vanyashov_a_d_kustikov_g_g_uchebnoe_posobie_dlya_kursovogo_p

Федеральное агенство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

А.Д. Ваняшов, Г.Г. Кустиков

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН

Учебное пособие для курсового проектирования

Допущено учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 150800 (657400) «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника» специальности 150801 (101500) «Вакуумная и компрессорная техника физических установок».

Омск – 2005

УДК 621.515.001.24 (075) ББК 31.76+34.42Я73 В17

Ваняшов А.Д., Кустиков Г.Г.

Расчет и конструирование центробежных компрессорных машин: Учеб. пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 208 с.

В учебном пособии излагается последовательность термогазодинамического расчета проточной части центробежных компрессорных машин, рассмотрены вопросы конструирования элементов проточной части, а также приведены методики выполнения расчетов на прочность некоторых деталей центробежных компрессоров в объеме, необходимом для выполнения курсовых проектов по дисциплинам «Теория, расчет и конструирование компрессорных машин динамического действия» и «Тепловые двигатели и нагнетатели». Может использоваться при дипломном проектировании.

Для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 150801 (101500) «Вакуумная и компрессорная техника физических установок». Может использоваться студентами, обучающимися по специальности 100700 «Промышленная теплоэнергетика».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета.

УДК 621.515.001.24 (075) ББК 31.76+34.42Я73

© Ваняшов А.Д., Кустиков Г.Г., 2005 © Омский государственный

технический университет, 2005

2

Введение

Компрессорные машины динамического действия, к классу которых относятся и центробежные компрессоры, используются практически во всех отраслях промышленности: химической, нефтехимической, газовой, машиностроительной, пищевой, металлургической, в энергетике и на транспорте (воздушном, водном, наземном).

Проектирование и изготовление стационарных центробежных компрессоров в России и странах СНГ сосредоточено в следующих организациях: ОАО «Невский завод» и ОАО «Компрессорный комплекс» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Казанькомпрессормаш» и НИИ «Турбокомпрессор» им. В.Б. Шнеппа (г. Казань), ОАО «Дальэнергомаш» (г. Хабаровск), ОАО НПО «Искра» (г. Пермь), ОАО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе» (г. Сумы, Украина); авиационных и судовых турбокомпрессоров – ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, ЦИАМ им. П.И. Баранова, ОАО «Люлька-Сатурн» (г. Москва), ОАО «ОМКБ» (г. Омск), СНТК им. Н.Д. Кузнецова (г. Самара), ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь), ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение» (г. Казань), НПП «Машпроект», ОАО «Заря» (Николаевский судостроительный завод, г. Николаев, Украина).

За рубежом производство и разработку турбокомпрессоров различного назначения ведут следующие крупные фирмы и концерны: «General Electric», «Cooper-Bessemer», «Ingersoll-Rand» (США), «Cooper Rolls» (Великобритания), «Nuovo Pignone» (Италия), «Mitsubishi» (Япония), «Termodin», «Creusot-Loire» (Франция), «Siemens», «MAN Turbo», «Demag Delaval» (Германия), «Atlas Copco», «Sulzer», (Швейцария) и др.

Практика отечественного компрессоростроения начиная с 40–60-х годов ХХ века и по настоящее время основывается на разработанных различными организациями методах газодинамического расчета центробежных компрессорных машин (ЦКМ):

-методе ЦИАМ (Центральный институт авиационного машиностроения им. П.И. Баранова), применяющемся для расчета компрессоров авиационного типа с осерадиальными открытыми рабочими колесами;

-методе НЗЛ (Невский завод им. В.И. Ленина), применяющемся для расчета одно- и многоступенчатых компрессоров стационарного типа с закрытыми рабочими колесами;

-методе ЛПИ (Ленинградский политехнический институт им. М.И. Калинина), разработанном на основе метода НЗЛ и позволяющем производить газодинамические расчеты как стационарных, так и транспортных компрессоров при внесении соответствующих изменений в методику расчета;

-методе моделирования, разработанном на Невском заводе им. В.И. Ленина В.Ф. Рисом и основанном на использовании газодинамических характеристик ранее спроектированных компрессоров, секций и ступеней, а также модельных ступеней путем пересчета их на требуемые параметры.

