Авторы

Численное исследование влияния эквивалентной песочной шероховатости рабочего колеса на характеристики малорасходной ступени центробежного компрессора

DOI: 10.17586/1606‑4313‑2020‑19‑4-3-11
УДК 621.515

Численное исследование влияния эквивалентной песочной шероховатости рабочего колеса на характеристики малорасходной ступени центробежного компрессора

Яблоков А. М., Кожухов Ю.В., Садовский Н. И.

Ссылка для цитирования: Яблоков А. М., Кожухов Ю. В., Садовский Н. И. Численное исследование влияния эквивалентной песочной шероховатости рабочего колеса на характеристики малорасходной ступени центробежного компрессора // Вестник Международной академии холода. 2020. № 4. С. 3–11. DOI: 10.17586/1606‑4313‑2020‑19‑4-3-11

Аннотация
Приведены результаты численного исследования влияния эквивалентной песочной шероховатости на характеристики малорасходной ступени центробежного компрессора промежуточного типа. Малорасходные ступени нашли широкое применение в компрессорах высокого давления в качестве последних ступеней. Данные компрессоры применяются для закачки природного газа в пласт, а также в технологических процессах производства метанола, аммиака, полиэтилена высокого давления и пр. Эффективность работы малорасходных ступеней ниже, чем у средне- и высокорасходных ступеней центробежных компрессоров. Это обуславливается тем, что ступени работают при высоком давлении и имеют низкие объемные расходы газа, а, следовательно, обладают узкими каналами проточной части, значительными потерями на трение на ограничивающих поверхностях и протечками в лабиринтных уплотнениях. Математическая модель ступени представлена в виде секторов элементов проточной части. В первой части исследования проводится идентификация математической модели проточной части с результатами испытаний малорасходной ступени. Во второй части исследования проводится моделирование течения вязкого газа при различном задании эквивалентной песочной шероховатости k_sвсех внутренних поверхностей рабочего колеса. В качестве рабочей среды при моделировании используется совершенный газ N₂. Рабочее давление на входе ступень 4 атм. В результате исследования получены характеристики ступени при четырех различных значениях k_s, проведена оценка потерь в рабочем колесе. Установлено, что при увеличении значений k_sне происходит одинакового снижения значений политропного напора и КПД по всей характеристике ступени. Характеристики значительно снижаются в областях больших расходов и слабо изменяются при минимальном расходе. Коэффициент внутреннего напора слабо изменяется, в зависимости от k_s.

Ключевые слова: математическая модель, центробежный компрессор, рабочее колесо, азот

Список литературы

1. Ваняшов А.Д., Карабанова В.В., Сорокин М.А. Технико-экономическое обоснование замены СПЧ на Сеноманских ДКС Уренгойского месторождения. // Компрессорные технологии. 2019. № 1. С. 30-33.

2. Парафейник В.П., Смирнов А.В., Тертышный И.Н.Комплексный анализ энергоэффективности турбокомпрессорных агрегатов с газотурбинным приводом. // Компрессорные технологии. 2020. № 3. С. 32-39.

3. Данилишин А.М., Кожухов Ю.В., Симонов А.М.Комплексный метод автоматизированного проектирования двухзвенных ступеней с осерадиальным рабочим колесом центробежных компрессоров // Вестник Международной академии холода. 2020. № 1. С. 3-11.

4. Данилишин А.М., Кожухов Ю.В.Разработка параметрической модели проточной части двухзвенной ступени с осерадиальным рабочим колесом центробежного компрессора // Территория НЕФТЕГАЗ. 2019. №1-2. С. 12-18.

5. Sundström E., Kerres B., Sanz S., & Mihăescu M.On the Assessment of Centrifugal Compressor Performance Parameters by Theoretical and Computational Models. // Turbomachinery. 2017. Vol. 2C: doi:10.1115/gt2017-65230

6. Иноземцев А.А., Плотников А.И.Исследование влияния шероховатости поверхностей проточной части сверхзвуковой высоконапорной ступени осевого компрессора на ее характеристики // Прикладная механика и техническая физика. 2015. Т. 56. №2. С.21-31.

7. Gu Lili & Zemp, Armin & S. Abhari Reza. Numerical study of the heat transfer effect on a centrifugal compressor performance. proceedings of the institution of mechanical engineers. Part C. // Journal of Mechanical Engineering Science. 2015. Vol. 229. Iss. 12. P. 2207-2220. Doi: 10.1177/0954406214557687.

