Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние исследований в области систем «сухих» газодинамических уплотнений для центробежных компрессорных машин 18
1.1 Конструктивные схемы СГУ, принцип работы, область применения 18
1.2 Описание работы газодинамической ступени СГУ 25
1.3 Формы газодинамических канавок 26
1.4 Форма канавки под резиновое уплотнительное кольцо в стальном поджимающем кольце 29
1.5 Конструкции барьерного уплотнения 30
1.6 Классификация СГУ по
конструктивному исполнению 32
1.7 Материалы газодинамических колец СГУ 35
1.8 Современное состояние методов расчёта 36
1.9 Экспериментальные исследования СГУ 61
1.10 Опыт внедрения 65
1.11 Выводы, постановка задачи исследования 69
Глава 2 Математическая модель работы СГУ 73
2.1 Допущения в математической модели работы СГУ.. 75
2.2 Уравнение для давлений в уплотнительном зазоре 78
2.3 Уравнение для температуры в уплотнительном зазоре 82
2.4 Зависимости вязкости и плотности газа от температуры 84
2.5 Уравнение теплопроводности для газодинамических колец 84
2.6 Определение коэффициента теплоотдачи 87
2.7 Уравнение упругого равновесия для
газодинамических колец 89
2.8 Условие равновесия аксиально-подвижного кольца... 92
2.9 Интегральные характеристики СГУ 93
2.10 Реализация математической модели СГУ 93
2.11 Выводы 94
Глава 3 Расчётное исследование влияния режимных параметров работы ЦК, геометрических размеров газодинамических колец на характеристики СГУ и форму уплотнительного зазора 95
3.1 Влияние режимных параметров работы ЦК на характеристики СГУ 104
3.1.1 Влияние уплотняемого давления Р0 на характеристики СГУ Ю4
3.1.2Влияние скорости вращения ротора п на характеристики СГУ 113
3.1.3Влияние уплотняемой температуры Г0 на характеристики СГУ 115
3.1.4Характер изменения Н^п и Q в зависимости
3.2 Влияние режимных параметров работы ЦК на деформации газодинамических колец и форму уплотнительного зазора 117
3.2.1 Влияние уплотняемого давления Р0 на деформации газодинамических колец и форму уплотнительного зазора Х1
3.2.2Влияние скорости вращения ротора п на деформации газодинамических колец и форму уплотнительного зазора 127
3.2.3Влияние уплотняемой температуры Г0 на деформации газодинамических колец и форму уплотнительного зазора
3.2.4Характер изменения деформаций газодинамических колец и формы зазора от Р0, п, Т0 140
3.3 Влияние размеров, газового слоя 7ft,772,6\,02,RKaHl,RmH2,Rx,R2,S,ReH на минимальный зазор, расход утечки, форму уплотнительного зазора и коэффициент конусности
3.3.1 Влияние соотношения угловой протяжённости элемента «канавка выступ» г/х- г/2 141
3.3.2Влияние углов наклона газодинамической канавки в1,в2 144
З.З.ЗВлияние радиусов канавки RKcmi,RKcm2 148
3.3.4Влияние радиуса окончания канавок R2 151
3.3.5Влияние наружного радиуса колец Rx 154
З.З.бВлияние внутреннего радиуса
аксиально-подвижного кольца ReH 157
3.3.7Влияние глубины газодинамической канавки 5 160
3.3.8Характер изменения Н^п, Q, Ку и формы
уплотнительного зазора от щ,щ,вх,в2,RmHl,RmHl,Rl,R1,S,RBH 163
3.4 Влияние размеров R^LJ^R^L^ RebmJebmna деформации рабочих поверхностей газодинамических колец, форму уплотнительного зазора и коэффициент конусности
3.4.1 Влияние внутреннего радиуса
вращающегося кольца R3 166
3.4.2Влияние толщины вращающегося кольца Ьд ЗАЗВлияние размера аксиально-подвижного
кольца 1Х 171
3.4.4Влияние размера аксиально-подвижного кольца /2 173
3.4.5Влияние наружного радиуса аксиально-подвижного кольца Яш 175
3.4.6Влияние толщины аксиально-подвижного кольца LK 177
3.4.7Влияние размеров выточки на тыльной стороне аксиально-подвижного кольца Явыт, 1выт 179
3.4.8Характер изменения деформаций рабочих поверхностей газодинамических колец, формы уплотнительного зазора и коэффициента конусности от
3.5 Влияние радиусов установки резиновых уплотнительных колец RKop, R на характеристик СГУ 187
