СОБЫТИЯ

Ученые создали сорбент для удаления нефтепродуктов с поверхности воды

Ученые из Южного федерального университета (ЮФУ) разработали сорбент из шелухи подсолнечника, с помощью которого можно удалять с поверхности воды мазут, масло и нефть. Об этом сообщил один из разработчиков лаборант-исследователь кафедры ...

Роснефть добыла на Эргинском кластере пятимиллионную тонну нефти

Роснефть с начала разработки месторождений Эргинского кластера в 2017 году добыла 5 млн тонн нефти. Опережающий рост добычи на проекте был обеспечен в течение 2019 года. За этот период суточный объем извлекаемого сырья увеличился на 20% и ...

Омский НПЗ завершил монтаж основного оборудования на новом комплексе первичной переработки нефти

На площадке строительства комплекса первичной переработки нефти Омского НПЗ «Газпром нефти» завершена установка основного технологического оборудования. Этот проект является одним из ключевых проектов второго этапа программы развития ...

Закупочные службы нефтегазовых компаний соберутся на XV ежегодной конференции Нефтегазснаб-2020

17 марта 2020 года по адресу: Москва, Тверская, 22, отель InterContinental, состоится XVежегодная конференция «Снабжение в нефтегазовом комплексе» (Нефтегазснаб-2020), в которой принимают участие руководители служб ...

Открылась регистрация на выставку «НЕФТЕГАЗ-2020»

В 2020 году выставка пройдет с 13 по 16 апреля в ЦВК «Экспоцентр» и отпразднует 20-летний юбилей. Совместно с Выставкой состоится Национальный нефтегазовый форум, с 14 по 16 апреля соответственно. Среди наших участников вас будут ...

РАЗРАБОТКА ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ И ИСПЫТАНИЯ ВОЗДУШНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ С ПОЛУОТКРЫТЫМИ ОСЕРАДИАЛЬНЫМИ РАБОЧИМИ КОЛЕСАМИ

ЛЮБИМОВ А.Н., НЕВЕРОВ В.В., ЧЕГЛАКОВ И.В., ООО «НПФ «ЭНТЕХМАШ»

 

  В статье приведены пример модернизации проточной части центробежного компрессора, разработки полуоткрытых осерадиальных рабочих колес для стационарного компрессора, обратно-направляющего аппарата с минимальной неравномерностью потока на выходе, а также комбинированного диффузора, сочетающего в себе безлопаточный участок и малолопаточную решетку на выходе. Полученные решения были реализованы при модернизации.

 

  НПФ «ЭНТЕХМАШ» успешно провела модернизацию двух воздушных нагнетателей в установке каталитического крекинга. Предпосылками к модернизации было: низкая надежность исходной конструкции рабочих колес и диафрагм, недостаточное конечное давление на номинальном режиме работы, низкий политропный КПД. Заказчиком поставлена задача замены ротора и статорных элементов нагнетателя с сохранением штатного корпуса, подшипников и системы регулирования.

 

Штатный нагнетатель

  Перед выполнением работ по модернизации было проведено обследование, по результатам которого построена модель проточной части (ПЧ) существующего нагнетателя и смоделирован номинальный режим работы с помощью программного комплекса вычислительной газодинамики Numeca [3]. По результатам расчета в рабочих колесах (РК), лопаточных диффузорах (ЛД) и обратно-направляющих аппаратах (ОНА) течение имеет отрывной характер (рисунки 1 и 2), усугубляемый высокими местными числами Маха. Неравномерность угла потока после лопаток ОНА уменьшает диапазон работы следующих после них РК и всего нагнетателя в целом, из-за чего штатный нагнетатель не мог развить давление выше номинального и входил в помпаж.

 

 

  Рисунок 1. Распределение числа Маха (относительная скорость w в РК и абсолютная скорость с в статорных элементах) в конформном отображении межлопаточных каналов на плоскость: а) 1-я; б) 2-я; в) 3-я ступень.

  Проведенный прочностной расчет показал, что напряжения вблизи мест соединения лопаток и дисков в РК очень близки к пределу текучести используемого материала (рисунок 3). Заказчик наблюдал смятие РК именно в этом месте: покрывающий диск проворачивался в сторону вращения, лопатки при этом изгибались и необратимо деформировались.

