Полостей и диаметров входного и выходного патрубков

При моделировании рабочих процессов в МОД обычно принимают допущение о постоянстве давления в полостях ступени, граничащих с цилиндром, что соответствует объёмам полостей всасывания и нагнетания (V_п.вс, V_п.нг) → ∞. В реальных конструкциях объёмы полостей конечны и подчиняются зависимости V_п= ψ∙V_h, где ψ = 0.5…2. В этом случае, в силу периодичности процессов рабочего цикла МОД, в полостях всасывания и нагнетания возникают пульсации давления, амплитуда и частота которых зависит от величины ψ = V_п/V_h, диаметра патрубков d, свойств рабочего вещества, частоты вращения вала и давлений на входе и выходе ступени.

Занижение объёмов полостей всасывания и нагнетания (V_п.вс,V_п.нг) и диаметров входного и выходного патрубков (d_вх и d_вых)сопровождается увеличением газодинамического сопротивления, вследствие чего снижается производительность ступени и эффективность её работы. Не обоснованное увеличение тех же величин приводит к росту металлоёмкости конструкции и усложнению монтажа элементов газового тракта. Таким образом, на стадии проектирования перед конструктором стоит задача – найти и расчетным путемобосновать оптимальное сочетание объёмов и диаметров патрубков полостей всасывания и нагнетания. В настоящем разделе работы автор предлагает решать поставленную задачуна основе упрощенной методики анализа колебаний давления только в элементах ступени компрессора без учета аналогичных процессов в газовых трактах на входе и выходе ступени.

Сутьюпредложенной методики является проведение целенаправленного численного эксперимента с использованием прикладной программы КОМДЕТ, предусматривающего на стадии проектирования выполнение расчетного анализа ряда конструктивно возможных вариантов ступеней с заданным диапазоном изменения объёмов полостей и диаметров патрубков.

В качестве объекта исследованиявыбрана I-я ступень компрессора передвижной компрессорной станции среднего давления ПКС-8-101производства УКЗ (г. Екатеринбург). Характеризуя объект исследования, отметим его основные геометрические и режимные параметры:

-диаметры патрубков- d_вх = d_вых = 50 … 100 мм;

- объёмы полостей всасывания и нагнетания - V_{п.вс(нг)}= (0.5 … 2.0)∙V_h;

- геометрия ступени: D = 210 мм, S = 80 мм, λ_ш = 0.1212, а = 9.2 %, К_ст= 0.3;

- режим работы: р _вс= 0.1 МПа, р _нг= 0.415 МПа, Т _вс= 306 К, n= 1500 об/мин;

- рабочий вещество: воздух(идеальный газ).

Программа численного эксперимента предусматривала 2 этапа:

1. Выбор оптимального диаметра патрубков из наперед заданного диапазона при постоянном соотношении объёмов цилиндра и примыкающих камер;

2. Обратная задача – при заданном из конструктивных, технологических и прочих соображений диаметре патрубков требуется обосновать объёмы полостей всасывания и нагнетания, при которых обеспечивается, например, максимальная производительность ступени.

В базовом варианте I ступениобъём полостей V_п.вс= V_п.нг= V_hпри диаметре патрубков d_вх = d_вых= 60 мм.Анализируя полученные интегральные (табл. 5.1) и текущие (рис. 5.6) параметры базового варианта ступени, отметим следующее:

1. Базовый вариант ступени не является оптимальным, поскольку текущее давление в полости всасывания в момент прихода поршня в НМТ ниже давления всасывания, вследствие чего коэффициент давления λ_д = 0.9718, т.е. существенно ниже единицы. По этой причине увеличение диаметра патрубков (до 80 мм) и сохранение ψ = 1 сопровождается ростом λ_д → 1, производительности ступени (V_А↑ на 2.2%) и КПД (η_из.инд↑ на 3.1%) при одновременном снижении температуры нагнетаемого газа Т _нг (на 7.8 К) и индикаторной мощности (N_инд↓ на 2.5%).