3.5.1 Влияние радиуса установки резинового уплотнительного кольца RKop 188
3.5.2Влияние радиуса установки резинового уплотнительного кольца R 189
3.6 Исследование влияния материала для газодинамических колец на форму уплотнительного зазора 192
3.7 Рекомендации по определению предпочтительных значений минимального зазора Н^п и коэффициента конусности Ку 194
Глава 4 Экспериментальные исследования работы СГУ 198
4.1 Описание экспериментального стенда 199
4.2 Оценка точности экспериментальных данных 202
4.3 Экспериментальное определение профиля давления в уплотнительном зазоре 204
4.3.1 Схема замера распределения давления 205
4.3.2 Программа и методика проведения экспериментов 207
4.3.3 Результаты замеров давления 208
4.4 Экспериментальное определение температуры по радиусу аксиально-подвижного кольца 212
4.4.1 Схема замера распределения температуры 213
4.4.2 Программа и методика проведения эксперимента 214
4.4.3 Результаты замеров температуры 215
4.5 Экспериментальное определение расхода утечки газа 216
4.5.1 Программа и методика проведения экспериментов 217
4.5.2 Результаты замеров расхода утечки 218
4.6 Выводы 220
Глава 5 Разработка, пуско-наладочные работы и
эксплуатация систем СГУ в центробежных
компрессорных машинах 222
5.1 Разработка узлов СГУ для центробежных
компрессорных машин 222
5.2 Типоразмерный ряд «сухих» газодинамических
уплотнений для центробежных компрессорных машин 232
5.3 Системы регулирования и контроля работы СГУ 234
5.4 Способы борьбы с загрязнениями «сухих» газодинамических уплотнений 240
5.5 Монтаж, демонтаж СГУ в корпус сжатия ЦК 244
Заключение 248
Литература
- Описание работы газодинамической ступени СГУ
- Уравнение для температуры в уплотнительном зазоре
- Влияние режимных параметров работы ЦК на деформации газодинамических колец и форму уплотнительного зазора
- Влияние размеров R^LJ^R^L^ RebmJebmna деформации рабочих поверхностей газодинамических колец, форму уплотнительного зазора и коэффициент конусности
Введение к работе
Актуальность работы. Центробежные компрессорные машины получили
широкое распространение в химической, нефтяной и газовой промышленности.
Центробежные компрессоры (ЦК) в составе технологических установок незаменимы
при производстве высококачественного бензина и смазочных материалов,
переработке углеводородов и их производных, производства удобрений,
транспортировки и сжижении природного газа. Применение ЦК в производственных циклах повышенной опасности предъявляет высокие требования к надёжности их отдельных узлов и агрегата в целом.
Наиболее слабыми узлами турбомашин являются опорно-уплотнительные системы роторов. В центробежных насосах и компрессорах около 16% всех неисправностей составляет выход из строя упорных подшипников, а почти 40-80% отказов и производственных потерь происходит из-за выхода из строя уплотнений.
В этой связи разработка и совершенствование моделей функционирования, изучение процессов происходящих при работе уплотнений с целью повышения их надёжности является актуальной задачей.
На сегодняшний день наилучшим техническим решением для
предотвращения протечек газа из корпуса сжатия центробежного компрессора в окружающую среду является применение систем «сухих» газодинамических уплотнений (СГУ). Благодаря неоспоримым преимуществам СГУ над ранее применяемыми масляными уплотнениями корпуса сжатия, комплектация вновь проектируемых и выпускаемых центробежных компрессоров системами СГУ доходит до 95% от общего объёма выпуска.
Применение СГУ в центробежных компрессорах позволяет исключить из технологической схемы агрегата громоздкую и энергоёмкую систему обеспечения циркуляции уплотнительного масла, исключить загрязнение сжимаемого газа маслом, уменьшить потери на трение в уплотнениях, ресурс и надёжность СГУ выше, чем у масляных уплотнений, что позволяет экономить на обслуживании агрегата в целом.
