Разработка и внедрение новой математической модели тангенциальных выходных устройств центробежных компрессоров

Для оптимального газодинамического проектирования центробежных компрессоров применяют различные инженерные подходы. К их числу относится разработанный в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого Метод универсального моделирования, представляющий собой набор компьютерных программ. Тангенциальные выходные устройства являются элементами проточной части центробежного компрессора. Анализ результатов исследований тангенциальных выходных устройств на основе текущей версии математической модели показал необходимость ее усовершенствования. В основу новой модели положены следующие положения: проходное сечение определяется с использованием уравнения расходов на входе и выходе в выходное устройство (причем полученные размеры следует увеличить на 25…35 % согласно известным отечественным рекомендациям); реальный характер течения потока газа в выходном устройстве учитывается введением эмпирического коэффициента в уравнение расходной составляющей скорости; выходной диффузор профилируется с учетом оптимального угла раскрытия эквивалентного конического диффузора; язык улитки смещается из сечения с углом раскрытия 0°  в сечение с углом раскрытия 30°, что способствует выравниванию параметров потока газа по окружности и уменьшает суммарные потери. Для упрощения процесса расчетов в математической модели принята постоянная плотность газа по длине улитки. Окружная составляющая скорости потока также рассчитывается приближенно по уравнению постоянства циркуляции без учета вязкости. В улитках и сборных камерах потери вычисляются в радиальной и меридиональной плоскостях. В радиальной плоскости главными являются потери напора трения, в меридиональной — потери напора расширения. Для трапециевидной улитки эти потери напора определяются в зависимости от угла ее раскрытия. В нерасчетных режимах работы к указанным потерям добавляются потери напора вследствие ударного обтекания языка улитки. Предложенная модель применена в новой версии Метода универсального моделирования. Модель была идентифицирована по результатам приемосдаточных испытаний турбодетандерных агрегатов и турбонагнетателей двигателей внутреннего сгорания.

Литература

[1] Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Ленинград, Машиностроение, 1981. 351 с.

[2] Мифтахов А.А., Зыков В.И. Входные и выходные устройства центробежных компрессоров. Казань, Фэн, 1996. 198 с.

[3] Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов: (подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов). Москва, Машиностроение, 1983. 350 с.

[4] Мифтахов А.А., Селезнев К.П. Экспериментальное исследование аэродинамики улиток центробежных компрессоров. Труды КХТИ, 1971, вып. 49, с. 40–54.

[5] Никитин А.А., Яминов В.Г. Расчет выходных устройств центробежного компрессора. Повышение эффективности паровых и газовых холодильных машин и процессов тепломассопереноса. Сб. тр., Ленинград, ЛТИХП, 1989, с. 58–65.

[6] Никитин А.А., Цукерман С.В. Результаты исследования выходных устройств унифицированных центробежных компрессорных машин (УЦКМ). Конструирование, исследование, технология и организация производства компрессорных машин. Сб. тр., Сумы, ВНИИ-Компрессормаш, 1976, с. 60–66.

[7] Мифтахов А.А., Воронов Г.Ф. Выходные устройства центробежных компрессоров: проектирование и расчет. Компрессорная техника и пневматика, 1996, вып. 1–2 (10–11), с. 5–9.

[8] PCA Engineers Limited. URL: https://www.pcaeng.co.uk/software (дата обращения 15 января 2020).

[9] Japikse D. Agile design system in the age of concurrent engineering. JANNAF Conference, Albuquerque, 1996, December, pp. 331–345.

[10] Japikse D., Bitter J. Effective two-zone modeling of diffusers and return channel systems for radial and mixed-flow pumps and compressors. Proceedings of the 11th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, 2006, vol. 2, pp. 511–520, doi: 10.1063/1.5122102

[11] Japikse D., Dubitsky O. Vaneless diffuser advanced model. Proceedings of the ASME Turbo Expo, 2005, vol. 6 pt. B, no. GT2005-68130, pp. 823–834, doi: 10.1115/GT2005-68130

[12] Qiu X., Japikse D., Zhao J., Anderson M.R. Analysis and Validation of a Unified Slip Factor Model for Impellers at Design and Off-Design Conditions. Journal of Turbomachinery, 2011, vol. 133(4), no. 041018, doi: 10.1115/1.4003022

[13] Дроздов А.В., Лунев А.Т. Применение методов идентификации и многорежимной оптимизации при проектировании центробежных компрессоров. Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования. Тр. 19-го Междунар. симп., Санкт-Петербург, СПбПУ, 2015, с. 69–73.

[14] Лунев А.Т. Структура метода проектирования и испытания проточной части нагнетателей для перекачивания природного газа. Компрессорная техника и пневматика, 2001, № 10, с. 4–7.

[15] Лунев А.Т. Разработка высокоэффективных сменных проточных частей центробежных компрессоров газоперекачивающих агрегатов. Дис. … канд. техн. наук. Казань, 2005. 123 c.