 

 

  Рисунок 2. Напряжения в штатном РК.

 

  Модернизация

  Доведение до рабочего состояния и повышение энергоэффективности нагнетателя выполняется за счет модернизации ПЧ в существующем корпусе. Повышенная экономичность достигается за счет:

- нового проектирования ПЧ-нагнетателя на заданные в ТЗ параметры;

- использования современных средств расчета пространственного течения потока – программного комплекса Numeca Fine/Turbo;

- согласования помпажных режимов работы всех ступеней и элементов ПЧ- нагнетателя, что позволяет увеличить запас по помпажу.

  Масштаб задачи оптимизации определяется количеством геометрических параметров и критериев. Чем больше критериев и варьируемых параметров, тем сложнее задача, причем сложность растет нелинейно. Относительно простая задача оптимизации РК с варьированием нескольких параметров и одним критерием может быть решена достаточно быстро, и условно оптимальное решение может быть найдено за малое количество итераций. Вычислительная сложность при добавлении еще одного критерия и нескольких переменных вырастет в несколько раз. Следовательно, для эффективного расчета и в целом возможности проведения расчета располагаемые вычислительные ресурсы должны быть сопоставимы с вычислительной сложностью задачи. Поэтому для этих целей в 2017 году НПФ «ЭНТЕХМАШ» приобрела расчетный сервер на базе процессоров Intel Xeon (суммарно 128 ядер), мощность которого с того момента на сегодняшний увеличилась более чем в 5 раз.

  Большинство колес в центробежных машинах отечественного производства спроектировано с цилиндрическими лопатками, для которых теоретические расчетные методики [2] показывают надежный и достоверный результат. Для полуоткрытых осерадиальных колес не существует аналогичных надежных методик, поэтому в данном случае качественный расчет и оптимальное проектирование могут быть обеспечены альтернативными методами, к которым можно отнести и численное моделирование.

  В модернизированной ПЧ использованы цельнофрезерованные РК полуоткрытого осерадиального типа, двухъярусные (второй ярус несколько смещен относительно первого в сторону вращения) диаметром 1100 мм с выходными углами в диапазоне β=70-85°. РК такого типа обеспечивают как высокую эффективность, так и необходимые прочностные характеристики (запас прочности не менее 1,85). Фотография модернизированного ротора представлена на рисунке 3.

 

 

  Рисунок 3. Модернизированный ротор нагнетателя.

 

  С точки зрения безопасной работы машины и с целью снижения вероятности задевания РК статорных элементов при аварийных ситуациях на периферии лопаток РК по аналогии с осевыми турбинами выполнено утонение профиля с рабочей стороны лопаток (рисунок 4). С целью увеличения прочности и жесткости РК оптимизирован меридиональный контур основных дисков РК модернизированного нагнетателя. После оптимизации всех РК были выполнены тепловые расчеты и расчеты критических частот и осевых усилий ротора.

 

 

  Рисунок 4. Утонение профиля лопатки РК на периферии.

 

  Все ступени спроектированы с комбинированным диффузором (входная часть – безлопаточная, выходная – лопаточная). Лопатки диффузоров выполняют две основные функции – газодинамическую (дополнительно эффективно снижают скорость потока) и конструктивную (повышают жесткость диафрагм).Такое исполнение диффузора обеспечивает широкую зону работы, сопоставимую со ступенью с БЛД, безотрывное течение в межлопаточном канале во всем диапазоне работы и, следовательно, практически постоянные условия работы для ОНА на различных режимах работы. Определены оптимальные параметры лопаточной решетки малой густоты (l/t≈1,0…1,3). По результатам оптимизации на 3-х режимах работы разработан аэродинамический профиль лопатки ЛД, отличающийся меньшей чувствительностью к углу атаки по сравнению со стандартными профилями, применяемыми в отечественных ЦК.

  При разработке проточной части была выявлена высокая неравномерность потока после ОНА. В силу сильных вторичных течений ОНА, спроектированный по одномерной методике, поворачивал поток до осевого направления только в среднем сечении канала. Таким образом, наблюдалась значительная неравномерность потока, перед РК следующей ступени (рисунок 4): на втулочной поверхности угол потока составлял +28°, а на периферийной – напротив -50°. Это ведет к рассогласованию обтекания и переменному углу атаки входной кромки РК по высоте.