На отечественном рынке СГУ, в большей степени, представлены фирмами «EagleBurgmann» (Германия), «John Crane» (Великобритания), НПФ «Грейс-3
инжиниринг» (Украина), ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» (Россия). Также известны такие производители СГУ, как OOO «ПНПК» (Россия), ЗАО «ТРЭМ – Казань» (Россия), «Pacific Wielz» (США), «EG&G Sealol» (США), «Flexibox» (Великобритания), «Dresser Rend» (США), «Flowserve» (Канада).
Наибольших успехов в России в области исследования и разработки СГУ, судя по публикациям, добились 3 научных центра – в Казани на базе ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» совместно с КНИТУ (КХТИ), в Санкт Петербурге - СПбГТУ, в Самаре - Самарский Аэрокосмический университет. Значительный вклад в исследование СГУ внесли Максимов В.А., Ден Г.Н., Фалалеев С.В., Юн В.К., Виноградов А.С., Лучин Г.А., Болдырев Ю.Я., Зуев А.В., Бондаренко Г.А., Левашов В.А., Роговой Е.Д., а также разработчики упорных газовых подшипников Пинегин С.В., Емельянов А.В. и другие.
Цель работы. Разработать, исследовать и внедрить типоразмерный ряд СГУ, охватывающий широкий спектр центробежных компрессорных машин.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. - разработать термоупругогазодинамическую модель работы СГУ,
учитывающую: разогрев газа в зазоре между газодинамическими кольцами;
зависимость вязкости и плотности газовой смеси от температуры; деформации
газодинамических колец, находящиеся под действием неравномерного поля
температуры и давления;
2. - разработать программный комплекс, позволяющий проводить расчёты
СГУ без переноса промежуточных данных из одной расчётной системы в другую и не
требующей от оператора ЭВМ знаний конечно-разностных математических методов;
3 - на основе разработанного программного комплекса выполнить расчётное исследование работы СГУ, определить степень влияния отдельных геометрических размеров газодинамических колец и режимных параметров работы компрессора на форму и величину зазора, расход утечки газа через уплотнение;
4. - разработать уплотнения, испытательный стенд и провести
экспериментальные исследования работы СГУ, сопоставить результаты с выводами
теоретических исследований;
5. - разработать рекомендации для проектирования СГУ;
6. - разработать типоразмерный ряд СГУ, системы для контроля их работоспособности и регулирования, внедрить на вновь выпускаемых компрессорах взамен импортных.
Научную новизну работы составляют:
термоупругогазодинамическая модель работы СГУ, описанная системой дифференциальных уравнений с соответствующими граничными условиями;
коэффициент конусности Ку , характеризующий форму уплотнительного зазора;
анализ влияния режимных параметров работы ЦК и геометрических размеров газодинамических колец на форму и величину уплотнительного зазора, расход утечки газа, а также промежуточные выходные данные – распределения температуры и давления в зазоре, распределения температуры, радиальные и осевые деформации в газодинамических кольцах;
экспериментальные значения распределения давления и температуры газа в уплотнительном зазоре;
рекомендации по проектированию формы уплотнительного зазора, выбору предпочтительных геометрических размеров газодинамических колец.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием для описания работы СГУ классических уравнений теории газовой смазки и термоупругости, обоснованностью принятых допущений, строгостью используемого математического аппарата, сопоставлением экспериментальных и расчётных результатов.