Таблица5.1

Влияниеd_вх иd_выхнаинтегральныепараметрыIступени транспортного компрессора ПКС-8-101при V_п.вс= V_п.нг= 100% = const

Параметры	d_вх = d_вых,мм

V_А,нм³/мин	2.6941	2.8206	2.8746	2.8829^+2.2%	2.8838
m, кг/час	194.71	203.85	207.75	208.35	208.41
N_инд., кВт	11.215	11.212	11.090	10.933_-2.5%	10.826
N_ном., кВт	9.358	9.648	9.744	9.727	9.704
ΔN_вс., кВт	1.0	0.832	0.709	0.632	0.586
ΔN_н_г.,кВт	0.857	0.733	0.637	0.573	0.536
χ_вс.кл	0.043	0.046	0.048	0.050	0.051
χ_нг.кл	0.042	0.044	0.045	0.046	0.047
∑χ_вс	0.107	0.086	0.073	0.065	0.060
∑χ_нг	0.092	0.076	0.065	0.059	0.055
L_уд,кДж/к г	207.4	198.0	192.2	188.9	187.0
η_из.инд	0.603	0.631	0.651	0.662^+3.1%	0.669
T_нг.ср., К	494.2	486.1	481.2	478.3_{- 7.8}⁰	476.7
T_maxнг.,К	508.0	501.7	498.0	496.0	494.8
р ₁, МПа	0.091	0.097	0.099	0.1	0.1
ρ₁, кг/м³	1.001	1.061	1.086	1.094	1.096
р _1', МПа	0.107	0.110	0.109	0.110	0.110
С _1'	0.9087	0.9075	0.9163	0.9132	0.9103
ρ_1', кг/м³	1.117	1.156	1.162	1.168	1.172
р ₃, МПа	0.419	0.415	0.415	0.415	0.415
ρ₃, кг/м³	3.176	3.185	3.205	3.216	3.223
р _3', МПа	0.358	0.359	0.361	0.361	0.361
С _3'	0.0217	0.0207	0.0198	0.0195	0.0194
ρ_3', кг/м³	2.866	2.902	2.927	2.938	2.945
ρ₃/ ρ₁	3.173	3.002	2.951	2.940	2.941
λ	0.6859	0.7181	0.7319	0.7340	0.7342
λ_д	0.9114	0.9718	0.9925	0.9969	0.9977
λ_т	0.9649	0.9592	0.9609	0.9639	0.9662
λ₀	0.8001	0.8158	0.8203	0.8215	0.8218
∆λ_0.вс	- 0.0243	0.0030	0.0130	0.0186	0.0213
∆λ_0.нг	0.0336	0.0321	0.0299	0.0291	0.0288
Примечание:	Штатный вариант I ступени компрессора

Рис. 5.6. Текущие параметры ступени компрессора

при V_п.вс= V_п.нг= 100% и диаметрах патрубков 50 …. 90 мм

--- d = 50 мм ---d = 60 мм --- d = 70 мм --- d = 80 мм --- d = 90 мм

Рис. 5.7. Интегральные параметры ступени компрессора

при V_п.вс= V_п.нг= 100% и диаметрах патрубков 50 … 90 мм

2. Увеличение диаметра патрубков свыше 80 мм не целесообразно, поскольку приведенные табличные и графические материалы не указывают на дальнейшее улучшение технических параметров ступени.

С учетом сделанных выводов на втором этапе численного эксперимента был выполнен анализ влияния переменного объёма полостей всасывания и нагнетания при фиксированных диаметрах патрубков на эффективность работы ступени. Результаты расчетного анализа, представленные в табл. 5.2, показывают, что при достаточном сечении патрубков увеличение объемов полостей всасывания и нагнетания в 2 и более раз не дает существенного улучшения эффективности работы ступени. Отсюда следует важная практическаярекомендация: при проектировании головок цилиндров основным является обоснование требуемого сечения (круглой или произвольнойформы) патрубков, при котором в момент прихода поршня в НМТ давление в цилиндре р ₁ = р _вс. Найденное сечение патрубков должно быть реализовано в конструкции головки при минимальном объёме полости всасывания ссоблюдением условия V_п.нг≥ V_п.вс.

