Методы изготовления и типы рабочих колес центробежных компрессоров
 Скачать 3.32 Mb.
|
|
Оглавление Сокращения ................................................................................................................................ 2 1. Анализ информации. Постановка задач исследования. ..................................................... 4 1.1 Общие сведения о центробежных нагнетателях природного газа .................................. 5 1.2 Типы нагнетателей и требования к ним ............................................................................ 7 1.3 Устройство ступени центробежного нагнетателя ............................................................ 9 1.4 Колесо центробежного компрессора. ......................................................................... 10 1.4.1 Методы изготовления и типы рабочих колес центробежных компрессоров .. 10 1.4.2 Роль дефектов сварки в прочности рабочего колеса ......................................... 18 1.5 Общая характеристика ГПА с нагнетателем Н-370-18 и конструкция нагнетателя природного газа ........................................................................................................................ 23 1.5.1 Конструкция нагнетателя ..................................................................................... 25 1.5.2 Ходовая часть ......................................................................................................... 28 1.5.3 Основные технические данные ГТК-10-4. .............................................................. 29 1.6 Причины разрушения рабочих колес ЦК. .................................................................. 31 1.6.1 Образование трещин ............................................................................................. 32 1.6.2 Концепции причин разрушения ........................................................................... 33 1.7 Постановка задач расчетной части .............................................................................. 37 2 Создание модели диска ........................................................................................................ 38 2. Задание расчетной модели .................................................................................................. 40 2.1 Разбиение на конечные элементы .................................................................................... 40 2.2 Граничные условия ............................................................................................................ 42 2.3 Результаты расчета ............................................................................................................ 44 2.4 Построение модели рабочего колеса с вырезами ........................................................... 50 2.5 Модальный расчет ............................................................................................................. 55 2.6 Сравнение собственных частот дисков ........................................................................... 59 2.7 Построение диаграммы Кэмпблелла. ........................................................................... 61 2.8 Анализ полученных результатов и заключение .......................................................... 63 Список литературы ...................................................................................................................... 66 Сокращения ГПА – газоперекачивающий агрегат; ГТУ – газотурбинная установка; СЛ – сопловая лопатка; РЛ – рабочая лопатка; НА – направляющий аппарат; ОК – осевой компрессор; ТВД – турбина высокого давления; ТНД – турбина низкого давления; ДВС – двигатель внутреннего сгорание ЦБН – центробежный нагнетатель ЦНПГ- центробежный нагнетатель природного газа НПГ-нагнетатель природного газа РК- рабочее колесо ЦК-центробежный компрессор ПЧ-проточная часть КС-компрессорная станция МГ-магистральный газопровод Введение Актуальность темы исследования. Центробежные компрессоры – оборудование для повышения давления и транспортировки газа. Традиционные области их использования – металлургия, химическая промышленность, энергетика (компрессоры газотурбинных установок, наддув ДВС, паровых котлов), нефтегазовая промышленность, холодильная техника, кондиционирование и вентиляция Они применяются для транспортировки газа по трубопроводам, закачки газа в подземные хранилища, для решения ряда технологических задач. Эти центробежные компрессоры обычно именуют центробежными нагнетателями – сокращенно ЦБН Масштабность использования ЦБН в газовой промышленности подчеркивается тем фактом, что только на предприятиях ОАО “Газпром” [2] используется сейчас более 4100 из этих машин. Основу парка ЦБН Газпрома составляют машины производства России и Украины (западные и японские производители поставили около 7 % машин). По данным [1,3] многие из ЦБН находятся в эксплуатации более 30 лет, около 60 % машин имеют наработку от 50 до 190 тысяч часов и устарели физически и морально. Программа строительства новых трубопроводов большой протяженности требует ежегодного роста установленных мощностей ЦБН порядка 600000 кВт ближайшие два десятилетия. Поэтому анализ их прочности и трещиностойкости в эксплуатации, влияющих на ресурсные показатели данного оборудования, относится к актуальным задачам газовой отрасли. В диссертации исследуются причины повреждения и разрушения колес центробежных компрессоров. 