Практическое значение работы заключается в организации производства СГУ
в ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» (ЗАО НТК), внедрении
разработанного типоразмерного ряда СГУ в ЦК выпускаемых ОАО
«Казанькомпрессормаш», которые с успехом эксплуатируются на предприятиях ОАО «Роснефть», ОАО «Сибур», ОАО «Лукойл», ОАО «Газпром». Внедрение СГУ производства ЗАО НТК позволяет отечественным нефтегазовым компаниям обеспечивать свою экономическую и техническую безопасность, отказавшись от поставки дорогостоящих импортных комплектующих, а также получать оперативный и доступный сервис в процессе эксплуатации СГУ. Одновременно денежные
средства, получаемые от добычи углеводородов, и направляемые на приобретение СГУ остаются в России и инвестируются в научные исследования отечественного компрессоростроительного предприятия.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы
докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных научно-
технических конференциях и конгрессах: десятом (Санкт-Петербург – 2004),
одиннадцатом (Санкт-Петербург – 2005) и двенадцатом (Санкт-Петербург – 2006)
международных симпозиумах «Потребители-производители компрессоров и
компрессорного оборудования»; XIII международной научно-технической
конференции «Герметичность, вибронадёжность и экологическая безопасность
насосного и компрессорного оборудования» (Украина, Сумы – 2011); IX
международной научно-технической конференции молодых специалистов
«Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин» (Казань -2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных трудов, включая 10 статей в журналах рекомендованных ВАК, 7 в периодических изданиях и трудах конференций, получен 1 патент на изобретение, издана 1 монография.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 98 источников, 2х приложений и изложена на 280 странице, содержит 137 рисунков, 26 таблиц.
Описание работы газодинамической ступени СГУ
Благодаря неоспоримым преимуществам СГУ над ранее применяемыми типами уплотнений корпуса сжатия, комплектация ЦК системами СГУ на рубеже 20-21 веков дошла до 95% от общего объёма выпуска.
К этому времени на Российском рынке появились зарубежные компании-производители СГУ, самые известные из которых - «John Crane» (Великобритания), «EagleBurgmann» (Германия), ООО НПФ «Грейс-инжиниринг» (Украина). В это время отечественные разработчики компрессорного оборудования и систем уплотнений не имели ещё достаточного опыта для производства и внедрения СГУ собственных конструкций. Массовое использование СГУ в ЦК подтолкнуло отечественные компании к форсированию исследовательских работ для создания уплотнений такого типа, в которых наибольшее участие приняли 3 научных центра - в Казани на базе ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» совместно с КНИТУ (КХТИ), в Санкт Петербурге - СПбГТУ, в Самаре - Самарский Аэрокосмический университет, сотрудниками которых опубликованы отдельные монографии посвященные разработке и внедрению СГУ [10,11,12,98]. Известно, что производство СГУ было освоено в Казани и Самаре.
Представленная работа посвящена разработке, исследованию, внедрению СГУ и состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 98 источников, 2 приложений и изложена на 280 страницах, содержит 137 рисунков, 26 таблиц.
В первой главе представлено описание принципов работы газодинамической ступени, рассмотрены конструкции СГУ в зависимости от области применения, а также исполнения отдельных конструктивных элементов СГУ, представлена классификация уплотнений по конструктивному исполнению. Проанализирован уровень расчётных методик и экспериментальных исследований из имеющихся в опубликованных литературных источниках, который показал, что приводимые частные решения не дают ответы на весь комплекс вопросов, возникающих при проектировании, и связанных с определением формы уплотнительного зазора, а также определению геометрических размеров газодинамических колец, оказывающих наибольшее влияние на деформации колец, форму уплотнительного зазора, значение минимального зазора Нпіп и расхода утечки Q. В публикациях по данной тематике имеется весьма малое количество результатов по экспериментальным исследованиям, отсутствуют работы, в которых сопоставляются расчётные и экспериментальные характеристики. Рассмотрен положительный опыт внедрения систем СГУ в центробежных компрессорах. На основе рассмотренного материала сформулирована задача проектировочного расчёта, которая заключается в достижении требуемой формы и величины уплотнительного зазора посредством варьирования геометрических размеров газодинамических колец при известных: режимных параметрах работы компрессора, свойствах уплотняемого газа, материалах газодинамических колец.
