Введение к работе
Актуальность темы В связи с большими преимуществами природного газа по сравнению с другими видами топлива он приобретает все возрастающее значение в структуре топливного баланса страны и экспорта природных ресурсов
Программа строительства новых газопроводов, компрессорных станций (КС) и реконструкция существующих газотранспортных систем включают в себя проектирование и головных компрессорных станций (ГКС)
В отличие от более или менее постоянного режима работы линейной КС параметры ГКС существенно изменяются с течением времени Проектное развитие ГКС в период постоянной добычи определяется наращиванием мощности при снижении пластового давления, в период падающей добычи-уменьшением отбора и загрузкой установленных газоперекачивающих агрегатов (ГПА) за счет увеличения степени повышения давления (л ) при неоднократном применении сменных проточных частей (СПЧ)
К моменту начала проектных работ на Турбомоторном заводе (ТМЗ) применялись как регенеративные, так и безрегенеративные газотурбинные установки (ГТУ)
В регенеративной ГТУ оптимальная степень повышения давления, принимаемая из условия наибольшей тепловой экономичности, меньше, чем это необходимо для получения наибольшей удельной избыточной работы
Можно отметить, что по мере совершенствования ГТУ при последовательном увеличении л для линейных КС вместо регенерации может рассматриваться использование тепла уходящих газов в котле-утилизаторе с выработкой дополнительной мощности в паровой турбине, могущей найти применение, в частности, при создании газопарового двигателя, КПД которого с использованием осевого компрессора (ОК) наддува, работающего от этой турбины, может быть получен близким к предельному при выбранных степени повышения давления и температуре газа перед турбиной
В безрегенеративной ГТУ для получения максимального КПД общая степень повышения давления принимается максимально достижимой на момент проектирования
Технико-экономическое сравнение регенеративных и безрегенеративных ГТУ для газопроводов, учитывая низкую себестоимость газа в районе месторождения, а также меньший вес и габариты турбогруппы, связанные с меньшим массовым расходом воздуха и повышенной быстроходностью, показало, что ГТУ без регенерации могут найти применение на ГКС и магистральных газопроводах, пролегающих в труднодоступных районах
Учитывая меньшую стоимость жизненного цикла стационарного ГПА, определяемого назначенным ресурсом работы и соответствующими затратами на ремонтно-техническое обслуживание, и имея в виду, что в ГПА с авиационным приводом используются как однокаскадные, так и двух и трехкас-кадные ОК, в установках для ГКС целесообразно рассматривать, по мере со-
вершенствования ГПА, однокаскадные быстроходные высоконапорные ОК с КПД, близкими к максимальным, достигнутым в низконапорных проточных частях
Необходимо также разработать способы оптимизации проточных частей, направленных в первую очередь на расширение диапазона устойчивой работы, увеличение максимального КПД и пологости газодинамических характеристик ЦН в связи с перемещением с течением времени рабочих режимов на ГКС в сторону больших объемных расходов Последнее позволяет в общем случае увеличить время работы СПЧ между переоснастками
При выбранном подходе к проектированию проточных частей ОК и ЦН необходимо было разработать и использовать способы расчета ОК и ЦН, позволяющие обеспечить высокие показатели снижения металлоемкости с ростом мощности ГПА, которая на ГКС расходуется также и на увеличение степени повышения давления ЦН
Цель работы определилась задачей разработки принципов конструирования стационарных проточных частей ОК и ЦН для газовой промышленности и методик газодинамического расчета, позволяющих определять характеристики ОК и ЦН и выполнять сравнительную оценку проектируемых вариантов
Научная новизна Обосновано создание высоконапорного экономичного стационарного ОК с трансзвуковыми ступенями на входе путем предвключе-ния ступеней к неизменному исходному отсеку
Учитывая предположение о том, что дозвуковые и трансзвуковые ступени являются представителями непрерывного изменения конфигурации лопаток и каналов, необходимого для эффективного использования потока при возрастании чисел Маха в относительном движении, установлены параметры трансзвукового низконапорного рабочего колеса (РК), имеющего ту же густоту решетки, что и РК исходной группы ступеней
Для приспособления РК к относительным скоростям, несколько превышающим скорость звука, необходимо уменьшить изгиб профиля РК (за счет уменьшения закрутки потока перед РК до нуля), не допуская тем самым увеличения волновых потерь давления, связанных с ускорением и возможным отрывом потока после головного скачка у спинки профиля
Определено, что при некотором дальнейшем увеличении чисел Маха и быстроходности (для сохранения прежнего режима работы основной группы в условиях повышения начальной температуры воздуха перед ней), а также соответствующего увеличения степеней повышения давления предвключае-мых ступеней с осевым входом при использовании изгибов профиля на среднем радиусе, не превышающих изгиба профиля исходного дозвукового РК, сохранение высокого КПД ступени должно достигаться соответствующим увеличением густоты решетки (по сравнению с густотой решетки РК исходной трансзвуковой ступени ОК), позволяющим обеспечить смещение места пересечения замыкающего скачка с поверхностью профиля вперед вдоль линии лопатки и, следовательно, уменьшение потерь, вызываемых взаимодей-
