Влияние геометрических параметров на эффективность работы кольцевых сборных камер центробежных компрессоров Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.515

Ю. А. Фирсова

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ КОЛЬЦЕВЫХ СБОРНЫХ КАМЕР ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ

Ключевые слова: кольцевая сборная камера, центробежный компрессор, коэффициент потерь.

Рассмотрено влияние геометрических параметров на величину потерь КПД.

Keywords: ring collection chamber, a centrifugal compressor, the loss factor.

The influence of geometric parameters on the efficiency

Центробежные компрессоры находят широкое применение в химической, нефтехимической, нефте- и газодобывающей, металлургической и других отраслях промышленности. При этом большая единичная энергоемкость центробежного компрессора обусловливает высокие требования к их экономичности и надежности. Одним из основных элементов проточной части центробежного компрессора, который оказывает весьма существенное влияние как на экономичность работы центробежного компрессора, так и на показатели их надежности является выходное устройство. Наиболее широко применяемым в практике компрессоростроения выходным устройством является кольцевая сборная камера (КСК) [1].

В данной статье рассмотрено влияние изменения формы КСК на эффективность работы концевой ступени компрессора. Для оценки влияния изменения формы КСК (отношения ширины (B) к высоте (H) камеры) рассмотрим серию вариантов ступеней КС-52 - КС-57, у которых при сохранении геометрии рабочего колеса и безлопаточного диффузора изменялась лишь форма поперечного сечения КСК.

На рис. 1 приведены зависимости коэффициента потерь Z. = f(B/H), полученные расчетным путем по математической модели [2] для пяти режимов работы. Как видно из этих графиков, наихудшей эффективностью обладают кольцевая камера с формой поперечного сечения, вытянутой в радиальном направлении, у которых отношение B/H < 1 (КСК №1 и КСК №2). В этих камерах при уменьшении внутреннего радиуса камеры RBH и ширины В происходит увеличение потерь, а, следовательно, рост потерь КПД на всех режимах работы.

Наибольшую аэродинамическую

эффективность имеет КСК №3 круглой формы поперечного сечения. Близка к ней по эффективности КСК №4 квадратного поперечного сечения со скругленными углами (B/H = 1).

Увеличение B/H (КСК №5 и №6) вызывает значительно меньший рост потерь КПД.

Следовательно, наиболее существенное влияние на показатели работы КСК при отклонении формы сечения от круглой происходит при отношении B/H < 1.

Z

• И fcsJfcfcj^-»— •_____— v.--rife

1 -J 1 '* 1 *

0,5 1 1,5 2 2,5 3

• 1 »2 '3 « 4 ♦ 5

B/H

Рис. 1 - Влияние отношения В/H на величину коэффициента потерь Z КСК

С уменьшением B/H растет интенсивность обратного течения, усиливается неоднородность потока в начальных сечениях КСК и патрубка, увеличиваются размеры вихревой зоны на его задней стенке. Поскольку при повышенных расходах указанные процессы усиливаются и оказывают существенное влияние на величину потерь, то вполне закономерно, что уменьшение внутреннего радиуса RBH и ширины В камеры ведет к росту потерь. Вместе с тем, переход от круглой формы сечения к прямоугольной вызывает появление дополнительных гидравлических потерь, особенно при течении закрученного потока. Совокупное действие указанных видов потерь, по-существу, и является причиной увеличения крутизны характеристик КСК при снижении RBH и В. С увеличением этих геометрических параметров в КСК №5 и №6 происходит некоторое улучшение структуры потока в сечениях патрубка, в основном, из-за менее интенсивного обратного течения, что улучшает показатели работы КСК. Однако, с другой стороны, ухудшается однородность потока в начальных сечениях КСК, появляются дополнительные потери, обусловленные

отклонением формы сечения канала от круглой (B/H = 1) и возрастанием потерь от расширения.

На оптимальных режимах работы худшие показатели работы имеет КСК с прямоугольным сечением, вытянутым в радиальном направлении

(B/H < 1). По сравнению с кольцевой камерой круглого сечения, снижение эффективности работы камеры прямоугольного сечения, обусловлено большим гидравлическим сопротивлением сечений и худшей структурой потока в их начальной части и в патрубке из-за имеющегося слабого обратного течения. Для кольцевых сборных камер с сечением, вытянутым вдоль оси (B/H > 1), возрастание коэффициента потерь Z на указанных режимах работы следует отнести как за счет больших потерь на расширение, так и усиления рециркулирующего течения. Следовательно, увеличение отношения B/H приводит к уменьшению потерь и величины площади F. Однако, при величине B/H более 2,5 его влияние на величину потерь и площади несущественно, при этом также могут возрастать габариты центробежного компрессора. Таким образом, рекомендуемые значения параметра B/H находятся в диапазоне В/H = 1,0 - 1,6.