Во второй главе впервые представлена термоупругогазодинамическая модель описывающая процессы, происходящие при работе СГУ и позволяющая определить форму уплотнительного зазора. Модель состоит из системы дифференциальных уравнений с соответствующими граничными условиями: - для описания распределения давления в уплотнительном зазоре на элементе «канавка-выступ» по радиальной и окружной координатам применяется известное приближение тонкого слоя - уравнение Рейнольдса, граничные условия к которому по радиальной координате задаются равенством давлений на входе и выходе из уплотнительного зазора соответственно уплотняемому давлению и давлению за уплотнением, по окружной координате выполняется условие периодичности; - распределение средней по толщине уплотнительного зазора по радиальной и окружной координатам температуры описывается известным уравнением энергии, которое учитывает тепловыделение за счёт вязкого трения и за счёт изменения удельного объёма. Граничные условия для уравнения энергии на входе в газовый слой задаются в виде равенства температуры уплотняемой температуре, граничные условия на поверхностях колец заменены условиями сопряжения, моделирующие потоки теплоты через соответствующее кольцо; - зависимости коэффициентов вязкости и плотности газовой смеси от температуры связывают между собой уравнения Рейнольдса и энергии; - распространение теплоты во вращающемся и аксиально-подвижном кольцах осуществляется по закону Фурье и по радиальной и осевой координатам описывается стандартным уравнением теплопроводности, для которого задаются граничные условия третьего рода, где полагается, что температура кольца, соприкасающегося с газовым слоем совпадает со среднеинтегральным значением решения уравнения энергии, на остальных границах колец осуществляется теплообмен по закону Ньютона с омывающими эти поверхности газом; - уравнения упругого равновесия газодинамических колец, находящихся под действием силовых и термических деформаций по радиальной и осевой координатам строятся на основе классической модели термоупругости, к которым задаются граничные условия второго рода, когда известны давления и температуры действующие по поверхностям колец, к вращающемуся кольцу действует условие закрепления; - система представленных уравнений замыкается условием равновесия сил, приложенных к аксиально-подвижному кольцу. Представлены формулы для определения формы зазора за счёт деформаций рабочих поверхностей колец, реакции газового слоя, расхода утечки газа через СГУ.
Уравнение для температуры в уплотнительном зазоре
Конструктивное исполнение СГУ, определяемое в соответствии с рис. 1.12, перекрывает большое разнообразие компрессоров, отличающихся по назначению и геометрическим размерам, свойствам компримируемои среды, режимам работы.
Однако, для разработки конструкции СГУ необходимо определить тип барьерного уплотнения, отделяющего масляную полость подшипника от газодинамических колец СГУ. Для этого необходимо знать технологические особенности и возможности системы вспомогательного оборудования. В зависимости от свойств и давления компримируемои среды используются различные материалы газодинамических колец и покрытия их рабочих поверхностей, а также конструкции элементов, обеспечивающих одновременно подвижность аксиально-подвижного кольца и его уплотнение в месте сопряжения с неподвижным корпусом. Кроме того, в зависимости от свойств среды, её температуры и уплотняемого давления, предъявляются различные требования к вторичным эластичным уплотнительным элементам.
Большое количество указанных признаков затрудняет для потребителя подбор СГУ, в следствии чего, на данном этапе технического развития уплотнение является узлом индивидуального исполнения.
Тем не менее, все производители уплотнений в большинстве уже определились с основными конструктивными решениями, которыми возможно перекрыть существующее разнообразие полей параметров центробежных компрессорных машин, применяемых в различных технологических процессах. Производители СГУ представляют номенклатуру разработанных уплотнений в виде ряда, характеризующегося диаметром вала и расточкой в крышке или корпусе сжатия компрессора в месте установки уплотнения (посадочное место под уплотнение). Эти размеры, в конечном счёте, определяют размеры газодинамических колец СГУ.
Применение стандартного решения из номенклатуры фирмы-производителя СГУ может существенно снизить стоимость системы уплотнений. В случае возможности использования, для нового посадочного места уплотнения в корпусе сжатия, апробированных в процессе эксплуатации газодинамических колец, существенно сокращается время (от нескольких дней до нескольких недель) на расчёты и определение геометрических размеров колец. Конструкторская работа по подготовке чертежей уплотнения в этом случае сводится лишь к коррекции размеров существующего СГУ в месте его сопряжения с корпусом и валом. Сокращаются время технологической подготовки производства, за счёт уже имеющейся оснастки, и собственно изготовления узла. Как правило, у производителя СГУ на складе имеется запас комплектующих для освоенных типоразмеров уплотнений, что сокращает время на приобретение заготовок (и их стоимость) для газодинамических колец и резиновых уплотнительных колец. Применение апробированных газодинамических колец может существенно сократить время испытаний СГУ. Всё вышесказанное позволяет снизить затраты на изготовление, сократить сроки поставки, а следовательно и снизить стоимость СГУ для конечного потребителя.