1. Анализ информации. Постановка задач исследования. В данной работе рассматриваются вопросы проектирования и технологии изготовления крупногабаритного сварного рабочего колеса и стали с пределом текучести 800-900 МПа. Объектом исследования является рабочее колесо центробежного нагнетателя Н-370-18, в котором были обнаружены дефекты рабочего колеса после непродолжительной эксплуатации. Цель данной работы: определение возможных причин разрушения рабочего колеса, и рассмотрение эффективности обрезания рабочего колеса «оромашивания». Для объяснения причин повреждения рабочего колеса ЦБН необходимо: 1. Изучение конструкции центробежных нагнетателей, характеристик ступени нагнетателя, конструкции рабочего колеса 2. Анализ возможных причин разрушения 3. Изучение конструкции рабочего колеса в форме «ромашки» В расчетной части необходимо провести: 4. Построение модели рабочего колеса в программном комплексе ANSYS 5. Комплекс численных исследований прочностных характеристик колеса 6. Модальный анализ (определение собственных частот и форм колебаний) на примере рабочего колеса ЦБН-370-18 и колеса с вырезами в форме ромашки 7. Построить диаграмму Кэмпблелла для измененного колеса 1.1 Общие сведения о центробежных нагнетателях природного газа Нагнетателями природного газа обычно называют лопаточные компрессорные машины, создающие отношение давлений к >1,1 и не имеющие устройств для охлаждения рабочего тела при сжатии. Из-за того, что осевые машины требуют более высокой частоты вращения и имеют большую чувствительность к загрязнениям рабочего тела. Для компримирования природного газа на линейных компрессорных станциях их не применяют. Нагнетатели, приводимые ГТУ или электродвигателями, встречаются только в центробежном исполнении. Центробежные нагнетатели природного газа (газовые компрессоры) являются основной рабочей машиной компрессорных станций газопроводов. В большинстве случаев они выполняются одно- или двухступенчатыми и представляют собой стационарные турбомашины сравнительно большой массы. Главными составными частями ступени центробежного нагнетателя (ЦН) являются рабочее колесо и диффузор. [6] Рисунок. 1.1. Схема лопаточной решетки с треугольниками скоростей При вращении рабочего колеса на входе его создается разрежение. Поступающий в межлопаточное пространство газ под действием центробежных сил движется в плавно изогнутых каналах рабочего колеса. Поток в ступени ЦН пространственный. Абсолютную скорость движения газа с рассматривают относительно статора компрессора. Ее можно представить как геометрическую сумму трех составляющих: осевой с а , радиальной с r и окружной с и . Скорость движения частиц газа относительно элементов рабочего колеса нагнетателя называют относительной и обозначают (w). Ее также можно разложить на составляющие. Скорость движения элементов рабочего колеса (и) является переносной. Для ЦН, как и для других турбомашин, справедливо уравнение неразрывности в виде G = сF, а для радиальной части в виде V= Dв c r , где V - объемный расход, D и в - соответственно диаметр и ширина канала, - коэффициент стеснения сечения лопатками. Отношение расходной составляющей скорости к окружной скорости называют коэффициентом расхода . Для радиальной части рабочего колеса =c r /u, для выхода 2r =c 2r /u 2 Вторым уравнением, характерным для турбомашин, является уравнение движения (уравнение Эйлера). Применительно к единице массы рабочего тела, прошедшей через рабочее колесо ЦН, его используют в виде H ад = u 2 c 2u - u 1 c 1u , где c 2u , c 1u - проекции абсолютной скорости на окружное направление. Это уравнение не учитывает трения и сжимаемости газа и получено при бесконечно большом числе лопаток. Отношение доли энергии в ступени, превращенной в потенциальную энергию давления, ко всей энергии, сообщенной потоку в рабочем колесе, называют степенью реактивности. В ЦНПГ применяют ступени только со значительной реактивностью, т.е. такие, в которых энергия давления превышает энергию скорости. 