Расчет проточной части многовального центробежного компрессора

ВВЕДЕНИЕ
Многовальный центробежный компрессор (МЦК) представляет собой конструкцию, в которой объединены повышающая зубчатая передача (мультипликатор) и рабочие ступени компрессора в единое целое. Они играют ключевую роль в современных промышленных процессах, обеспечивая эффективное сжатие газов для различных приложений, таких как нефтегазовая промышленность, химическое производство и энергетика.
С учетом глобальных тенденций к снижению углеродных выбросов и оптимизации энергозатрат, проектирование и расчет проточной части многовального центробежного компрессора становятся особенно важными задачами. Эффективное использование ресурсов и минимизация потерь энергии в процессе сжатия газа напрямую влияют на экономическую целесообразность и экологическую безопасность производственных процессов.
Целью данной работы является расчет проточной части многовального центробежного компрессора.
В данном расчете выбрана схема компрессора с промежуточным охлаждением. Промежуточное охлаждение компрессора рассчитывают при достаточно больших отношениях конечного и начального давления (>2,5-4), когда целесообразно применять охлаждение. Расчет количества секций сводится к определению степеней повышения давления по секциям при разном числе охлаждений и к определению экономии в работе компрессора от применения охлаждения.
В работе выбирается схема проточной части и основные параметры ступеней каждой секции компрессора.
Актуальность исследования проточной части таких компрессоров обусловлена необходимостью повышения их эффективности, надежности и долговечности в условиях постоянно растущих требований к производительности и экономичности оборудования. Современные технологии и материалы открывают новые возможности для оптимизации конструкции компрессоров, что требует глубокого анализа и расчетов, направленных на улучшение их аэродинамических характеристик. В связи с этим, исследование проточной части многовального центробежного компрессора представляет собой актуальную и значимую задачу, способствующую развитию технологий сжатия газов и повышению конкурентоспособности промышленных предприятий.



КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ КОМПРЕССОРА
Многовальный центробежный компрессор (МЦК) — это сложное механическое устройство, предназначенное для сжатия газов с использованием центробежной силы. Он состоит из нескольких валов, на которых расположены рабочие ступени, что позволяет значительно увеличить эффективность сжатия и производительность по сравнению с одновальными компрессорами.

Рисунок 1 – Пример установок МЦК
МЦК отличаются высоким уровнем эффективности и широкой зоной рабочих характеристик за счет следующих параметров:
Свобода выбора количества изготавливаемых ступеней с использованием колес оптимальной аэродинамической формы;
Оптимальные скорости для каждого рабочего колеса или группы колес в зависимости от выбора диаметров шестерен ведомых валов;
Однородный осевой вход на всех ступенях;
Возможность охлаждения газа после каждой ступени, т.е. приближения к идеальному изотермическому процессу сжатия с минимумом расхода энергии
Мультипликаторная схема компрессора обеспечивает:
Высокий КПД;
Компактность установки и минимальные затраты на монтаж;
Широкий диапазон регулирования производительности (от 30% до 110%)

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Объёмная производительность при н.у.: ;
Давление всасывания (абсолютное): ;
Конечное давление (абсолютное): ;
Начальная температура: ;
Относительная влажность воздуха: ;
Относительный диаметр втулки 1-й и 2-й ступени: ;
Число ступеней: ;
Политропный КПД: ;
Число оборотов: :
Недоохлаждение газа на входе в последующие ступени: 11
Атмосферное давление: ;
Рабочее тело: воздух;



1. Газодинамический расчет
Приводимый ниже газодинамический расчет проточной части центробежного компрессора базируется на следующих допущениях:
рабочий газ является совершенным, т.е. подчиняется термическому и калорическому уравнениям состояния, при этом
изобарная теплоемкость считается постоянной в течение всего процесса сжатия в проточной части и находится как среднеинтегральная величина в интервале изменения температур газа;
параметры газа (Р, Т, С, W) определяются только в контрольных сечениях проточной части;
параметры газа (Р, Т, С, W) считаются осредненными в пределах данного контрольного сечения, все остальные термогазодинамические и энергетические параметры определяются через осредненные значения этих параметров;
расчет ведется только для одного расчетного режима, соответствующего максимальному КПД;
не учитывается теплообмен между корпусом компрессора и внешней средой, а также между ступенями компрессора.

1.1 Определение термодинамических параметров сжимаемого газа
Для определения термодинамических свойств рабочей среды воспользуемся рекомендациями ВНИИГАЗа.
Определим начальную температуру компрессора, на срезе всасывающего патрубка исходя из соотношения полной температуры в начальном сечении компрессора:
(1)

где: – скорость газ на срезе входного патрубка для стационарных машин согласно рекомендациям [1] примем равным ,
– удельная теплоемкость рабочего тела, для воздуха примем равным
Теперь определим начальное давление воздуха на срезе всасывающего патрубка из соотношения:
(2)

где – показатель адиабаты, .
Если в центробежном компрессоре сжимается влажный газ, т.е. смесь сухого газа и водяного пара, то для расчета газовой постоянной необходимо знать величину относительной влажности газа при начальных условиях.
Определим величину влагосодержания (кг водяных паров/кг сухого газа):
(3)

где: и - газовые постоянные сухого газа и водяного пара, примем
– давление насыщенного водяного пара, примем согласно [1],