В этой связи разработка типоразмерного ряда является важным и необходимым условием для уменьшения издержек и повышения конкурентоспособности производителя СГУ. Материалы газодинамических колец СГУ Материалы, используемые для изготовления газодинамических колец, определяются условиями их работы и технологическими особенностями изготовления. Хотя принцип работы СГУ исключает контакт между газодинамическими кольцами, их соприкосновение всё же может иметь место в моменты пуска или останова компрессора, когда в корпусе сжатия находится газ под высоким давлением. С этой точки зрения для материалов колец необходимо применять разнородный материал или наносить на рабочую поверхность одного из колец антифрикционное покрытие. По такому принципу изготавливаются газодинамические кольца фирмы «EagleBurgmann», в которых оба кольца изготавливаются из карбида кремния, а на рабочую поверхность аксиально-подвижного кольца наносится алмазоподобное покрытие. По рекламным буклетам, антифрикционное покрытие позволяет произвести до 500 пусков без износа колец. Кольца в сочетании «карбид кремния - карбид кремния» применяются большинством фирм при изготовлении СГУ для уплотняемого давления выше 10 МПа. До давления 10 МПа фирмами-производителями традиционно применяются кольца из разнородного материала в сочетании: вращающееся кольцо «карбид вольфрама» - аксиально-подвижное кольцо «углеграфит». Некоторые фирмы для изготовления аксиально-подвижного кольца применяют специально разработанные материалы, свойства которых в литературе отсутствуют. Например, фирма «JohnCrane» использует для этих целей материал с названием «Кренайд». Свойства материалов, необходимые для расчёта напряжённо-деформированного состояния колец по данным [23] приведены в таблице 1.1.
Для практических расчётов необходимо пользоваться значениями технических характеристик, зафиксированных в паспорте, сопровождающего партию заготовок на кольца. В таблице 1.1 свойства материала ЕК-3205, используемого в ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа» для изготовления аксиально-подвижных колец приводятся из паспорта фирмы-поставщика заготовок ООО «Графи» (Россия, г.Москва).
Влияние режимных параметров работы ЦК на деформации газодинамических колец и форму уплотнительного зазора
Обзор исследований СГУ, позволяет судить о современном уровне развития расчётных методик и экспериментов по определению характеристик уплотнений, который показал: - отсутствие математических моделей в термоупругогазодинамической постановке, описывающих совместно течение газа в уплотнительном зазоре и деформации колец газодинамической ступени; - для описания упругих деформаций колец используются универсальные программные комплексы, что существенно повышает трудоёмкость построения модели и обработки данных на ЭВМ; - отсутствие анализа влияния отдельных геометрических размеров газодинамических колец и режимных параметров работы компрессора на форму уплотнительного зазора; в исследовании [55] представлено схематично изображение вида уплотнительного зазора, который в области газодинамических канавок конфузорной формы и далее переходит в области уплотнительного пояска в дифузорную форму, в работе [59] зазор имеет конфузорную форму по всей протяжённости; - экспериментальные исследования сводятся к определению расхода утечки газа в зависимости от уплотняемого давления или скорости вращения ротора, характеристики газового слоя как распределение давления и температуры в зазоре отсутствуют; в литературе отсутствуют сопоставления опытных и теоретических данных.
Учитывая вышеизложенное можно заключить, что в литературе приводятся лишь частные решения, которые не дают ответы на весь комплекс вопросов, возникающих при проектировании СГУ, а также что сумма этих решений не позволяет составить общего алгоритма для решения задачи СГУ.
Для восполнения пробелов в исследовании СГУ, а также постановки комплексной задачи исследования, позволяющей получить ответы на весь круг вопросов связанных с проектированием уплотнений в представляемой научной работе ставятся следующие задачи:
1. - Разработать термоупругогазодинамическую модель работы СГУ учитывающую: разогрев газа в зазоре между кольцами газодинамической ступени; зависимости вязкости и плотности газовой смеси от температуры; деформации колец газодинамической ступени находящиеся под действием неравномерного поля температуры и давления;
2. - Разработать программный комплекс, позволяющий проводить расчёты СГУ без переноса промежуточных данных из одной расчётной системы в другую и не требующей от оператора ЭВМ знаний конечно-разностных математических методов;
3 - На основе разработанного программного комплекса выполнить параметрическое исследование работы СГУ, определить степень влияния отдельных геометрических размеров колец газодинамической ступени и режимных параметров работы компрессора на форму и величину зазора, расход утечки газа через уплотнение; 4. - Разработать уплотнения, испытательный стенд и провести экспериментальные исследования работы СГУ, сопоставить результаты с выводами теоретических исследований; 5. - Разработать рекомендации для проектирования СГУ; 6. - Разработать типоразмерный ряд СГУ, системы для контроля их работоспособности и регулирования, внедрить на вновь выпускаемых компрессорах взамен импортных.