Первые три метода проектирования построены на одномерной теории течения газа в проточной части ЦКМ. Они позволяют рассчитать размеры про-

3

точной части машины, обеспечивающие требуемые отношения давлений и производительности с заданным КПД, т.е. проектирование ведется только для расчетной точки. О том, как будут изменяться газодинамические параметры ЦКМ (отношение давлений, КПД, мощность и др.) при изменении производительности, по этим методам судить нельзя. Поэтому в настоящее время проектирование проточной части неохлаждаемых секций ЦКМ выполняется методами моделирования (полного или частичного) газодинамических характеристик отдельных модельных ступеней или секций прототипов.

При отсутствии экспериментально полученных газодинамических характеристик ступеней или секций (а сведения по ним в литературе ограничены) проектирование проточной части неохлаждаемых секций ЦКМ можно вести по одномерной теории одним из первых трех перечисленных выше методов.

Всистему подготовки инженеров по специальностям «Вакуумная и компрессорная техника физических установок» и «Промышленная теплоэнергетика» включены вопросы изучения теории рабочих процессов центробежных компрессорных машин, а также вопросы их проектирования и конструирования, последние более подробно изучаются студентами в рамках курсового проектирования.

Выполнение курсового проекта способствует закреплению, углублению и обобщению теоретических и прикладных знаний, полученных студентами при изучении дисциплин «Теория, расчет и конструирование компрессорных машин динамического действия» и «Тепловые двигатели и нагнетатели».

Целью курсового проектирования является применение полученных знаний при решении конкретной инженерной задачи, а именно при проектировании ЦКМ.

Впроектно-конструкторских организациях проектирование машины включает следующие этапы:

−проработка технического задания – определяются и анализируются свойства сжимаемого газа или смеси газов, объемная производительность и отношение давлений, выясняется возможность обеспечения требуемых параметров ранее спроектированными машинами;

−эскизное проектирование – производится выбор принципиальной схемы и типа машины, определяются основные размеры;

−техническое проектирование – прорабатываются варианты отдельных сборочных единиц;

−рабочее проектирование – разрабатывается весь комплект конструкторской документации: чертежи всех деталей, спецификации, пояснительная записка, технические условия на изготовление, инструкция по эксплуатации и др. документы.

По объему и глубине разработки курсовой проект приближается к техническому проекту, хотя и содержит отдельные элементы рабочего проекта.

Графическая часть и расчетно-пояснительная записка (РПЗ) составляют объем курсового проекта. Графическая часть должна содержать 3-4 листа чер-

тежей формата А1 (594×841): продольный (иногда и поперечный) разрез цен-

4

тробежного компрессора (1-2 листа), чертеж сборочного узла (1 лист), чертежи деталей, составляющих сборочный узел (1-2 листа). В РПЗ объемом 40-60 листов формата А4 (297×210) излагаются предварительные вариантные расчеты, окончательный газодинамический расчет выбранного варианта, конструктивные и прочностные расчеты, приводится краткая характеристика спроектированного компрессора.

Данное учебное пособие в соответствии с этапами курсового проектирования условно делится на две части. В первой части приведена методика термогазодинамического расчета проточной части неохлаждаемого центробежного компрессора, вторая часть содержит методики прочностных расчетов элементов турбокомпрессора (дисков рабочих колес, ротора, корпуса), а также конструктивные расчеты: расчет осевых усилий, действующих на ротор турбокомпрессора, размеров разгрузочного поршня (думмиса), профилей лопаток рабочих колес, диффузоров, обратно-направляющих аппаратов.

При описании методики термогазодинамического расчета за основу взят метод НЗЛ, описанный в монографиях В.Ф. Риса [1, 2] и Г.Н. Дена [3], а также использованы особенности методик расчета, производных от метода НЗЛ [5, 6].

Классически, по методу НЗЛ [1], принимается, что процесс преобразования энергии в элементах проточной части происходит с постоянным для всей ступени политропным КПД. Зная потери в отдельных элементах проточной части, которыми можно задаться или которые можно рассчитать по рекомендациям, полученным в результате обобщения эксперимента, например в [3], возможно проверить обоснованность предварительно задаваемого КПД (см. гл. 8, ч.I). Термогазодинамический расчет по методу НЗЛ можно выполнять с учетом изменения коэффициента политропы (политропного КПД) в различных элементах ступени. Такой подход к определению параметров газа в контрольных сечениях проточной части описан в [3], где даны формулы, связывающие коэффициенты потерь в элементах ступени с числом политропы сжатия в этих элементах.