ствием скачков с пограничным слоем
Надежность метода создания новых ОК путем предвключения к исходному отсеку группы ступеней, включая стыковочную, спроектированную, как и вся предвключенная часть, с учетом переменности потерь энергии по высоте канала, может быть повышена путем использования РЛ с увеличивающимся к концам лопатки теоретическим напором
В работе получены данные об использовании концевых центробежных ступеней полунасосного типа при формировании быстроходного осецентро-бежного компрессора с высоким суммарным КПД, а также осерадиальных диффузоров, следующих за лопаточным аппаратом ОК, с перерасширением каналов в осевой части и поджатием на повороте, дополнительно уменьшающих потери полного давления в напорных диффузорах
По проточным частям центробежных нагнетателей ГКС предложена и обоснована конструкция ЦН с использованием за РК выходного устройства с безлопаточным диффузором (БЛД) и боковой сборной камерой при цилиндрическом (в отличие от спирального) корпусе в наружной его части, обеспечивающая устранение «языка » у сборника и, в связи с этим, дополнительную пологость газодинамической характеристики с БЛД в зоне повышенных расходов при практическом отсутствии неравномерности давлений за РК
По рабочим колесам разработана конструкция РК полунасосного типа с уменьшенной диффузорностью межлопаточных каналов (за счет увеличения входного угла лопаток), обеспечивающая максимальные значения КПД РК и еще большую пологость характеристик ЦН
Экспериментально получены сравнительные данные работы ЦН с лопаточным (ЛД) и безлопаточным диффузорами применительно ко всему известному ряду РК (по входным и выходным углам наклона лопаток)
Постановка ЛД с использованием РК с увеличенными входными углами лопаток при одинаковой ширине ЛД и РК не приводит к увеличению максимальных значений КПД (При увеличении ширины ЛД по сравнению с выходной шириной РК КПД на левой ветви рабочей характеристики может быть повышен, но при смещении границы помпажа в сторону больших расходов )
При установке колес с уменьшенной диффузорностью межлопаточных каналов предложено меридиональное профилирование БЛД, включающее использование начальной вращающейся части (ВД), образованной продлением ведущего и покрывающего дисков РК, а также расширяющегося и в некоторых случаях следующего за ним радиально-осевого участков, позволяющее получить наиболее пологие характеристики КПД, не уступающие по уровню его максимальных значений характеристикам с использованием ЛД
Определены оптимальные густоты решеток РК, углы отставания потока и величины «коэффициентов снижения мощности»
Исследованы поэлементные газодинамические характеристики левых ветвей ЦН с БЛД, полученные в условиях работы при помпаже Показано, что крутизна увеличения напора на восходящем участке характеристики свя-
зана с интенсивностью вихревых следов за лопатками, сбегающих с определенной периодичностью навстречу общему потоку В тех случаях, когда помпажные колебания захватывают только зону БЛД без проникновения в РК, с помощью механического (ВД) и аэродинамического воздействия на поток за РК можно в некоторых случаях эти помпажные колебания полностью устранить, расширив тем самым диапазон рабочих режимов ЦН также и в зоне малых расходов
При использовании предложенного способа обобщения газодинамических параметров разработан метод расчета характеристик обеих ветвей РК, БЛД и всего ЦН, базирующийся на поэлементном их изучении
Предложена унификация лопаточных аппаратов (с использованием одной проточной части) ОК и ЦН в двух мощностных рядах ГПА, основанная на полученных широкодиапазонных газодинамических характеристиках
Научная новизна и достоверность разработок подтверждены полученными авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, сравнением расчетных результатов с экспериментальными, включая данные исследователей различных институтов, совпадением проектных и опытных характеристик ГПА ТМЗ по трем поколениям установок мощностью 6,16 и 25 МВт
Практическая ценность и внедрение результатов выражаются в осуществлении всех типов ГПА ТМЗ, включая конструкции ЦН по трем переоснасткам на ПСС страны
Автор защищает
Теоретические положения об основных механизмах аэродинамических потерь в элементарных низконапорных и высоконапорных трансзвуковых ступенях
Теоретические положения о механизме возникновения помпажных колебаний в ЦН с БЛД и подавлении их в самом источнике
Метод наращивания единичных мощностей приводных ГТУ путем форсирования газодинамических параметров и частот вращения за счет предвключения ступеней ОК
Метод расчета характеристик ЦН и ОК
Новые типы конструкций ступеней ОК и ЦН,
Публикации По материалам диссертации опубликованы 75 печатных работ Основное научное содержание диссертации отражено в 18 публикациях
Структура и объем Диссертация (вместе с приложением) состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и содержит 273 страницы текста, 25 таблиц, 517 рисунков и 257 литературных источника