Перечень выше представленных задач исследования направлен на достижение цели, заключающейся в решении важнейшей народнохозяйственной задачи, направленной на импортозамещение СГУ, разработанным по результатам представленной работы типоразмерным рядом уплотнений отечественного производителя, охватывающего широкий спектр выпускаемых центробежных компрессоров. Это позволит отечественным нефтегазовым компаниям - потребителям СГУ, существенно экономить на приобретении узлов, обеспечивать свою экономическую безопасность и независимость от зарубежных поставщиков комплектующих, а также получать доступный и оперативный сервис.
Работа СГУ характеризуется режимными параметрами работы компрессора и геометрическими параметрами колец газодинамической ступени, зависящими от условий эксплуатации ЦК, поэтому теоретическим и экспериментальным исследованиям должно предшествовать определение границ области исследования, необходимых и достаточных для получения характеристик используемых при расчёте и проектировании СГУ.
ОАО «Казанькомпрессормаш» (ОАО ККМ) является лидером в Российской Федерации по производству центробежных компрессоров, охватывающих широкий спектр технологических процессов, что позволяет за основу для проектирования СГУ принять типоразмерный ряд агрегатов производимых на предприятии. Основываясь на номенклатуре изготовленных ОАО ККМ центробежных компрессорных машин [80], можно определить следующие границы области исследования: уплотняемое давление Р0: ОАО ККМ выпускает компрессора с конечным давлением от 2 до 350 кгс/см . Более 90% произведённых машин были разработаны на конечное давление до 100 кгс/см . Принимая во внимание, что уплотнение рассчитывается на условие всасывания и максимальное значение уплотняемое давление достигает в моменты останова компрессора без стравливания газа (при останове компрессора без стравливания газа давление в корпусе сжатия выравнивается до некоторого среднего значения между конечным и начальным давлениями) за верхний предел при исследовании СГУ целесообразно принять давление 100 кгс/см ; уплотняемая температура Т0: по правилам устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов [81] при температуре стенки трубопровода за пределами рабочей или обслуживаемой зоны выше 60 С её необходимо теплоизолировать. Поэтому обычно перед панелью регулирования СГУ температура газа составляет от +5 до + 55 С. Однако, уплотняемая температура может достигать и 130 С, например на режимах регенерации в компрессорных машинах эксплуатируемых в технологических линиях на нефтеперерабатывающих заводах. Учитывая вышеизложенное, за верхний предел при исследовании СГУ принимается температура 150 С; скорость вращения ротора п: высоким скоростям вращения ротора (в соответствии с типоразмерным рядом выпускаемых на ОАО ККМ ЦК, классифицируемых как 2,3,4,5,6 базы), соответствуют компрессора меньших типоразмерных баз. Например у компрессора для сжатия водородосодержащего газа 2ГЦ2-16/27-3 7 УХЛ 4 (2 база) скорость вращения ротора соответствует 12 700 об/мин, а в агрегате НЦ-16-76/1,44 (6 база) для сжатия природного газа, в составе ГПА 16 «Волга», скорость вращения ротора соответствует 5600 об/мин. В соответствии с вышеизложенным, за верхний предел при исследовании СГУ целесообразно принять 20 000 об/мин; - габаритные размеры СГУ: диаметр вала под установку СГУ в соответствии с типоразмерным рядом выпускаемых ОАО «Казанькомпрессормаш» центробежных компрессоров соответствует 78, 92, 120, 133 и 160 мм. Остальные размеры СГУ определяются в процессе их проектирования.