По мнению авторов, в рамках курсового проектирования с достаточной точностью термогазодинамические расчеты можно выполнять с постоянным для всей ступени числом политропы сжатия σ.

Для определения термодинамических параметров газа (Т, Р, ρ) в контрольных сечениях проточной части дано сразу несколько расчетных формул (три или четыре), которыми студент может пользоваться по выбору.

Приводимая в учебном пособии методика термогазодинамического расчета ориентирована на проектирование неохлаждаемых центробежных компрессорных машин, т.е. нагнетателей. Однако это не означает, что по данной методике нельзя проектировать компрессоры с промежуточным охлаждением. В случае такой необходимости можно воспользоваться соответствующими расчетами выбора числа промежуточных охлаждений и распределения параметров газа по секциям, приведенными в [5-8], а затем применить данную методику для расчета отдельных неохлаждаемых секций ЦКМ.

5

При проектировании проточной части ЦКМ студентам не следует ограничивать себя только методиками, изложенными в данном учебном пособии. Для более глубокого понимания взаимосвязи между конструктивными особенностями ступеней и газодинамическими параметрами газового потока необходимо обращаться к классической литературе по турбокомпрессоростроению [1- 15], что будет способствовать повышению качества выполнения проекта,.

При выполнении курсового проекта рекомендуется составить программу расчета, пользуясь алгоритмом, изложенным в данном пособии. Программу можно реализовать либо на одном из языков программирования: Pascal, Fortran, Bаsic, либо составить в среде Microsoft Excel.

В подготовке материала для настоящего учебного пособия принимали участие студенты специальности 101500 «Вакуумная и компрессорная техника физических установок» Беззатеев А.К., Гурова Т.А., Ефременко Н.Г.

Авторы выражают благодарность руководителям и сотрудникам ОАО «Невский завод» и ОАО «Компрессорный комплекс» (г. Санкт-Петербург) за предоставленные для данного учебного пособия материалы. Отдельные слова благодарности - кандидату технических наук В.Е. Евдокимову за советы и рекомендации, которыми авторы воспользовались при составлении общей идеологии расчета.

Авторы благодарны также кандидату технических наук С.В. Кононову за оппонирование и участие в редактировании рукописи.

Особые слова признательности - заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору Георгию Николаевичу Дену за данные им консультации при подготовке рукописи, ценные советы и критические замечания, позволившие авторам улучшить содержание данного учебного пособия.

6

Принятые сокращения и обозначения

РК – рабочее колесо; ЛД – лопаточный диффузор;

БЛД – безлопаточный диффузор; ПК – поворотное колено;

ОНА – обратный направляющий аппарат; ЦК – центробежный компрессор; ЦКМ - центробежная компрессорная машина.

Индексы контрольных сечений проточной части: н – вход в компрессор; к – выход из компрессора; 0 – вход в РК;

1 – вход на лопаточную решетку РК;

2 – выход из РК;

3 – вход в ЛД или БЛД;

4– выход из БЛД;

5– вход в ОНА;

6– выход из ОНА;

7– вход в улитку или сборную камеру;

8– выход из улитки или сборной камеры.

а– скорость звука, м/с;

b1, b2, b3, b4, b5, b6 – ширина канала проточной части в меридиональной плоскости в контрольных сечениях проточной части, м; В – хорда лопатки, м;

ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг·К); С1, С2, С3, С4, С5, С6 – абсолютные скорости газа в контрольных сечениях проточной части, м/с; С3Г - абсолютная скорость газа в «горле» решетки ЛД, м/с;

U1 , U2 – окружные скорости вращения РК соответственно в сечениях 1 и 2, м/с; W1, W2 – относительные скорости потока газа в сечениях 1 и 2, м/с;

W1Г – относительная скорость газа в «горле» решетки РК, м/с;