Показатели работы КСК, наряду с собственными геометрическими характеристиками, во многом определяются параметрами элементов ступени. К таким параметрам относятся:

относительный диаметр D4 = D4/D2 и относительная ширина b4 = b4 /b2 диффузора.

Исследование влияния величины D4

безлопаточного диффузора в ступенях с кольцевой камерой проводилось на ступенях КС-54, КС-60 и КС-66, в которых относительный диаметр D4 равнялся соответственно 1,56, 1,72 и 1,85. КСК названных ступеней имели круглую форму сечения.

На рис. 2 представлена зависимость С = f(D4) для КСК №№ 3, 9, 14. По мере увеличения относительного диаметра D4 величина

потерь падает.

Экспериментальные характеристики КСК №№ 3, 9, 14 [3] также показывают, что увеличение D4 приводит к существенному снижению коэффициента Z в зоне повышенных значений угла а 4. Это обусловлено тем, что с увеличением D4 растет площадь F4, так и расчетная площадь F поперечного сечения КСК. При этом происходит снижение уровня скоростей на входе в КСК и, соответственно, динамического давления. В канале КСК понижение скорости является следствием двух факторов: уменьшения скорости с4 на входе в КСК и увеличения площади сечения КСК F. Эти факторы в совокупности приводят к тому, что при углах входа потока в камеру а4 > а4опт снижение абсолютных потерь в КСК, по сравнению с уменьшением динамического давления, происходит более интенсивно, что и вызывает повышение эффективности работы КСК.

На режимах, где коэффициент расхода Ф

больше оптимальных значений, коэффициент *

потерь ^3 _4 безлопаточного диффузора сравниваемых ступеней одинаков (рис. 3).

D4

Рис. 2 - Изменение величины потерь КСК круглой формы в зависимости от значения относительного диаметра D4

0,9 i

Пы

Vb

0,7

0,5

о,з

С я/

оЛ» iw

-1,6 С

-1,4 - 1,2 - 1 0,8 0,6

- 0,4

- 0,2

0,1 -j-----i- о

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 _ф_ КС-54 —■— КС-60 —КС-66 Ф

Рис. 3 - Газодинамические характеристики

С уменьшением коэффициента Ф величина

*

q3 _ 4 становится тем больше, чем выше значение _ *

D4 . Максимальное значение коэффициента ^ад получено для ступени КС-54 с наименьшим значением параметра D4 . Увеличение D4 снижает эффективность работы ступени и сдвигает их характеристики в сторону больших расходов. Из этих же графиков видно, что в ступенях КС-54 и КС-60 имеет место рассогласование в работе их элементов.

На рис. 4 представлен график изменения величины Z в зависимости от D4 для КСК с различным значением В/H: D4 =1,56 (B/H = 0,5);

Z

й4 = 1,72 и й4 =1,85 (В/Н = 1); й4 = 1,97 (В/Н = =3,8). Как видно из графика увеличение относительного диаметра й4 приводит к снижению величины коэффициента потерь £ ступени и повышению их эффективности. Таким образом, в

результате анализа рекомендовано значение й4 в диапазоне 1,7 - 1,9.

На основании вышеизложенного рекомендовано значение отношения ширины камеры к ее высоте В/H = 1,0 - 1,6, значение величины относительного диаметра диффузора D4 рекомендуется выбирать в диапазоне 1,7 - 1,9, что соответствует минимальному значению величины потерь в рассмотренных кольцевых сборных камерах центробежного компрессора.

Z

II IQ

04=1.72,

fl, = 1.85^ D, = 1,97*

♦ ■

0,03 0.035 0,04 0,045 0,05 0,055 0.06

Ф

Литература

1. Фирсова, Ю.А. Влияние окружной неравномерности, создаваемой выходным устройством, на работу центробежного компрессора/ Ю.А. Фирсова, И.Г. Хисамеев//Труды XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. Том 1/ЗАО «НИИтурбо-компрессор им. В.Б. Шнеппа». -Казань: Изд-во «Слово». - 2011. - С. 353-362.

2. Фирсова, Ю.А. Выходные устройства центробежного компрессора. Потери в них и их математическое описание/Ю.А. Фирсова, И.Г. Хисамеев // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 9. - С. 483-489.

3. Фирсова, Ю. А. Сравнение расчетных и экспериментальных значений окружной неравномерности давления, создаваемой кольцевой сборной камерой/ Ю.А. Фирсова, Э.Р. Хабибуллина, И.Г. Хисамеев//Вестник Казан. технол. ун-та, том 15. -2012. - № 12. - С. 164-166.

Рис. 4 - Изменение величины потерь в несоосных КСК с различным значением относительного

диаметра Р4

© Ю. А. Фирсова - к.т.н., доц. каф. холодильной техники и технологий КНИТУ, [email protected].

© I. A. Firsova - Ph.D, Associate Professor at the department "Refrigeration equipment and technologies", telephone number, [email protected].