Определение радиальной газовой силы, действующей на ротор центробежного компрессора высокого давленияВ настоящее время в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа" (Группа ГМС) определены радиальные газовые силы в зависимости от режимов работы реального центробежного компрессора, на основе расчетных и экспериментальных данных. Выполнено сравнение полученных радиальных сил с соответствующими нагрузочными параметрами магнитных подшипников. В центробежных компрессорах (ЦК) высокого давления для расширения рабочей зоны характеристики и сокращения радиальных габаритов корпусов сжатия используют концевые ступени, включающие в себя рабочее колесо (РК), безлопаточный диффузор (БЛД) и выходное устройство в форме внутренней улитки (ВУ) или кольцевой камеры (КК). Течение газа в этих камерах оказывает заметное обратное влияние на структуру потока за РК, что связано с отсутствием геометрической симметрии этих устройств относительно оси РК. В результате имеет место неравномерность поля скоростей и давлений по окружности на выходе из РК, наиболее выраженная на нерасчетных режимах работы ступени. Указанная неравномерность является источником радиальной силы, действующей на РК концевой ступени. В ЦК высокого давления при значительной плотности газа радиальные силы могут быть существенными. Они должны быть учтены при рассмотрении динамических характеристик ротора и проектировании опорных подшипников. В общепромышленных компрессорах высокого давления (см. рисунок 1) применяются преимущественно выходные устройства в виде внутренней улитки (ВУ) или кольцевой камеры (КК). Наибольший интерес, с точки зрения расчёта радиальных сил, действующих на РК, представляет КК в связи с неопределённостью граничных условий в ней.  Рис. 1. Корпус сжатия высокого давления Целью данной работы является определение радиальной газовой силы, действующей на РК, на основе расчета трехмерного течения в центробежной ступени, имеющей КК, при различных режимах работы, и сравнение расчетных и экспериментальных радиальных сил. В качестве объекта исследований выбрана концевая центробежная ступень нагнетателя НЦ-16/1,44 с электромагнитными опорами ротора ГПА-16 "Волга", разработанного ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа" (Группа ГМС). Ступень центробежного компрессора содержит РК закрытого типа с пространственной лопаткой, безлопаточный диффузор (БЛД) и КК. Схема ступени представлена на рисунке 2. Заштрихованный участок на рисунке 1 соответствует элементу ступени с лопаточной решёткой.  Рис. 2. Схема проточной части исследуемой ступени На величину и направление радиальной силы влияет как амплитуда неравномерности давления газа за РК, так и форма графика распределения давления за РК. Эти параметры, очевидно, зависят от режима работы центробежной ступени, определяемого условным коэффициентом расхода Ф0. Таким образом, исследование течения газа в центробежной ступени проводилось при четырёх режимах работы, определяемых условными коэффициентами расхода Ф0 0,05; 0,06; 0,07; 0,08. На входе в ступень приняты постоянные на всех режимах параметры: полное давление p=6687940 Па и полная температура T*=310 К. За РК учтены перетечки газа со стороны покрывного и основного дисков, составляющие в сумме 2% от объёмной производительности ступени на режиме Ф0=0,06. На остальных режимах работы принят тот же объём перетечки. Частота вращения РК n=5035 об/мин, что соответствует реальной величине, при которой работает нагнетатель. В качестве сжимаемого газа принят природный газ. Для трёхмерного моделирования течения газа принята геометрическая модель, состоящая из входного аппарата, РК, БЛД и КК. Входной аппарат безлопаточный с кольцевым входом. РК моделировалось с каналами для учета влияния перетечек газа. Геометрическая модель была создана в CAD-системе и затем конвертирована в формат фасеточного представления STL (STereo Lithography format). Геометрическая модель показана на рисунке 3.  Рис. 3. Геометрическая модель центробежной ступени Расчет трехмерного течения в центробежной ступени проведен в программном комплексе FlowVision. Расчетная модель создана по рекомендациям работы [3] и содержит две подобласти:
Сходимость процесса расчёта в программном комплексе FlowVision определяли по графикам зависимости расхода газа на входе, давления за РК, давления на выходе из центробежной ступени, абсолютной скорости за РК и абсолютной скорости на выходе из центробежной ступени от времени расчета. Для расчета радиальных сил, действующих на РК концевой центробежной ступени, необходимо задать следующие данные:
Геометрические данные ступени известны. Они определены при постановке задачи исследования. Характеристики центробежной ступени и РК определены на основе интегральных параметров в контрольных сечениях расчетной модели, построенной в программном комплексе FlowVision. Осреднение необходимых параметров в контрольных сечениях выполнено по площади. Распределение внутреннего радиуса потока в КК по окружной координате получено с использованием цветовой заливки в заданном сечении. Для получения распределения безразмерного статического давления (p2 - p0) на наружном диаметре D2, по окружной координате за РК ( (p2 - p0) = ƒ(θ) ) использовано распределение давления за РК по окружной координате , извлеченного из графика на дуге окружности, проходящей в заданной плоскости сечения. Графики сохранялись в виде текстового файла для дальнейшего использования. Сравнение рассчитанного распределения давления по окружной координате за РК с экспериментальными данными представлено на рисунке 4.  