D1, D2, D3, D4, D5, D6 – диаметры контрольных сечений проточной части, м; Dвт – втулочный диаметр (диаметр ступицы РК), м;

D0 – внутренний диаметр расточки покрывающего диска, м;

F0, F1, F2, F3, F4, F5, F6, F0′ - площади контрольных сечений проточной части, м2;

k – показатель адиабаты;

Ni, Nв – внутренняя мощность и мощность на валу компрессора, Вт; nоб – число оборотов ротора компрессора, об/мин;

n – показатель политропы процесса;

X – количество ступеней в компрессоре;

i – номер ступени, удельная энтальпия, Дж/кг;

7

i1, i3, i5 – угол атаки;

hi – удельная работа, затраченная на вращение РК (внутренний напор ступени), Дж/кг;

X

Hiк = ∑hi(i) – удельная затраченная работа компрессора (внутренний напор

i=1

компрессора), Дж/кг;

hп – удельная политропная работа сжатия ступени (политропный напор ступени), Дж/кг; Р0, Р1, Р2, Р3, Р4, Р5, Р6, Р0′ - статическое давление газа в контрольных сечениях

проточной части, Па; Рн, Рк – начальное и конечное давление компрессора соответственно на срезе

всасывающего и нагнетательного патрубков, Па; Рн*, Рк* - полное давление соответственно в начальном и конечном сечении компрессора, Па;

Т0, Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6, Т0′ - статическая температура газа в контрольных сечениях проточной части, К; Т0*, Т2* - полные температуры в контрольных сечениях проточной части, К;

Тн, Тк - начальная и конечная температуры компрессора, определяемые соответственно на срезе всасывающего и нагнетательного патрубков, К; Тн*, Тк* - полные температуры соответственно в начальном и конечном сечениях компрессора, К;

ρ0, ρ2, ρ3, ρ4, ρ5, ρ6, ρ0′ - плотность газа в контрольных сечениях проточной части, кг/м3;

ρн, ρк – плотность газа в начальном и конечном сечениях компрессора, кг/м3; πк, – отношение давлений компрессора;

ϕ0 , ϕ2 (ϕr2) – коэффициенты расхода РК соответственно в сечениях 0 и 2;

ψТ2 (ϕu2) – коэффициент теоретического напора РК (коэффициент теоретической удельной работы); ψп (ψ) – коэффициент политропного напора ступени (коэффициент удельной политропной работы);

ψi (χ) – коэффициент внутреннего напора (коэффициент мощности) ступени; Ω (ρ) – степень реактивности (коэффициент реакции); βпр, βтр – коэффициенты потерь соответственно на протечки и дисковое трение;

ηпк, ηп(i), η0-2(i) – политропный коэффициент полезного действия по статическим параметрам соответственно компрессора, i-й ступени, РК i-й ступени;

η*пк, η*п(i), η*0-2(i) – политропный коэффициент полезного действия по полным параметрам соответственно компрессора, i-й ступени, РК i-й ступени;

σк, σ(i), σ0-2(i) – число политропы сжатия соответственно компрессора, i-й ступени, РК i-й ступени;

z1, z2, z3, z4, z5, z6– число лопаток РК, ЛД и ОНА в соответствующих сечениях; zл – число гребней лабиринтного уплотнения;

sr – радиальный зазор в лабиринтном уплотнении, м;

8

δ1, δ2, δ3, δ4, δ5, δ6 – толщина лопаток РК, ЛД и ОНА в соответствующих сечениях, м; β1, β2 – угол потока в относительном движении в сечениях 1 и 2 РК;

βл1, βл2 – угол установки лопаток РК на входе и выходе, град; α2, α3, α4, α5, α6 - угол потока в абсолютном движении в соответствующих сечениях, град;

αл3, αл4, αл5, αл6 – углы установки лопаток ЛД и ОНА в соответствующих сечениях, град;

сти на входе в компрессор (коэффициент изменения удельного объема); νэ – эквивалентный угол раскрытия, град; ζ - коэффициент потерь в соответствующих элементах проточной части;

MU2, MС2, MС3, MW1, MС3Г, MW1Г – числа Маха по соответствующим скоростям; Qн – объемная производительность на входе в компрессор, м3/с, м3/мин;

G – массовая производительность компрессора, кг/с.

9