Расчет течения в лабиринтном уплотнении покрывного диска рабочего колеса центробежного компрессора

Н.М. Тузова, М.И. Соколов, А.А. Аксенов, Е.С. Фатеева

Актуальность. В ходе написания бакалаврской выпускной работы был рассчитан и спроектирован центробежный компрессор для попутного нефтяного газа. В данной работе будет рассмотрено влияние величины зазора в лабиринтном уплотнении покрывного диска рабочего колеса и межступенчатого лабиринтного уплотнения на интенсивность перетечек в рабочем колесе на примере вышеуказанного агрегата. Также в работе будет рассмотрено влияние перетечек в рабочем колесе на входные термодинамические параметры данного рабочего колеса. Все это позволит учитывать влияние перетечек в центробежных компрессорах в зависимости от ширины зазора в лабиринтных уплотнениях в будущих расчетах  [1],[2].

Цели и задачи. Основной целью данной работы является выявление зависимости величины перетечек в лабиринтных уплотнениях ступеней центробежных компрессоров от вылечены зазора в вышеуказанных уплотнениях.

Также в данной работе необходимо провести анализ влияния величины вышеуказанных перетечек на изменение термодинамических параметров на входе в рабочее колесо центробежного компрессора.

Перетечки через лабиринтное уплотнение радиального типа определяются по следующему уравнению:

,

где μ – коэффициент, характеризующий тип применяемого уплотнения;  – давление перед уплотнением;  – давление за уплотнением;  – плотность перед уплотнением; z – количество зубьев лабиринтного уплотнения.

Площадь сечения, через которое утекает газ рассчитывается по следующему уравнению:

 ,

где  – диаметр, на котором расположено лабиринтное уплотнение, δупл – ширина зазора в уплотнении.

Далее представлен расчет перетечек через лабиринтные уплотнения покрывного диска. Данные взяты из бакалаврской выпускной работы.

Результаты расчета перетечек представлены в таблице 1.

Таблица 1

Расчет перетечек через лабиринтное уплотнение покрывного диска

Ступень Dупл, м δупл, м Fупл, м2 μ p1, МПа p2, МПа ρ1, кг/м3 z, шт , кг/c
1 0,4 0,0003 0,000377 0,6 2,59 3,74 22,24 4 0,7452
2 0,4 0,0003 0,000377 0,6 3,67 5,09 28,17 4 0,9381
3 0,4 0,0003 0,000377 0,6 5,01 6,71 34,77 4 1,1492
4 0,4 0,0003 0,000377 0,6 6,62 8,62 42,02 4 1,3786
5 0,4 0,0003 0,000377 0,6 8,51 10,81 49,89 4 1,6196

 

Ниже проведено сравнение среднего значения перетечек по ступеням при различных значениях ширины зазора в уплотнении δупл, а также значение относительных перетечек.

Относительные перетечки X, % определяются как:

,

где  – массовый расход газа в компрессоре, .

Результаты расчета относительных перетечек представлены в таблице 2.

Таблица 2

Расчет относительных перетечек в лабиринтном уплотнении покрывного диска

δупл, мм , кг/c X, %
0,3 0,3078 0,9947
0,5 0,5130 1,6579
0,8 0,8207 2,6527
1,0 1,0259 3,3158
1,2 1,2311 3,9790
1,5 1,5389 4,9737

 

На рисунке 1 показан график зависимости относительных перетечек X от ширины зазор в лабиринтом уплотнении δупл.

Рис.1. График зависимости относительных перетечек X от ширины зазор в лабиринтом уплотнении δупл

Рис.1. График зависимости относительных перетечек X от ширины зазор в лабиринтом уплотнении δупл

Определив величину перетечек в лабиринтом уплотнении, а также зависимость этой величины от ширины зазора в уплотнении, можно найти влияние данного явления на термодинамические параметры на входе в рабочее колесо центробежного компрессора. Рассчитаем изоэнтальпийный процесс движения газа в лабиринтном уплотнении с помощью алгоритма расчета реального газа [3],[4].

Результаты расчета представлены в таблице 3.

Таблица 3

Расчет температуры газа после прохождения лабиринтного уплотнения

Ступень 1 2 3 4 5
Давление перед уплотнением, МПа 3,74 5,09 6,71 8,62 10,81
Температура перед уплотнением, К 306,29 336,27 365,42 393,76 421,28
Давление после уплотнения, МПа 2,59 3,67 5,01 6,62 8,51
Температура после уплотнения, К 301,07 331,26 360,71 389,39 417,33

Зная температуру газа после лабиринтного уплотнения и температуру на входе в ступень можно рассчитать действительную температуру на входе в рабочее колесо центробежного компрессора.

Таким образом, для первой ступени при величине зазора δупл=0,3 мм значение температуры будет равно:

Результаты. В данной работе была получена зависимость величины перетечек через лабиринтные уплотнения покрывного диска рабочего колеса в зависимости от ширины зазора данного уплотнения. А также была рассчитана температура газа на выходе из уплотнения и ее влияние на термодинамические параметры на входе в рабочее колесо.

 

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Данилишин А.М., Кожухов Ю.В. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТУПЕНИ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ В ANSYS CFX В сборнике: Неделя Науки СПбГПу. Материалы научно-практической конференции с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем. 2014. С. 186-189.
  2. Данилишин А.М., Кожухов Ю.В., Гилева Л.В., Лебедев А.А.ВЕРИФИКАЦИЯ CFD-РАСЧЕТА НА СУПЕРКОМПЬЮТЕРЕ СРЕДНЕРАСХОДНЫХ МОДЕЛЬНЫХ СТУПЕНЕЙ В сборнике: Суперкомпьютерные дни в России. Труды международной конференции. 2016. С. 816-828.
  3. Загорученко В.А. Исследование термодинамических свойств и составление диаграмм состояния природных газов и их основных компонентов применительно к задачам компрессорного машиностроения, 1965, 44 с.
  4. Юн В.К. Основы совершенствования методов проектирования и унификации центробежных компрессоров различного назначения, 2012, 448 с.