Рис. 4. Графики распределения безразмерного давления за РК 1 – расчёт по программе FlowVision Ф0=0,05; 2 – расчёт по программе FlowVision Ф0=0,07; 3 – расчёт по программе FlowVision Ф0=0,08; - экспериментальные данные из [4] Экспериментальные данные для сравнения взяты из источника [4]. Эксперимент проводился на центробежной ступени концевого типа, имеющей закрытое РК с пространственной лопаткой, безлопаточный диффузор, сборную кольцевую камеру. В отличие от концевой ступени нагнетателя ГПА-16 "Волга" экспериментальная ступень имеет больше угол выхода лопатки РК, а следовательно и коэффициент напора. Это наблюдается на рисунке 4 более высоким средним значением распределения безразмерного давления и величиной неравномерности, чем для ступени нагнетателя ГПА-16 "Волга". График, обозначенный кругами, соответствует большому расходу, и может быть сравним с графиком 3, показанным сплошной линией. График, обозначенный квадратами, соответствует оптимальному расходу (при максимальном значении кпд), и может быть сравним с графиком 2 – сплошная линия. График, обозначенный треугольниками, соответствует малому расходу – близкому к помпажному, и может быть сравним с графиком 1 – сплошная линия. Из рисунка 4 видно, что для экспериментальных и расчётных графиков характерно уменьшение амплитуды изменения безразмерного давления с уменьшением расхода. Графики расчётные и экспериментальные при близких расходах имеют сходную форму. Это говорит о том, что программа FlowVision правильно отражает процессы, происходящие при течении газа в центробежных ступенях. Расчёт радиальной силы, действующей на РК центробежной ступени, проводился по программе расчета радиальных сил в центробежном компрессоре. За основу в методе определения радиальной силы использовано уравнение количества движения газа, включающее в себя значения скоростей и давлений по контрольным сечениям на входе и на выходе из РК, доступные для непосредственного измерения. Составляющие абсолютной скорости за РК определяются по рекомендациям Г.Н. Дена [5]. Результаты расчета по исходным данным, полученным в результате расчёта центробежной ступени с КК в программном комплексе FlowVision, приведены на рисунке 5.  Рис. 5. Направление действия радиальной силы в центробежной ступени с КК нагнетателя НЦ-16/1,44 с электромагнитными опорами ротора ГПА-16 "Волга". R1 - R4 – радиальные силы при изменении расхода от минимального к максимальному Из рисунка 5 видно, что вектор результирующей радиальной силы R меняет направление. При расходе газа близком к помпажному ( Ф0=0,05) радиальная сила действует по оси Y с небольшим отклонением от неё, увеличивая вес ротора. Нагрузка на подшипники при этом увеличивается. На рабочих режимах – около оптимального ( Ф0=0,06 и Ф0=0,07) радиальная сила меняет направление и действует в сторону нагнетательного патрубка. С приближением расхода к максимальной величине ( Ф0=0,08) радиальная сила уменьшает вес ротора, снижая при этом нагрузку на подшипники. Таким образом, видно, что направление вектора радиальной силы изменяется преимущественно от 270 до 90. С точки зрения разгрузки подшипников в рассматриваемой задаче патрубок необходимо развернуть вертикально вверх. При выполнении расчета радиальных сил было выявлено, что основное влияние на направление вектора радиальной силы оказывает распределение внутреннего радиуса КК и распределение давления газа по окружной координате . При проведении пуско-наладочных работ на ГПА-16 "Волга" компрессорной станции "Приполярная" были получены данные по электромагнитным подшипникам, которые позволяют определить направление действия радиальной аэродинамической силы, действующей на ротор в концевой ступени нагнетателя. В таблице 1 приведены значения начальных (ротор не вращается) и рабочих токов в электромагнитах. Интерес представляют подшипники, расположенные со свободной стороны ротора около выходного патрубка. Схематично расположение магнитов и осей стабилизации относительно выходного патрубка, а также расчетная и экспериментальная радиальные газовые силы показаны на рисунке 6.
 Рис. 6. Расположение магнитов и осей стабилизации относительно выходного патрубка На свободном конце ротора установлены электромагнитные подшипники с осями стабилизации II и IV. Вследствие этого в таблице 1 рассмотрено различие начальных и рабочих токов по II и IV осям стабилизации. При анализе учтено, что работа электромагнитного подшипника основана на притягивании ротора электромагнитом. Из таблицы 1 видно, что рабочий ток в верхнем магните IV снизился, а в нижнем магните II увеличился, по отношению к начальным токам. Это говорит о том, что при работе нагнетателя появилась сила, направленная в сторону верхнего магнита IV, т.е. сила уменьшающая вес ротора. Режим работы, при котором зафиксированы рабочие токи в электромагнитах, соответствуют режиму работы теоретического исследования при Ф0=0,07. Результирующая радиальная сила на этом режиме работы теоретического исследования хорошо согласуется по направлению с силой, определённой экспериментально при работе нагнетателя.
ЛИТЕРАТУРА: 1. Мифтахов А.А. Аэродинамика выходных устройств турбокомпрессоров. – М.: Машиностроение, 1999. – 360 с.
Назад в раздел |
- Проекты