8. Matas Richard, Syka Tomáš, Luňáček Ondřej. Numerical and experimental modelling of the centrifugal compressor stage – setting the model of impellers with 2D blades. EPJWebofConferences. 2017. Vol. 143. P. 02073.Doi: 10.1051/epjconf/201714302073.

9. Рахманина Л.А., Аксенов А.А.Исследование влияния неравномерного распределения абсолютной скорости потока на входе в осерадиальное рабочее колесо центробежного компрессора с применением методов численного моделирования в AnsysCFX. // Компрессорные технологии. 2019. № 2. С. 18-25.

10. Яблоков А.М., Кожухов Ю.В., Лебедев А.А.Исследование течения в малорасходной ступени центробежного компрессора методами вычислительной газодинамики. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2015. №4(231). С. 59-69.

11. Moosania S., Zheng Xinqian.Comparison of cooling different parts in a high pressure ratio centrifugal compressor. // Applied Sciences. 2016. Vol. 7. Is. 1. p. 16. 10.3390/app7010016.

12. Иванов В.М., Данилишин А.М., Кожухов Ю.В.Расчет напорной характеристики рабочих колес малорасходных ступеней центробежного компрессор на основу квазитрехмерного невязкий и трехмерный вязкие методы // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства. Материалы 9-ой международной научно-технической конференции. 2019. С. 74-75.

13. Иванов В.М., Кожухов Ю.В., Данилишин А.М., Садовский Н.И.Моделирование и валидация рабочего процесса в модельной малорасходной ступени центробежного компрессора. // Новое в российской электроэнергетике. 2019. № 6. С. 12-19.

14. Adams T., Grsnt C., Watson H.A.Simple Algorithm to Relate Measured Surface Roughness to Equivalent Sand-grain Roughness. // International J. of Mechanical Engineering and Mechatronics. 2012, no.1, pp.66-71. DOI:10.11159/ijmem.2012.008

15. Садовский Н.И.Повышение эффективности малорасходных ступеней центробежных компрессоров высокого и сверхвысокого давления на основе изучения влияния числа Рейнольдса и шероховатости на рабочие процессы: Автореф... дис., канд. техн. наук. СПбГТУ, 1994.

16. Шлихтинг Г.Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974.

17. Aksenov A., Danilishin A.M., Kozhukhov Y.V., Simonov A.M.Numerical simulation of gas-dynamic characteristics 3D semi-open impellers of two-stages of centrifugal compressors. AIP ConferenceProceedings 2007, 030025 (2018). doi: 10.1063 / 1.5051886

18. Neverov V.V., Kozhukhov Y.V., Yablokov A.M., Lebedev A.A. Optimization of a centrifugal compressor impeller using CFD: the choice of simulation model parameters . 2017 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 232 012037. September 2017. DOI: 10.1088/1757-899X/232/1/012037.

19. Kabalyk K., Kryłłowicz W.Numerical modeling of the performance of a centrifugal compressor impeller with low inlet flow coefficient. // Transactions IFFM. 2016. Vol. 131. P. 97-109.

20. Yablokov A., Yanin I., Danilishin A.M, Zuev A.V. Ansys CFX numerical study of stages centrifugal compressor with low-flow rate coefficient MATEC Web of Conferences 245, 09002 (2018) DOI: 10.1051/matecconf/201824509002

21. Янин И.С., Окунев В.М., Березовский А.А.Оптимизация геометрии обратного направляющего аппарата малорасходных ступеней центробежного компрессора. Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием, 18-23 ноября 2019 г., Институт энергетики. СПб.: Политехпресс, 2020. С. 268-269.

22. 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.

23. Aksenov A., Kozhukhov Y., Sokolov M., Simonov A.Analysis and modernization of real gas thermodynamic calculation for turbocompressors and detander units. MATEC Web of Conferences 245, 09005 (2018). DOI: 10.1051/matecconf/201824509005

24. Xi G., Wang Z., Li X., Wang S. (). Aerodynamic Design and Experimental Validation of Centrifugal Compressor Impellers With Small Flow Rate. PartsAandB.//Turbomachinery. 2009. Vol.7: doi:10.1115/gt2009-59785

25. Иванов В.М., Кожухов Ю.В., Данилишин А.М., Садовский Н.И.Моделирование и валидация рабочего процесса в модельной малорасходной ступени центробежного компрессора. // Новое в российской электроэнергетике. 2019. № 6. С. 12-19.

Читать статью полностью