В базовом варианте головки (см. рис. 5.8,а) увеличение диаметра патрубков свыше 60 мм невозможно. Анализ конструкции элементов компрессорной станции ПКС-8-101 показал возможность увеличения вертикального размера головки I ступени на 100 мм без усложнения газовых коммуникаций.

С учетом данного фактора был предложен модернизированный вариант головка I ступени ПКС-8-101, показанный на рис. 5.8,б в сравнении с базовым вариантом. Полученные данные позволяют утверждать, что внедрение модернизированного варианта головки I ступени позволит повысить производительность компрессора, а также снизить затраты мощности и теплонапряженность компрессора.

Таблица5.2

Влияние d_вх иd_выхи объёма полостей всасывания и нагнетания

на интегральные параметры Iступени ПКС-8-101

Параметры	d_вх = d_вых= 60мм	d_вх = d_вых=80мм
V_вх= V_вых, %

V_А,нм³/мин	2.8434	2.8206	2.7835	2.7387	2.8823	2.8829	2.8836	2.8839
m, кг/час	205.49	203.85	201.16	197.93	208.31	208.35	208.40	208.42
N_инд., кВт	11.365	11.212	11.020	10.812	10.939	10.933	10.924	10.913
N_ном., кВт	9.733	9.648	9.520	9.370	9.727	9.727	9.726	9.723
ΔN_вс., кВт	0.863	0.832	0.805	0.782	0.635	0.632	0.629	0.625
ΔN_н_г.,кВт	0.769	0.733	0.695	0.659	0.577	0.573	0.569	0.565
χ_вс.кл	0.046	0.046	0.046	0.047	0.050
χ_нг.кл	0.044	0.046
∑χ_вс	0.089	0.086	0.085	0.084	0.065	0.065	0.065	0.064
∑χ_нг	0.079	0.076	0.073	0.070	0.059	0.059	0.059	0.058
L_уд,кДж/к г	199.1	198.0	197.2	196.6	189.0	188.9	188.7	188.5
η_из.инд	0.628	0.631	0.634	0.636	0.661	0.662	0.663	0.663
T_нг.ср., К	487.5	486.1	484.2	481.9	478.8	478.3	477.3	475.8
T_maxнг.,К	502.3	501.7	501.3	500.9	496.0	496.0	495.7	495.4
р ₁, МПа	0.098	0.097	0.097	0.096	0.1
ρ₁, кг/м³	1.065	1.061	1.058	1.055	1.094
р _1', МПа	0.109	0.110	0.111	0.112	0.110
С _1'	0.9182	0.9075	0.8897	0.8705	0.9131	0.9132	0.9132	0.9127
ρ_1', кг/м³	1.150	1.156	1.166	1.176	1.168	1.168	1.168	1.169
р ₃, МПа	0.415	0.415	0.415	0.416	0.415
ρ₃, кг/м³	3.183	3.185	3.189	3.196	3.216	3.216	3.218	3.220
р _3', МПа	0.360	0.359	0.360	0.360	0.361
С _3'	0.0205	0.0207	0.0206	0.0203	0.0195
ρ_3', кг/м³	2.902	2.902	2.907		2.939	2.938	2.940	2.942
ρ₃/ ρ₁	2.989	3.002	3.014	3.029	2.940	2.940	2.941	2.943
λ	0.7239	0.7181	0.7087	0.6973	0.7338	0.7340	0.7342	0.7343
λ_д	0.9781	0.9718	0.9663	0.9621	0.9972	0.9969	0.9964	0.9958
λ_т	0.952	0.9592	0.9618	0.9638	0.9637	0.9639	0.9645	0.9651
λ₀	0.8170	0.8158	0.8147	0.8134	0.8215	0.8215	0.8213	0.8212
∆λ_0.вс	0.0011	0.0030	0.0098	0.0198	0.0189	0.0186	0.0183	0.0183
∆λ_0.нг	0.0316	0.0321	0.0319	0.0312	0.0290	0.0291	0.0291	0.0292