СОБЫТИЯ

Руководство РусХимАльянса приедет на конференцию «НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКА - 2019»

Руководители комплекса по переработке этаносодержащего газа ООО «РусХимАльянс» примут участие в IXежегодной конференции «Модернизация производств для переработки нефти и газа» (НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКА - 2019). Представители ...

Россия начала финальный этап укладки «Северного потока – 2»

Проект строительства газопровода «Северный поток – 2» завершен на три четверти. Оператор проекта - Nord Stream 2 - приступил к укладке финальной части трубы. «По дну Балтийского моря в водах России, Финляндии, Швеции и ...

Тюменские ученые придумали, как добывать нефть из исчерпанных месторождений

Они обнаружили, что суспензия наночастиц плоского графита проявляет свойства вытесняющей жидкости на границе раздела «нефть-вода». Большинство нефтяных месторождений на грани истощения. Чтобы достать всю возможную нефть, ...

Россия и Китай совместно изучат арктический шельф Сибири

В ходе первой совместной экспедиции ученые двух стран планируют выполнить ряд исследований в области морской геологии, топографии, физической океанографии, морской химии и ряда других направлений. Районы и основные направления исследований ...

В Санкт-Петербурге пройдет выставка "Рос.Газ.Экспо"

http://www.rosgasexpo.ru/about/

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
Яндекс.Метрика