Многоступенчатый осевой компрессор

 

Министерство образования и  науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное  автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования  «Уральский федеральный    университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

 

Уральский энергетический университет

Кафедра «Турбины и двигатели»

 

 

 

Оценка проекта____________

Члены комиссии___________

___________

                                      

 

 

 

 

Многоступенчатый  осевой

компрессор

 

Курсовой проект

 

Пояснительная записка

 

140503.411420.391102.010ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель:                                                                                               

к.т.н.                                                                                                                Седунин В.А.

 

Н. контроль           

ст. преподаватель:          Скороходов А.В.

 

Студент:                                                                                                          Заболотный Д.В.

Группа:                                                                                                            ЭН-391102

 

 

 

 

Екатеринбург 2012

Содержание

 

стр.

Содержание 2

Условные обозначения 3

Исходные данные 4

Перечень листов графических  документов 5

Введение 6

1.Выбор окружной скорости, схемы проточной части. Распределение напора и величины КПД по ступеням компрессора 8

2.Выбор осевой скорости, степени реактивности ступеней, густоты

решеток и удлинения  лопаток в отдельных ступенях 9

3. Предварительный расчет 10

4. Газодинамический расчет  ступеней компрессора по среднему

диаметру 12

5. Расчет закрутки  рабочих лопаток всех ступеней 19

6. Оценка размеров  входного и выходного патрубка 38

7. Определение основных  размеров опорных подшипников  компрессора……………..41

    7.1.Определение  массы ротора 42

    7.2.Расчет опорных подшипников на статическую несущую

способность 43

8. Расчет вала на  кручение 45

Заключение 46

Библиографический список 47

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Условные обозначения

 

а – скорость звука;

b– хорда;

C – скорость в абсолютном движении;

C_р – удельная теплоемкость;

D – диаметр;

F – площадь;

G – массовый расход;

H, h – полная работа, затрачиваемая на компрессор (ступень);

k – показатель адиабаты;

l – высота лопатки;

М – число Маха;

n – частота вращения;

P – давление;

S – осевой зазор;

Т – температура;

W – скорость в относительном движении;

Z – число лопаток, ступеней;

α – угол потока в абсолютном движении;

β – угол потока в относительном  движении;

δ – угол отклонения потока;

λ – приведенная скорость;

η – КПД;

π – степень повышения  давления;

ρ – степень реактивности.

 

Индексы

 

* - по параметрам торможения;

1 – на входе в  рабочее колесо;

2 – на выходе из  рабочего колеса;

3 – на выходе из  ступени;

ад – адиабатический;

к – корневой, параметры  за компрессором;

н – наружный, направляющего  аппарата;

р – рабочей лопатки;

а – осевая;

u – окружная;

i – индекс промежуточной ступени;

z – индекс последней ступени.

Исходные данные

 

       Целью расчета является разработка однокаскадного многоступенчатого осевого компрессора,  рассчитанного на следующие рабочие параметры:

- частота  вращения  ротора n = 6900 об/мин;

- расход рабочего тела (воздуха) G = 68 кг/с;

- полное давление и  температура воздуха перед компрессором

  Р₀^* =101 кПа и T₀^* =278 К;

- степень повышения  давления воздуха в компрессоре p_{к =} 4,3;

- предполагаемый адиабатический  коэффициент полезного действия  по заторможенным параметрам h_к^* = 0,86.

-коэффициент восстановления  давления во входном устройстве h_вх = 0,99.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перечень листов графических документов

 

№	Наименование	Обозначение	Формат
1	Компрессор осевой семиступенчатый	140503.411420.391103.04.01	А1
2	Обойма компрессора  в сборе с облапачиванием	140503.411420.391103.04.02	А1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

         Осевые компрессоры являются  многоступенчатыми лопаточными  машинами сжатия. В каждой ступени воздуху (газу) сообщается энергия в виде скорости и давления, причем кинетическая энергия сразу же преобразуется в энергию давления. От центробежных  компрессоров они отличаются более высокими окружными скоростями и более узким диапазоном  рабочих режимов. Из всех типов компрессоров у осевых  компрессоров при заданном расходе габариты и масса наименьшие при высоком КПД.

