Ваняшов А.Д., Кустиков Г.Г. Учебное пособие для курсового проектирования - Расчет и конструирование центробежных компрессорных машин

Подождите немного. Документ загружается.

А.Д. Ваняшов, Г.Г. Кустиков

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ

ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ МАШИН

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 университетско-

му политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипло-

мированных специалистов 150800 (657400) «Гидравлическая, вакуумная и ком-

прессорная техника» специальности 150801 (101500) «Вакуумная и компрес-

сорная техника физических установок».

Омск – 2005

УДК 621.515.001.24 (075)

ББК 31.76+34.42Я73

В17

Рецензенты:

В.Н. Сергеев, доцент кафедры Э-5 МГТУ им. Н.Э. Баумана,

канд. техн. наук, доцент;

М.Б. Хадиев, профессор кафедры «Компрессорные машины и

установки» Казанского государственного техно-

логического университета, д-р техн. наук;

Д.А. Новосельцев начальник бюро инженерно-конструкторских ус-

луг ОАО «Омское моторостроительное конструк-

торское бюро», канд. техн. наук.

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 термогазодинамиче-

ского расчета проточной части центробежных компрессорных машин, рассмот-

рены 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 дина-

мического действия»

и «Тепловые двигатели и нагнетатели». Может использо-

ваться 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 «Про-

мышленная теплоэнергетика».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского го-

сударственного технического университета.

УДК 621.515.001.24 (075)

ББК 31.76+34.42Я

технический университет, 2005

Введение

Компрессорные машины динамического действия, к классу которых отно-

сятся и центробежные компрессоры, используются практически во всех отрас-

лях промышленности: химической, нефтехимической, газовой, машинострои-

тельной, пищевой, металлургической, в энергетике и на транспорте (воздуш-

ном, водном, наземном).

Проектирование и изготовление стационарных центробежных компрессо-

ров 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); авиаци-

онных 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 на-

значения 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 ор-

ганизациями методах газодинамического расчета центробежных компрессор-

ных 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 рас-

чета одно- и многоступенчатых

компрессоров стационарного типа с закрытыми

рабочими колесами;

- методе ЛПИ (Ленинградский политехнический институт им. М.И. Кали-

нина), разработанном на основе метода НЗЛ и позволяющем производить газо-

динамические расчеты как стационарных, так и транспортных компрессоров

при внесении соответствующих изменений в методику расчета;

- методе моделирования, разработанном на Невском заводе им. В.И

. Лени-

на В.Ф. Рисом и основанном на использовании газодинамических характери-

стик ранее спроектированных компрессоров, секций и ступеней, а также мо-

дельных ступеней путем пересчета их на требуемые параметры.

Первые три метода проектирования построены на одномерной теории те-

чения газа в проточной части ЦКМ. Они позволяют рассчитать размеры про-

точной части машины, обеспечивающие требуемые отношения давлений и про-

изводительности с заданным КПД, т.е. проектирование ведется только для рас-

четной точки. О том, как будут изменяться газодинамические параметры ЦКМ

(отношение давлений, КПД, мощность и др.) при изменении производительно-

сти, по этим методам судить нельзя. Поэтому в настоящее время проектирова-

ние проточной части неохлаждаемых секций ЦКМ выполняется методами мо-

делирования (полного или частичного) газодинамических характеристик от-

дельных модельных ступеней или секций прототипов.

При отсутствии экспериментально полученных газодинамических харак-

теристик 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.

В систему подготовки инженеров по специальностям «Вакуумная и ком-

прессорная техника физических установок» и «Промышленная теплоэнергети-

ка» включены вопросы изучения теории рабочих процессов центробежных

компрессорных машин, а также вопросы их проектирования и конструирова-

ния, последние более подробно изучаются студентами в рамках курсового про-

ектирования.

Выполнение курсового проекта способствует закреплению, углублению и

обобщению теоретических и прикладных знаний, полученных студентами при

изучении дисциплин «Теория, расчет и конструирование компрессорных ма-

шин динамического действия» и «Тепловые двигатели и нагнетатели».

Целью курсового проектирования является применение полученных зна-

ний при решении конкретной инженерной задачи, а именно при проектирова-

нии ЦКМ.

проектно-конструкторских организациях проектирование машины вклю-

чает следующие этапы:

− проработка технического задания – определяются и анализируются свой-

ства сжимаемого газа или смеси газов, объемная производительность и отно-

шение 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 сбо-

рочных единиц;

− рабочее проектирование – разрабатывается весь комплект конструктор-

ской документации: чертежи всех деталей, спецификации, пояснительная за-

писка, технические условия на изготовление, инструкция по эксплуатации и др.

документы.

По объему и глубине разработки курсовой проект приближается к техни-

ческому 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-

тробежного компрессора (1-2 листа), чертеж сборочного узла (1 лист), чертежи

деталей, составляющих сборочный узел (1-2 листа). В РПЗ объемом 40-60 лис-

тов формата А4 (297×210) излагаются предварительные вариантные расчеты,

окончательный газодинамический расчет выбранного варианта, конструктив-

ные и прочностные расчеты, приводится краткая характеристика спроектиро-

ванного компрессора.

Данное учебное пособие в соответствии с этапами курсового проектирова-

ния

условно делится на две части. В первой части приведена методика термога-

зодинамического расчета проточной части неохлаждаемого центробежного

компрессора, вторая часть содержит методики прочностных расчетов элемен-

тов турбокомпрессора (дисков рабочих колес, ротора, корпуса), а также конст-

руктивные расчеты: расчет осевых усилий, действующих на ротор турбоком-

прессора, размеров разгрузочного поршня (думмиса), профилей

лопаток рабо-

чих 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 преобразова-

ния 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 рекоменда-

циям, полученным в результате обобщения эксперимента, например в [3], воз-

можно 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 элемен-

тах ступени. Такой подход к определению параметров газа в контрольных се-

чениях проточной части описан в [3], где даны формулы, связывающие коэф-

фициенты потерь в элементах ступени с числом политропы сжатия в этих эле-

ментах.

