CC BY
14
УДК 621.515
В.В. Карабанова, *В.К. Юн, *А.А. Карлин, *А.С. Рейдер Омский государственный технический университет, г. Омск;
*ЗАО «Институт энергетического машиностроения и электротехники», г. Санкт-Петербург
ПРИМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ТЕЧЕНИЯ ВО ВСАСЫВАЮЩЕЙ КАМЕРЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА ДЛЯ СЖАТИЯ ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА
В последние годы актуализировались проблемные вопросы утилизации попутного газа, как из-за экологических, так и финансовых соображений. Для утилизации попутного нефтяного газа Невским заводом были изготовлены и находятся в эксплуатации несколько типов центробежных компрессоров: К380-103-1; К354-101-1; К890-121-1, 415-61-1, рассчитанные для нефтяного газа плотностью более 0,9 кг/м3.
За время эксплуатации компрессоров К380 на КС «Северо-Даниловского месторождения» ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» ТПП «Урайнефтегаз» плотность сжимаемого газа уменьшалась до р760, 20 = 0,75 кг/м3, поэтому газодинамические характеристики компрессора К380 не обеспечивали требуемые параметры.
ЗАО «ИЭМЭТ» разработан, а Невским заводом изготовлен компрессор К320-131-1 в двухцилиндровом исполнении для сжатия попутного нефтяного газа на новые условия работы с применением унификации принципиальной газодинамической схемы обоих цилиндров полученных методом геометрического подобия, которая будет гарантировать выполнение расчетных параметров, ускорять и упрощать проектные работы.
Блок компрессора 320-131-1 состоит из мультипликатора, цилиндра низкого давления (ЦНД), цилиндра высокого давления (ЦВД) и фундаментной рамы (рис. 1). Между ЦНД и мультипликатором и между цилиндрами установлена соединительная муфта, закрытая в кожух. Всасывающий и нагнетательный патрубки ЦНД расположены внизу. Всасывающий патрубок ЦВД - слева, если смотреть со стороны привода. Нагнетательный патрубок внизу. Направление вращения ротора компрессора - против часовой стрелки, если смотреть на компрессор со стороны привода. Продольный разрез ЦНД представлен на рис. 2.
При проектировании проточной части компрессора использовались методика и результаты расчета течения потока с помощью программы Fluent во всасывающей камере, форма проточной части которой геометрически подобна для ЦНД и ЦВД.
Рис. 1. Общий вид компрессора К320-131-1
Рис. 2. Продольный разрез ЦНД 85
Методика расчета всасывающей камеры заключалась в следующем:
• Создание твердотельной модели всасывающей камеры (рис. 3)
• создание модели внутреннего объема (потока) в программе Рго/ЕКОШЕЕЯ (рис. 4) (для задания входных граничных условий к геометрической модели всасывающей камеры достраивается участок прямолинейного трубопровода);
• разбиение расчетной области на тетраэдрические элементы (общая размерность построенной сетки 440 456 ячеек);
• выбор параметров расчетной модели (стандартная к-ервШоп модель турбулентно-
сти);
• выбор параметров сжимаемой среды выбран (стандартный природный газ: плотность - 28,07 кг/м3; удельная теплоемкость 2159 Дж/(кгК); коэффициент теплопроводности
0,0332 Вт/(м^К), динамическая вязкость 1,09^10"5 кг/(мх));
• параметры расчета задаются в соответствии с расчетными параметрами компрессора 200-21-1СМП (давление и температура газа при входе на лопатки колеса Р1=3,756 МПа;
Т1=286,95; массовая производительность 0=94,5 кг/с; площадь выходного сечения Б0=0,0537,
2\ м );
• выполнение расчета
• сходимость процесса расчета задачи достигается при равенстве расхода на выходе в ступень заданному расходу на входе (число итераций составило 300, время расчета 25 мин).
Рис. 3. Твердотельная геометрия всасывающей камеры
Рис. 4. Пространственная геометрическая модель для расчета течения воздуха
во всасывающей камере
В результате расчета всасывающей камеры получено распределение скорости в среднем продольном сечении всасывающей камеры и на входе и выходе (рис. 5).
Рис. 5. Распределение скорости в среднем продольном сечении
всасывающей камеры и на входе и выходе
Результаты расчета обработаны с целью определения значение коэффициента потерь по соотношению [3]:
Z = (Pm - Pout) / (0,5-р- Сср2), (1)
где сср - скорость, осредненная по расходу, через поверхность входа в область спиральной камеры с поворотным коленом (через поверхность входа в диффузор); Pin - полное давление, осредненное по расходу, на входе в область спиральной камеры; Pout - полное давление, ос-редненное по расходу, на выходе из области спиральной камеры.
Величины сср, Pin , Pout рассчитаны в программе Fluent. Коэффициент расхода на входе в рабочее колесо рассчитывается по формуле:
00 = О/^-^) (2)
где 0 - производительность, отнесенная к начальным условиям, м3/с; Б0 - площадь выходного сечения, м2; и2 - окружная скорость на выходе из рабочего колеса, м/с.
0.7
0,5
0А
0,2 0,3 ОЛ 0.5
(ро
На рис. 6 представлены результаты испытания коэффициента потерь данной всасывающей камеры зависимостью ^ = У(0о), а также на нем отмечено значение, полученное в ходе расчета.
Рис. 4 Результаты исследований всасывающей камеры:
+ - результаты экспериментов;
• - результат расчетов
Полученные данные по коэффициенту потерь согласуются с экспериментальными полученными данными для данной всасывающей камеры, что свидетельствует о правильности размера выбранной расчетной ячейки, правильности задания граничных условий, выбора модели турбулентности и других условий расчета. Это в дальнейшем представляет практический интерес для исследовательских расчетов пространственного потока в других неподвижных элементах проточной части центробежного компрессора, что позволит усовершенствовать эффективность газодинамических характеристик проточной части.
Библиографический список
1. Юн, В. К. Анализ газодинамических характеристик подобных и одинаковых центробежных компрессоров и секций / В. К. Юн // Компрессорная техника и пневматика. - 2011. -№ 1. - С. 29-36.
2. FLUENT. User‘s Guide. 2006.
3. Мифтахов, А. А. Входные и выходные устройства центробежных компрессоров / А. А. Мифтахов, В. И. Зыков. - К. : Фон, 1996. - 198 с.
4. Авраменко, М. И. О k-s модели турбулентности : препринт. - РФЯЦ-ВНИИТФ, 2005. - № 224.
5. Белов, И. А. Моделирование турбулентных течений : учебное пособие / И. А. Белов,
С. А. Исаев ; Балт. гос. техн. ун-т. - СПб., 2001. - 108 с.
6. Wilcox, David C. Turbulence Modeling for CFD / 1st ed., 1993.