Влияние размеров R^LJ^R^L^ RebmJebmna деформации рабочих поверхностей газодинамических колец, форму уплотнительного зазора и коэффициент конусности
Шероховатость и неплоскостность рабочих поверхностей газодинамических колец не учитывается. Согласно рабочим чертежам колец для СГУ нагнетателя ГПА-16 «Волга», допустимая неплоскостность рабочих поверхностей не более 0,0006 мм (0,6 мкм) и шероховатость 0,012 мкм. Из представленного анализа литературных источников выявлено: для недопущения возникновения критического истечения газа из уплотнительного зазора [42] его максимальное значение не должно превышать 5 мкм; при зазорах менее 1 мкм [63] возможен контакт между кольцами при вибрациях ротора компрессора. Таким образом, величина зазора на два порядка превышает значение шероховатости, а следовательно ею можно пренебречь.
Максимальные отклонения от плоской формы рабочих поверхностей, соответствуют наружному радиусу газодинамических колец. В работе [55], увеличение зазора на входе в уплотнительный зазор за счёт деформации вращающегося кольца составляет 2,6 мкм. Увеличение зазора на входе в уплотнительный зазор за счёт деформации аксиально-подвижного кольца составляет 4,3 мкм. Суммарное изменение уплотнительного зазора за счёт деформаций колец составляет 6,9 мкм, что превышает значение допустимой неплоскостности чертежей (0,6 мкм) в 10 раз. Это позволяет рассматривать рабочие поверхности газодинамических колец без учёта их неплоскостности.
2. Вибрации ротора компрессора на работу СГУ не учитываются. В соответствии с рекомендациями «Стандарта Американского Нефтяного Института - API 617» [82] расчётные (на рабочем режиме) размахи виброперемещений несбалансированного ротора рассчитывается по формуле: где А[ - предельная величина размаха виброперемещения, мкм; п -максимальная продолжительная скорость вращения ротора, об/мин. Для ЦК ГПА-16 «Волга» производства ОАО ККМ величина размаха виороперемещении составляет Ах = 25 J = 36,5 мкм.
В работе [63] отмечается, что вибрации ротора менее 100 мкм не оказывают существенного влияния на работу СГУ.
В соответствии с вышеизложенным, в разработанной модели СГУ допустимые вибрации ротора компрессора находятся в диапазоне значений, которые не оказывают существенного влияния на работу уплотнения.
3. Режим течения газа в зазоре ламинарный. Для определения режима течения газа в зазоре между газодинамическими кольцами необходимо вычислить число Рейнольдса. Для рассматриваемой модели СГУ наибольшее число Re, определяемое по формуле [11]: KBah=pVeh/M, (2.1.1) соответствует входу в уплотнительный зазор. Плотность газа, соответствующая радиусу на входе в уплотнительный зазор Rl в этом случае будет максимальной. В качестве характерной скорости в этом сечении принимается скорость в окружном направлении Ve = a)-R1.B качестве характерного размера принимается величина зазора h.
Для модели СГУ центробежного компрессора ГПА-16 «Волга» при режимных параметрах определяемых уплотняемым давлением и температурой Р0=56 кгс/см и Т0=333 К, газодинамические свойства природного газа соответствуют /7=43,615 кг/м3, // =0,1344-10"4 Пас. Скорость вращения ротора ш=586,3 с"1 (5600 об/мин), 7 =0,12 м, /г =4 10"6 м. При указанных данных число
Рейнольдса, подсчитанное по формуле 2.1.1, составляет Re=913,2, что соответствует ламинарному режиму течения газа.
При уплотняемом давлении, соответствующем +75% от расчётного режима работы ЦК ГПА-16 «Волга» (Р0=96 кгс/см2), свойства газа составляют
Для этого режима Re=1372,5, что также соответствует ламинарному режиму течения газа. Центробежные компрессоры с меньшим диаметром рабочих колёс, а соответственно и уплотнений, имеют большие скорости вращения ротора. Так на компрессоре 2ой типоразмерной базы 2ГЦ2-16/27-37 УХЛ4 (производства ОАО ККМ), эксплуатируемом на ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» скорость вращения ротора ш=1329,2 с"1 (12700 об/мин). ЦК предназначен для сжатия водородосодержащего газа. Газодинамические свойства водородосодержащего газа для рабочего режима соответствующего уплотняемому давлению и температуре