           Осевые турбокомпрессоры имеют  существенные преимущества перед поршневыми компрессорами:

           1. сравнительно небольшие размеры  и масса (из-за больших скоростей и непрерывного процесса сжатия);

2. отсутствие возвратно-поступательного движения (только вращение);
3. равномерность подачи газа;
4. малый расход смазочных материалов;
5. меньшее загрязнения газа смазочными материалами;
6. возможность непосредственного соединения приводного двигателя и компрессора и использования в качестве привода быстроходной паровой или газовой турбины.
7. возможность подачи больших расходов газа;
8. высокая производительность

          Существенным недостатком осевого  компрессора является устойчивость работы в ограниченном диапазоне степени повышения давления и производительности. Кроме того к недостаткам можно отнести трудности выполнения осевого компрессора для получения малой производительности, но высокого давления.

          Осевые компрессоры  имеют   обширную область использования. Кроме газотурбинных установок (ГТУ), авиационных и судовых газотурбинных  двигателей (ГТД), они применяются  в качестве дутьевых машин в различных производственных процессах, например, при выплавке чугуна, в производстве слабой азотной кислоты и т.п. В нашей стране наибольшее распространение получили осевые компрессоры в составе газотурбинных перекачивающих агрегатов (ГПА) и в энергетических ГТУ. Рабочим телом для них является воздух.

         На компрессорных станциях российских  газопроводов работает более трех тысяч ГПА с газотурбинным приводом стационарного или транспортного типа. Осевые компрессоры (ОК) являются наиболее крупной составной частью приводных ГТУ  и конвертированных ГТД. применяемых для привода центробежных нагнетателей природного газа (ЦН). Потребляемая осевыми компрессорами мощность приблизительно в два раза превышает мощность для привода ЦН и составляет около двух третей выполняемой турбинной работы суммарно в двух или трех отсеках. Она зависит от отношения давлений в цикле, КПД турбомашин, температуры газа перед турбиной и воздуха перед компрессором. Большая величина мощности, забираемой осевым компрессором, определяет важность достижения и поддержания в эксплуатации высокого КПД ОК, который в первую очередь зависит от совершенства лопаточного аппарата, удельной быстроходности, конструкции статора и ротора компрессора в целом, степени сжатия и др.

 

1. Выбор окружной скорости, схемы проточной части. Распределение напора и величины КПД по ступеням компрессора

 

           По опыту проектирования современных дозвуковых компрессоров принимаем на наружном диаметре окружную скорость U_н = 300 м/с. При этом число Маха на входе в РК не должно превышать 0,85 – 0,9, что предопределяет закрутку потока на входе в РК по вращению.

          Выбор схемы проточной части осуществляют с использованием рекомендуемых значений: втулочного отношения (в первой ступени > 0.5 c увеличением в средних и последних до 0,85 0.9) и расчетной высоты рабочей лопатки на выходе из компрессора по заданным G и p_к^* , которую желательно иметь не менее 25-30мм.

           Средняя величина затраченной работы сжатия в ступени принимается в пределах  = 20-28 кДж/кг. Распределение величин затраченной работы сжатия по ступеням производится в соответствии с рекомендациями:

в первой ступени = (1,05-1,10) ;

в средних ступенях = (0,95-1,0) ;

в последней ступени = (0,6-0,8) .

           Распределение адиабатического КПД по отдельным ступеням для рекомендуемых значений втулочного отношения принимаем:

            в первой ступени  h_ст^* = 0,865

              в средних ступенях h_ст^* = 0,897

в последней ступени h_ст^* = 0,865

            Коэффициент восстановления полного  давления в направляющем аппарате  принимаем h_НА = 0,985.

           При расчете геометрических характеристик  лопаток принимаем поточные и  геометрические углы одинаковыми, пренебрегая в приближенных расчетах углами атаки и отставания.

