максимальная величина к.п.д. при всех исследо-
(1)
и условным числом Маха по расходной составляющей скорости при входе в колесо
сру __С_
*
Рис. 1. Зависимость пк = /(Мс0у, MJ при различных значениях ку
(2)
Рис. 2. Зависимость ппол = / (Мс0, М) при различных значениях к
Со-2
1.2 □ — R12 + - tj =1,1 o— = 1,2 д — ^ = 1,39 ,-: - k'r = 1,49 —
■v. Л
11 + i 4.
••'A 4 4.
+ -.'. V 4+ +
/ ; + i ¿V + t + o ...-'Vn / '/T +--+' A
i H 1/ Aa'-.i "■+'' кт' Л'tr p. op -tbf' d
Г+- + -+' Hi / /a''
: OS Ъ 0 9 И I,и
Рис. 3. Зависимость Z = f (i M) при различных значениях k y
ванных значениях ky практически одинакова. Увеличение числа Маха по окружной скорости до 1,2 приводит к тому, что с ростом ky значение максимального к.п.д. также растет, однако это связано с тем, что при малых ky характеристики ступени короче и помпаж наступает прежде, чем достигается минимум коэффициента потерь колеса. При числе Маха по окружной скорости меньше 1,2 область совместной работы колеса и лопаточного диффузора лежит в зоне минимальных значений коэффициента потерь колеса (см. рис. 3), хотя при этом с ростом ky она сдвигается в сторону больших производительностей. Поэтому и максимальные значения к.п.д. практически не отличаются друг от друга.
Результаты проведенного экспериментального исследования совпадают с выводами, приведенными в работах [9, 12]. Проанализировав полученные экспериментальные данные можно сделать вывод, что влияние ky на интегральные характеристики ступеней проявляется по-разному и зависит от особенностей согласования работы элементов проточной части. При ky < 1,2 характеристики ступеней от значения показателя изоэнтропы практически не зависят. Это дает основание распространить результаты исследования ступени холодильного центробежного компрессора на все хладагенты, у которых ky находится в этих пределах.
Список литературы
1. Короткое В. А., Татаренко Ю. В. Перспективы применения осерадиальных колес во фреоновых холодильных центробежных компрессорах. // Вестник Международной академии холода. 2015. № 3. С. 50-53.
2. Короткое В. А., Татаренко Ю. В. Безразмерные характеристики осерадиального колеса центробежной компрессорной ступени. // Вестник Международной академии холода. 2014. № 4. С. 44-47.
3. Лаптев Ю. А., Цветков О. Б. Монреальский протокол — dura lex, sed lex. // Холодильный бизнес. 2013. № 3. С. 30-34.
4. Цветков О. Б. Экологические приоритеты российского рынка хладагентов для холодильной и климатической техники. // Холодильная техника. 2014. № 2. С. 15-17.
5. Цветков О. Б., Лаптев Ю. А. Посткиотские тенденции и синдромы устойчивого развития техники низких температур. // Холодильный бизнес. 2015. № 3. С. 22-27.
6. Ozturk Tatar, Adnan Ozturk, Ali Pinarbasi. Flow analysis in centrifugal compressor vaneless diffusers. // Journal of Scentific & Industrial Research. Vol. 67, May 2008, p. 348-354.
7. Galerkin Y. B., Soldatova K. V., Drozdov A. A. New version of the Universal modeling for centrifugal compressor gas dynamic design. / Purdue Conference 2014. USA.
8. Ильина Т. Е., Пронин В. А. Предпосылки применения газостатических подшипников в винтовых компрессорах. // Вестник Международной академии холода. 2015. № 3. С. 39-45.
9. Centrifugal Compressor Surge, Modeling and Identification for Control / by Jan van Helvoirt/ Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2007. 200 p.
10. Турбокомпрессоры: Учеб. пособие / Ю. Б. Галеркин, Л. И. Ко-заченко. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 374 с.
11. Бухарин Н. Н. Моделирование характеристик центробежных компрессоров. — Л.: Машиностроение, 1983. с. 214.
12. Галеркин Ю. Б. Турбокомпрессоры. Рабочий процесс, расчет и проектирование проточной части. — М.: Инф.-изд. центр «КХТ», 2010. с. 596.
References
1. Korotkov V. A., Tatarenko Yu. V. The use of axial-radial impellers in halocarbon refrigeration centrifugal compressors. Vestnik Mezhdunarodnoi akademii kholoda. 2015. No 3. р. 50-53. (in Russian)
2. Korotkov V. A., Tatarenko Yu. V. The dimensionless characteristics of centrifugal compressor stage axial-radial impeller. Vestnik Mezhdunarodnoi akademii kholoda. 2014. No 4. р. 44-47. (in Russian)
3. Laptev Yu. A., Tsvetkov O. B. Montreal protocol — dura lex, sed lex. Kholodil'nyi biznes. 2013. No 3. p. 30-34. (in Russian)
4. Tsvetkov O. B. Ecological priorities of the Russian market of coolants for refrigerating and climatic equipment. Kholodil 'naya tekhnika. 2014. No 2. p. 15-17. (in Russian)
5. Tsvetkov O. B., Laptev Yu. A. Post-Kyoto tendencies and syndromes of a sustainable development of equipment of low temperatures. Kholodil'nyi biznes. 2015. No 3. p. 22-27. (in Russian)
6. Ozturk Tatar, Adnan Ozturk, Ali Pinarbasi. Flow analysis in centrifugal compressor vaneless diffusers. Journal of Scentific & Industrial Research. Vol. 67, May 2008, p. 348-354.
7. Galerkin Y. B., Soldatova K. V., Drozdov A. A. New version of the Universal modeling for centrifugal compressor gas dynamic design. Purdue Conference 2014. USA.
8. Ilyina T. E., Pronin V. A. Background for the use of gas-static bearings in screw compressors. Vestnik Mezhdunarodnoi akademii kholoda. 2015. No 3. р. 39-44. (in Russian)
9. Centrifugal Compressor Surge, Modeling and Identification for Control / by Jan van Helvoirt/ Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven, 2007. 200 p.
10. Turbocompressors: Manual. / Yu. B. Galerkin, L. I. Kozachenko. St. Petersburg, 2008. 374 p. (in Russian)
11. Bukharin N. N. Modeling of characteristics of centrifugal compressors. — Leningrad, Mashinostroenie, 1983. p. 214. (in Russian)
12. Galerkin Yu. B. Turbocompressors. Working process, calculation and design of flowing part. — Moscow, KKhT, 2010. p. 596. (in Russian)