   

 

  Рисунок 5. Распределение угла потока в меридиональном осреднении.

 

  Решением стало полное перепрофилирование основного части профиля лопатки ОНА и замена стандартного прямого радиально осевого выходного участка на аналогичный пространственный (рисунок 5б). Перепрофилирование основной части профиля позволило снизить интенсивность вторичных течений, а полученный в ходе оптимизационных расчетов пространственный выходной участок эффективно поворачивает поток до осевого направления во всех сечениях канала (максимальные отклонения от проектного направления для перепроектированной лопатки ОНА +2 и -2 градуса). На рисунке 5а приведено сравнение распределения углов потока до и после модернизации. По примеру разработанной для первой ступени лопаточной решетки ОНА были скорректированы и решетки остальных ступеней.

  Профили лопаток РК, ЛД и ОНА получены в ходе ряда многокритериальных оптимизаций в Numeca FINE/Turbo.

  Рисунок 5. Сравнение распределения угла потока исходного и модернизированного нагнетателя перед РК следующей ступени (а) и лопаточная решетка модернизированного ОНА (б).

  Моделирование ГДХ полной модели (рисунок 6) ПЧ проведено в Numeca Fine/Turbo путем изменения массового расхода нагнетателя при постоянной входной температуре, давлении и положении ВРА. Общий размер сеточной модели – ~45 млн. элементов. Сходимость достигалась за 600–1500 итераций (для малых и больших расходов соответственно), что составляло от 4 до 10 часов реального времени на расчет одного режима работы. Всего было рассчитано 19 ГДХ по 10 режимов работы при различных начальных температурах: -20, 0, 20, 30°C и положениях ВРА: 15, 30, 38, 45, 53 и 60°.

   

 

    Рисунок 6. Полная расчетная модель нагнетателя с кольцевой камерой с отображением линий тока и ГДХ модернизированного нагнетателя при различных углах поворота ВРА.

 

  Результаты моделирования показали, что течение в ПЧ на проектном режиме безотрывное, номинальные параметры после модернизации достигаются с запасом.

 

  Испытания

  В мае 2018 г. специалисты НПФ «ЭНТЕХМАШ» провели приемочные испытания и ввели в эксплуатацию первый модернизированный нагнетатель, а в марте 2019 г. – второй. Опытные данные по итогам испытаний подтвердили результаты газодинамических расчетов, была достигнута необходимая производительность и конечное давление, существенно увеличен запас по помпажу, снижена потребляемая мощность на номинальном режиме.

  Параметры нагнетателей до и после модернизации приведены в таблице 1. ГДХ нагнетателя с нанесенными на них опытными данными представлены на рисунке 7.

 

 

Таблица 1. Параметры нагнетателя до и после модернизации

 

Параметр

До модернизации

После модернизации

Политропный КПД на оптимальном режиме

77%

86%

Политропный КПД на номинальном режиме

76%

82,5%

Потребляемая мощность на номинальном   режиме, МВт

7,65

7,15

Помпажная (минимальная) производительность, нм3/час

106000

75000*

Максимальная производительность, нм3/час

130000

137000

 

 

  Рисунок 7. ГДХ модернизированного нагнетателя с опытными данными.

 

 

  Заключение

  Модернизированный нагнетатель обеспечивает номинальный режим работы. Достигнут необходимый уровень прочности РК, а соответственно, и уровень надежности работы агрегата. В ходе модернизации удельное энергопотребление нагнетателя снижено на 8,5%, а запас по помпажу увеличен до 45%.

  НПФ «ЭНТЕХМАШ» получила бесценный опыт разработки высокорасходных ступеней центробежных компрессорных машин и использования методов вычислительной газодинамики как основного инструмента проектирования.

 

  Литература:

1. URL: https://www.numeca.com/product/fineturbo

2. Любимов А.Н., Евдокимов В.Е., Семаков А.В., Репринцев А.И. Об использовании экспериментального и расчетных методов при проектировании проточных частей центробежных компрессоров // Компрессорная техника и пневматика. – 2014. № 6. С. 12-20

 

 

НГС 3(36)2019


Категория статьи: Наука

К содержанию журнала
Закрыть

У нас новый сайт!

Вся актуальная информация на новом сайте!

idsmedia.ru

Перейти
Яндекс.Метрика