 

 

2. Выбор осевой скорости, степени реактивности ступеней, густоты решеток и удлинения лопаток в отдельных ступенях

 

            Осевая составляющая скорости  на выходе из последней ступени компрессора принимаем С_az = 130 м/с. Осевая составляющая скорости для первой ступени принимаем l_1a = 0,50. Ограничение осевой  составляющей скорости для первой и средних ступенях для рекомендуемых значений втулочного отношения связано с допустимым значением числа Маха. Поэтому следует осевую составляющую скорости от первой до последней ступени принимать равномерно убывающей.

           Степень  реактивности ступеней на среднем  диаметре :

в первой ступени r @ 0,5;

в последней ступени r = 0,7.

Окончательное значение реактивности принимается после  расчета закрутки.

           Выбор удлинения рабочих и  направляющих лопаток влияет  на осевой габарит проточной части компрессора: с уменьшением (l/b) растет ширина лопаток и длина компрессора, с увеличением (l/b) - длина компрессора уменьшается. Но при этом растут напряжения изгиба от воздействия потока, что снижает надежность, учитывая подверженность лопаток вибрации. Поэтому удлинения лопаток РК в аэродинамически высоконагруженных ступенях принимают:

в первой ступени (l/b) 1.5;

в средних ступенях (l/b) 1,4 – 1,2;

в последней ступени (l/b) 1,0.

            Для осевых зазоров принимаем  пределы S₁ = S₂ = (0,15 – 0,25)b, радиальных зазоров d_н = d_р = (0,01- 0,02)l. Причем меньшие относительные значения  d_р принимается для первых ступеней.

 

 

 

3. Предварительный расчет

 

Полное давление на входе  в компрессор:

р₁^* = р₀^*×h_вх =101·0,99 =99,99кПа.

Адиабатическая работа сжатия, затрачиваемая в компрессоре:                                          Н_ад^* = [k/(k-1)]RT₀^*(p_к^{* [(k-1)/k]} – 1) [1,.4/(1,4 -1)]×0,287×278×(4,3 ^{[(1.4 - 1)/1.4]} - 1 ) =                         = 144,4 кДж/кг

Полная работа сжатия, затрачиваемая  в компрессоре:

Н_к =  Н_ад^*/ h_к^* = 144,4/0,87= 167,88 кДж/кг.

Примем число ступеней компрессора  равным 7.

Тогда =Н_к/z=167,9/7=23,98кДж/кг

в первой ступени = (1,05-1,10) = 1,1·23,98=27,58кДж/кг;

в средних ступенях = (0,95-1,10) = 1,0∙23,98=23,98кДж/кг;

в последней ступени  = (0,6-0,8) = 0,8∙23,98=20,39 кДж/кг;

Распределение полной работы сжатия, затрачиваемой в компрессоре  по ступеням:

Н_к = h_ст1 + h_ст2 + h_ст3 + h_ст4+ h_ст5 + h_ст6+ h_ст7 = 27,58+23,98+23,98+23,98+23,98+23,98+20,39=167,88

Соотношение между степенями  повышения давления в отдельных  ступенях:

p_к^* = p_к1^* × p_к2^* × p_к3^* ×p_к3^* ×p_к5^* ×p_к6^*×p_к7^*  =1,33×1,27×1,25×1,23×1,21×1,20×1,15 = 4,3

 

 

 

Осевая составляющая скорости на входе в РК первой ступени:

с_а1 = l _а1 × a₁⁼0,50∙305,12 = 152,56 м/с.

где для воздуха а₁^* = 18,3 =  18,3 = 305,12 м/с.

Полная температура воздуха за компрессором:

Т_к^* = Т₀^* + Н_к/c_р = + 167,88/1,0045 = 445,13 К.

Полное давление воздуха  за компрессором:

р_к^* = р₁^* × p_к^* = 99,99× 4,3 = 429,96 кПа.

 

 

Проходная площадь на выходе из последней ступени компрессора (приближённо):