1.2 Типы нагнетателей и требования к ним При н =1,2…1,35 нагнетатели природного газа (НПГ) выполняют преимущественно одноступенчатыми, при н =1,35…1,7 - двухступенчатыми, а при большей степени сжатия необходимо уже три или даже четыре ступени. На линейных КС, расположенных по трассе магистрального газопровода, обычно достаточна степень повышения давления н =1,35…1,45. Большей частью для обеспечения такого напора применяют последовательное соединение двух одноступенчатых нагнетателей или параллельное соединение двухступенчатых нагнетателей. Большинство поставляемых на КС в настоящее время НПГ имеет две ступени. При неполной производительности газопровода предпочтительно держать на выходе из КС расчетное давление, т.е. максимально допустимое по условиям прочности трубы, так как при этом объемный расход газа по трубопроводу минимален, следовательно, минимальны энергетические затраты на транспортировку заданного количества газа. Стандартными давлениями для отечественных газопроводов являются 7,5 МПа и 5,5 МПа.[20] Требования, предъявляемые к нагнетателям. Разрабатывая новые нагнетатели, конструкторы обычно руководствуются следующими требованиями: 1. Необходимость обеспечения высокой надежности при любых возможных режимах эксплуатации. 2. Необходимость в получении максимальной экономичности, которая определяется целесообразными затратами на ее обеспечение, 3. Производственная, транспортная, монтажная, эксплуатационная технологичность. Под технологичностью здесь понимается минимизация трудовых и материальных затрат соответственно на изготовление, транспортировку, монтаж, эксплуатацию и ремонт в конкретных предусмотренным заказом условиях выполнения этих операций 4. Приспособленность конструкции к разнообразию условий применения и переменному режиму работы газопровода. Связанно с заданными способами регулирования и со схемой включения нагнетателей (параллельное или последовательное) При проектировании ЦБН, его масса, так как узел стационарный, жестко не ограничивается. Одним из наиболее важных параметров при разработке ЦН- расчетная частота вращения. Для силовой турбины ГТУ предпочтительна умеренная частота вращения, так как ее Объёмный расход существенно больше чем у нагнетателя. И повышение расчетных оборотов ведет к росту потерь с выходной скоростью, но стоит отметить что повышение частоты вращения нагнетателя весьма благоприятно сказывается на его габаритах, но кроме того, ухудшает условия для выполнения привода, усложняет задачу создания упорного подшипника нагнетателя и повышает чувствительность конструкции к точной балансировке ротора. Анализ рабочего процесса показывает, что совокупность перечисленных величин определяет газодинамические свойства ступени. В частности, речь идет о достижимом уровне КПД при наиболее благоприятных условиях. Применительно к центробежным ступеням удобно пользоваться так называемым безразмерным числом оборотов [5]. Хороший ориентир при выборе оборотов - использование понятия коэффициента быстроходности ступени K n или безразмерного числа оборотов K n = Фр 𝟎.𝟓 𝝍 𝟎.𝟕𝟓 Где Ψ-Коэффициент теоретического напора, Фр- условный коэффициент расхода 1.3 Устройство ступени центробежного нагнетателя Ступень ЦН может быть либо промежуточной, либо концевой. В одноступенчатом нагнетателе –только концевая ступень, в двухступенчатом первая- промежуточная, вторая-концевая. Проточная часть ЦБН показанная на рисунке (1.2) состоит из входного патрубка (1), рабочего колеса (2), диффузора (3) и выходных патрубков (4). Основной элемент ступени – вращающееся рабочее колесо, передающее газу мощность двигателя. Неподвижные, не вращающиеся элементы проточной части нужны для эффективной организации рабочего процесса. [1] Рисунок 1.2. Проточная часть ЦБН Газ поступает через входной патрубок в каналы, образованные лопатками рабочего колеса, при вращении колеса, газ под действием центробежных сил выбрасывается в диффузор, где сжимается до необходимой величины, т.е. сжатие осуществляется вследствие торможения потока газа. [1] 1.4 Колесо центробежного компрессора. Колесо центробежного компрессора состоит из приемной части - вращающегося направляющегося аппарата (ВНА) и собственно рабочего колеса. ВНА выполняется заодно с рабочим колесом. Число лопаток ВНА в связи с желанием уменьшить загромождение потока на входе в компрессор часто делается в два раза меньше по сравнению с рабочим колесом.