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,

) в контроль-

ных сечениях проточной части дано сразу несколько расчетных формул (три

или четыре), которыми студент может пользоваться по выбору.

Приводимая в учебном пособии методика термогазодинамического расче-

та ориентирована на проектирование неохлаждаемых центробежных компрес-

сорных машин, т.е. нагнетателей. Однако это не означает, что по данной мето-

дике нельзя проектировать

компрессоры с промежуточным охлаждением. В

случае такой необходимости можно воспользоваться соответствующими расче-

тами 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.

При проектировании проточной части ЦКМ студентам не следует ограни-

чивать себя только методиками, изложенными в данном учебном пособии. Для

более глубокого понимания взаимосвязи между конструктивными особенно-

стями ступеней и газодинамическими параметрами газового потока необходи-

мо 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 уча-

стие студенты специальности 101500 «Вакуумная и компрессорная техника фи-

зических 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 ре-

комендации, которыми авторы воспользовались при составлении общей идео-

логии 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 дан-

ные им консультации при подготовке рукописи, ценные советы и критические

замечания, позволившие авторам улучшить содержание данного учебного

по-

собия.

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;

, b

– ширина канала проточной части в меридиональной плоско-

сти в контрольных сечениях проточной части, м;

В – хорда лопатки, м;

– удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг·К);

, С

– абсолютные скорости газа в контрольных сечениях про-

точной части, м/с;

3Г

- абсолютная скорость газа в «горле» решетки ЛД, м/с;

, U

– окружные скорости вращения РК соответственно в сечениях 1 и 2, м/с;

, W

– относительные скорости потока газа в сечениях 1 и 2, м/с;

1Г

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

, D

– диаметры контрольных сечений проточной части, м;

вт

– втулочный диаметр (диаметр ступицы РК), м;

– внутренний диаметр расточки покрывающего диска, м;

, F

0′

- площади контрольных сечений проточной части,

;

k – показатель адиабаты;

, N

– внутренняя мощность и мощность на валу компрессора, Вт;

об

– число оборотов ротора компрессора, об/мин;

n – показатель политропы процесса;

X – количество ступеней в компрессоре;

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

, i

– угол атаки;

– удельная работа, затраченная на вращение РК (внутренний напор ступени),

Дж/кг;

∑

iiiк

)(

– удельная затраченная работа компрессора (внутренний напор

компрессора), Дж/кг;

– удельная политропная работа сжатия ступени (политропный напор ступе-

ни), Дж/кг;

, Р

0′

- статическое давление газа в контрольных сечениях

проточной части, Па;

, Р

– начальное и конечное давление компрессора соответственно на срезе

всасывающего и нагнетательного патрубков, Па;

, Р

- полное давление соответственно в начальном и конечном сечении

компрессора, Па;

, Т

0′

- статическая температура газа в контрольных сечени-

ях проточной части, К;

, Т

- полные температуры в контрольных сечениях проточной части, К;

, Т

- начальная и конечная температуры компрессора, определяемые соответ-

ственно на срезе всасывающего и нагнетательного патрубков, К;

, Т

- полные температуры соответственно в начальном и конечном сечениях

компрессора, К;

0′

- плотность газа в контрольных сечениях проточной час-

ти, кг/м

;

– плотность газа в начальном и конечном сечениях компрессора, кг/м

;

, – отношение давлений компрессора;

(

) – коэффициенты расхода РК соответственно в сечениях 0 и 2;

Т2

(

) – коэффициент теоретического напора РК (коэффициент теоретиче-

ской удельной работы);

(

) – коэффициент политропного напора ступени (коэффициент удельной

политропной работы);

(

) – коэффициент внутреннего напора (коэффициент мощности) ступени;

Ω (

) – степень реактивности (коэффициент реакции);

пр

тр

– коэффициенты потерь соответственно на протечки и дисковое трение;

пк

п(i)

0-2(i)

– политропный коэффициент полезного действия по статическим

параметрам соответственно компрессора, i-й ступени, РК i-й ступени;

пк

п(i)

0-2(i)

– политропный коэффициент полезного действия по полным

параметрам соответственно компрессора, i-й ступени, РК i-й ступени;

(i)

0-2(i)

– число политропы сжатия соответственно компрессора, i-й ступе-

ни, РК i-й ступени;

, z

– число лопаток РК, ЛД и ОНА в соответствующих сечениях;

– число гребней лабиринтного уплотнения;

– радиальный зазор в лабиринтном уплотнении, м;

– толщина лопаток РК, ЛД и ОНА в соответствующих сече-

ниях, м;

– угол потока в относительном движении в сечениях 1 и 2 РК;

л1

л2

– угол установки лопаток РК на входе и выходе, град;

- угол потока в абсолютном движении в соответствующих се-

чениях, град;

л3

л4

л5

л6

– углы установки лопаток ЛД и ОНА в соответствующих сече-

ниях, град;

(

) – отношение плотности в соответствующем сечении к плотно-

сти на входе в компрессор (коэффициент изменения удельного объема);

– эквивалентный угол раскрытия, град;

- коэффициент потерь в соответствующих элементах проточной части;

, M

С2

, M

С3

, M

С3Г

, M

W1Г

– числа Маха по соответствующим скоростям;

– объемная производительность на входе в компрессор, м

/с, м

/мин;

G – массовая производительность компрессора, кг/с.