[16] Галеркин Ю.Б. Формирование взглядов на рабочие процессы и современное состояние газодинамических методов проектирования промышленных центробежных компрессоров. Компрессорная техника и пневматика, 2000, № 2, с. 9–14.

[17] Galerkin Y., Danilov K., Popova E. Design philosophy for industrial centrifugal compressors. Institution of Mechanical Engineers (IMechE) Conference Transactions, International Conference on Compressors and Their Systems, London, City University, 1999, pp. 465–480.

[18] Данилов К.А. Создание математической модели и программных комплексов для оптимального газодинамического проектирования холодильных центробежных компрессоров. Дис. … канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 1999. 176 с.

[19] Galerkin Y., Drozdov A. New generation of Universal modeling for centrifugal compressors calculation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2015, vol. 90(1), no. 012040, doi: 10.1088/1757-899X/90/1/012040

[20] Galerkin Y., Rekstin A., Soldatova K., Drozdov A. Universal modeling method — the instrument for centrifugal compressor gas dynamic design. ASME Gas Turbine India Conference, 2015, no. 119665, doi: 10.1115/GTINDIA2015-1202

[21] Drozdov А., Galerkin Y. Modeling the non-incidence inlet flow rate coefficient in a centrifugal compressor impeller. AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 2007, iss. 1, no. 030052, doi: 10.1063/1.5051913

[22] Rekstin А., Popova Y., Ucehovscy A. Centrifugal compressor stages efficiency analysis by means of the approximate algebraic equations. AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 2007, no. 030036, doi: 10.1063/1.5051897

[23] Rekstin A.F., Drozdov A.A., Solovyeva O.A., Galerkin Y.B. Two mathematical models centrifugal compressor stage vaneless diffuser comparison. AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 2007, no. 030035, doi: 10.1063/1.5051896

[24] Galerkin Yu.B., Rekstin A.F., Solovyeva O.A. Vaneless diffuser of the centrifugal compressor stage design method. AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2141, no. 030007, doi: 10.1063/1.5122057

[25] Galerkin Yu.B., Rekstin A.F., Soldatova K.V., Drozdov A.A. Analysis of geometric and gas-dynamic parameters of centrifugal compressor stages in tenfold range of design flow rate. AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2141, no. 030018, doi: 10.1063/1.5122068

[26] Rekstin A.F., Galerkin Yu.B., Soldatova K.V. Computer programs application for development a primary design recommendations of low-flow rate centrifugal compressor stages. AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2141, no. 030032, doi: 10.1063/1.5122082

[27] Rekstin A.F., Galerkin Yu.B. The primary design method development of centrifugal compressor impellers based on the analysis of the geometrical parameters. AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2141, no. 030052, doi: 10.1063/1.5122102

[28] Rekstin A.F., Soldatova K.V., Galerkin Yu.B. Experience of application the computer program based on a simplified mathematical model for industrial centrifugal compressors candidates. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 604, iss. 1, no. 012045, doi:10.1088/1757-899X/604/1/012045

[29] Galerkin Y., Drozdov A., Rekstin A. Centrifugal compressor impeller loading factor analysis. E3S Web of Conferences, 2019, vol. 124, no. 01005, doi: 10.1051/e3sconf/201912401005

[30] Rekstin A.F., Soldatova K.V., Galerkin Yu.B., Popova E.Y. Verification of a simplified mathematical model of centrifugal compressor stages. E3S Web of Conferences, 2019, vol. 124, no. 01005, doi: 10.1051/e3sconf/201912401007

[31] Галеркин Ю.Б., Солдатова К.В. Моделирование рабочего процесса промышленных центробежных компрессоров. Научные основы, этапы развития, современное состояние. Санкт-Петербург, Изд-во СПбПУ, 2011. 327 с.

[32] Селезнев К.П., Галеркин К.П. Центробежные компрессоры. Ленинград, Машиностроение, 1982. 271 с.

[33] Галеркин Ю.Б., Рекстин Ф.С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. Ленинград, Машиностроение, 1969. 303 с.

[34] Солдатова К.В. Создание новой математической модели проточной части центробежных компрессоров и базы данных модельных ступеней. Дис. … докт. техн. наук. Санкт-Петербург, 2017. 357 с.

[35] Галеркин Ю.Б. Турбокомпрессоры. Санкт-Петербург, Изд-во КХТ, 2010. 650 с.

[36] Галеркин Ю.Б., Рекстин А.Ф., Дроздов А.А., Каминский Р.В., Сибиряков С.В., Турегулов Т.И., Усенко А.Е. Опыт создания низконапорного турбокомпрессора для наддува ДВС с применением современной версии Метода универсального моделирования. Компрессорная техника и пневматика, 2019, № 2, с. 2–10.

[37] Galerkin Yu.B., Semenovskiy V.B., Soldatova K.V. Creating model stages of centrifugal compressor based on experimental data. AIP Conference Proceedings, 2019, vol. 2141, no. 030026, doi: 10.1063/1.5122076