[3] Задача входного устройства – направить поток газа к рабочему колесу с минимальными гидравлическими потерями и максимальной равномерностью по величине и направлению скорости. Неравномерность потока газа на входе в рабочее колесо, особенно в окружном направлении, при работе с большими расходами приводят к падению напора и КПД а при работе с малыми расходами приближает границу неустойчивых режимов работы. [5] Рабочие колеса в центробежных компрессорах могут быть трех типов: 1.4.1 Методы изготовления и типы рабочих колес центробежных компрессоров 1. Колеса закрытого типа представляют собой монолитный диск с выполненными в его полости криволинейными каналами. Такие колеса имеют наиболее высокие КПД ввиду незначительных потерь на трение воздуха. Однако они сложны в изготовлении и значения окружных скоростей, допускаемых по условию прочности, меньше, чем у других типов. Рабочие колеса закрытого типа с загнутыми назад лопатками (в сторону, обратную направлению вращения) наиболее распространены в стационарном компрессоростроении, так как они обеспечивают наиболее высокий КПД, практически все НПГ имеют закрытые рабочие колеса. 2. Колеса открытого типа состоят из втулки и прямых радиальных лопаток. Такие колеса имеют низкий КПД и практически не применяются. Колеса открытого типа не имеют ограничивающих вращающихся поверхностей по бокам лопаток, их вообще применяют редко, в так называемых диагональных ступенях при небольшой высоте лопаток. 3. Колеса полуоткрытого типа имеют одну торцевую стенку с расположенными на ней лопатками. Эти колеса получили широкое применение. Они имеют относительно высокий КПД, просты в изготовлении и обладают достаточной прочностью. Колеса полуоткрытого типа обычно используют в осерадиальных ступенях с радиально оканчивающимися лопатками, составляющими одно целое с основным диском. [4] Рисунок. 1.3. - Типы рабочих колес: 1) Открытый тип; 2) Полуоткрытый тип; 3) Закрытый тип 4) Двустороннее. По форме лопаток различают рабочие колеса с лопатками: • загнутыми вперед; • радиальными; • загнутыми назад. Рисунок. 1.4. - Типы рабочих колес: а) Открытый тип; б) Полуоткрытый тип; в) Закрытый тип. Из треугольников скоростей потока на выходе из колеса видно, что скорость в колесе с лопатками, загнутыми вперед наибольшая. Поэтому степень повышения давления и энергия, передаваемая воздуху, в таких колесах будут наибольшими. Однако преобразование кинетической энергии в потенциальную энергию давления сопровождается повышенными потерями, что снижает КПД компрессора. Кроме того, такие колеса обладают малой прочностью и поэтому могут применяться лишь при малых окружных скоростях. Характеристики компрессора при этом крутые и они имеют повышенную склонность к неустойчивой работе. При увеличении производительности мощность на привод компрессора существенно возрастает. Рабочие колеса с радиальными лопатками имеют самое широкое применение в центробежных компрессорах. Из-за отсутствия изгибающих усилий они могут работать при очень высоких окружных скоростях до 550 м/с, что позволяет достичь высоких значений и даже выше. КПД компрессоров с такими колесами несколько выше, чем с лопатками, загнутыми вперед. Рабочие колёса с лопатками, загнутыми назад, имеют наиболее высокие КПД η k . Они нашли преимущественное применение в стационарных компрессорах [4]. В современных ЦБН применяются традиционные рабочие колеса с непространственными лопатками и осерадиальные рабочие колеса с лопатками пространственной формы. Типичный вид лопаточных аппаратов обоих типов колес показан на рисунке 1.5. Рисунок. 1.5. Виды рабочих колес Традиционные радиальные колеса с непространственными лопатками применяются в промышленных центробежных компрессорах с момента их появления в конце 19-го века. Их отличает простота технологии изготовления и минимально возможные осевые размеры. Высокая эффективность ступеней с такими колесами при умеренных Фр объясняет «живучесть» этой традиционной конструкции. [2] Осерадиальные колеса с пространственными лопатками безусловно необходимы для высокорасходных ступеней. Лопатки таких ступеней при непространственной форме не могут обеспечить хорошие условия обтекания потоком, величина и направление скорости которого сильно изменяются по высоте лопаток. Методы изготовления рабочих колес В отечественном компрессоростроении, с учетом повышенных требований не только к статической прочности колеса, но и к способности его противостоять динамическим явлениям в потоке, а также сохранять эрозионную стойкость при наличии в перекачиваемом газе частиц пыли и капель жидкостей, наиболее распространены конструкции радиальных рабочих колес. Наибольшее распространение получили два конструктивных типа рабочего колеса: 1. Межлопаточные каналы фрезеруются в теле основного диска. Покрывающий диск крепится с помощью заклепок, пайки или сварки к лопаткам, составляющим единое целое с основным диском. Рисунок. 1.6. – Фрезерование межлопаточного канала. 2. Рабочие лопатки приварены к основному и покрывающему дискам с помощью аргонно-дуговой, термодиффузионной или электронно- лучевой сварки. Рисунок. 1.7. – Диск после сварки Клепаные колеса |