ОБОБЩЕННАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЫХОДНЫХ УСТРОЙСТВ ХОЛОДИЛЬНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ
Общеизвестно, что выходные устройства центробежных компрессоров – улитки и кольцевые сборные камеры – оказывают существенное влияние как на экономичность работы компрессора, так и на показатели его надежности.
В общем случае, при решении задач выбора типа, расчета и проектирования выходных устройств (ВУ) для конкретной концевой ступени (КС) центробежного компрессора (ЦК) или группы ступеней корпуса сжатия необходимо:
• обеспечить минимум потерь внутреннего КПД в проточной части (ПЧ) самого ВУ;
• снизить степень неблагоприятного влияния ВУ, выражающуюся в создании окружной неравномерности давления, на условия работы предшествующих ему элементов;
• согласовать работу ВУ с другими элементами КС;
• обеспечить технологичность изготовления и компактность корпуса ЦК в целом.
Характерными особенностями работы ЦК в составе парокомпрессионных холодильных машин являются: сжатие газов с высокой начальной плотностью; значительное отклонение режимов от расчетной точки, соответствующей максимальным значениям внутреннего КПД компрессора. Таким образом, ВУ холодильных ЦК, в основном, должны удовлетворять требованиям экономичности в широком диапазоне режимов работы, а также требованию минимизации создаваемой окружной неравномерности параметров потока в ступени. Однако, в настоящее время в научно-технической литературе отсутствуют какие-либо рекомендации по расчету и проектированию ВУ, одновременно удовлетворяющих обоим условиям.
В качестве ВУ центробежных компрессоров холодильных машин, как правило, применяются кольцевые сборные камеры (КСК) – ВУ с постоянной по углу разворота площадью поперечных сечений. Применение КСК в холодильных ЦК обусловлено рядом их преимуществ перед улитками (ВУ с переменной площадью поперечных сечений), в том числе:
• плавность характеристики (меньшая зависимость потерь внутреннего КПД от режима работы);
• меньшая неравномерность параметров потока, создаваемая самим ВУ по окружности предшествующих элементов;
• технологичность изготовления ВУ;
• возможность применения одного типоразмера ВУ для различных комбинаций элементов ПЧ компрессора (возможность унификации ВУ).
Идея предлагаемой обобщенной методики расчета КСК заключается в оптимизации площади поперечных сечений ВУ с точки зрения обеспечения минимальной степени неравномерности распределения статического давления по окружности с одновременным получением наиболее низкого значения коэффициента потерь энергии в ПЧ выбранного типоразмера камеры.
Методика основана на расчете распределения давления при движении одномерного невязкого, несжимаемого движения потока газа с переменной массой вдоль пути [1], а так же способе определения коэффициента потерь энергии в ПЧ выходных устройств [2].
Исходными данными при выполнении расчета КСК по предлагаемой методике являются:
• наружный DН (или внутренний DВН) диаметр поперечного сечения;
• площадь сечения на входе в КСК F4;
• угол потока во входном сечении 4;
• форма поперечного сечения КСК (определяется компоновкой корпуса ЦК и может быть скорректирована при выполнении вариантных расчетов.
Расчетная схема и основные геометрические параметры КСК представлены на рисунке 1.
Сравнение расчетных и экспериментальных значений интегральной характеристики (рисунок 2), полученных методами статических продувок и модельных испытаний ВУ в составе КС для белее, чем 20 типоразмеров КСК, указывает на их вполне удовлетворительное совпадение. Таким образом, открывается возможность для использования расчетного выражения интегральной характеристики при проектировании КСК с минимальным значением окружной неравномерности параметров потока.
Результаты теоретического анализа зависимости среднеквадратичного значения относительного давления (интегральной характеристики неравномерности) от относительной площади поперечных сечений КСК при различных расчетных углах входа потока 4 (рисунок 3) указывает на наличие такой величины площади, при которой неравномерность распределения давления в ВУ будет минимальной:
Допуская, что КСК, имеющие меньшее расчетное значение величины интегральной характеристики, будут обеспечивать меньшую неравномерность давления и при работе этих ВУ в составе натурной ступени ЦК, а также, используя расчетные соотношения из работы [2], получим алгоритм расчета КСК с минимальной степенью неравномерности распределения статического давления по окружности с одновременным получением наиболее низкого значения коэффициента потерь энергии в ПЧ выбранного типоразмера камеры:
Далее для рассчитанной КСК определяются величины коэффициента потерь энергии (например, по методике [2]) или потерь внутреннего КПД и параметры, характеризующие неравномерность распределения давления по длине КСК [3, 4]. При необходимости выполняются вариантные расчеты в указанной последовательности.
Следует отметить, что размеры поперечных сечений КСК, рассчитанных по предлагаемой методике, получаются несколько больше, чем в случае расчета ВУ по условию обеспечения минимального значения коэффициента потерь [5] или традиционными способами [6].
В настоящее время авторами выполняются работы по расширению области применения предложенной методики: выполняется распространение ее на ВУ с переменной по углу разворота площадью поперечных сечений (улитки); вводятся поправки, учитывающие нерасчетные режимы работы КС компрессора.
Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004
