Центробежный компрессор теплового насоса

Рассмотрены основные задачи, решённые при конструкторской проработке компрессорной установки для теплового насоса с общей тепловой мощностью 100 МВт.

Тепловой насос [1] мощностью 100 МВт с рабочим агентом СО 2 , разработанный фирмой "ЭКИП", предназначен для обеспечения теплоснабжения г. Санкт-Петербург и повышения энергетической безопасности, стабилизации тарифов на тепловую энергию и улучшения экологической обстановки в городе.

Для повышения давления и температуры СО 2 в тепловом насосе применяется центробежный компрессор. В 2011 году ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа" выполнило эскизный проект центробежной компрессорной установки 5ГЦ2-175/47-145 УХЛ4 с потребляемой мощностью 25,5 МВт.

Компрессор имеет одновальную схему. Сжатие СО 2 осуществляется в четырёх ступенях, расположенных спина к спине по две ступени. Применены масляные подшипники скольжения, сухие газодинамические уплотнения. Компрессорная установка обеспечивает 6 режимов работы по расходу, давлению и температуре.

Как известно, сухие газодинамические уплотнения имеют гарантированную утечку во время работы компрессора, которая недопустима в тепловом насосе, т.к. работа осуществляется по замкнутому циклу. Для исключения утечки СО2 предусмотрена ёмкость, находящаяся под атмосферным давлением. При достижении избыточного давления в ней 2 кгс/см2 малогабаритный поршневой компрессор производит откачку СО2 во всасывающий трубопровод компрессора, в котором давление в зависимости от режима работы составляет 39…57 кгс/см2.

Изменение режима работы связано с летним и зимним периодами и осуществляется изменением частоты вращения ротора компрессора. В связи с большой потребляемой мощностью компрессора – 25,5 МВт, применили гидромуфту фирмы "VoithTurbo", имеющую габаритные размеры меньше частотного преобразователя на идентичную мощность.

Особого внимания заслуживает корпус сжатия компрессора (рис.1), в котором ступени сжатия располагаются спина к спине. В связи с этим в середине корпуса устанавливаются два выходных устройства в виде улитки или сборной камеры.

Течение газа в этих камерах оказывает заметное обратное влияние на структуру потока за рабочим колесом (РК), что связано с отсутствием геометрической симметрии этих устройств относительно оси РК. В результате имеет место неравномерность поля скоростей и давлений по окружности на выходе из РК, наиболее выраженная на нерасчетных режимах работы ступени. Указанная неравномерность является источником радиальной силы, действующей на РК концевой ступени. В ЦК высокого давления при значительной плотности газа радиальные силы могут быть существенными.

Рисунок 1 - Корпус сжатия компрессора.

Рассмотрим самое распространенное выходное устройство – улитку. Традиционная методика проектирования улитки [2, 3] в условиях равномерного в окружном направлении потока газа, выходящего из безлопа-точного диффузора на радиусе r 4 , равномерного статического давления и отсутствия силы трения о стенки, предполагает, что из закона сохранения момента количества движения следует выполнение соотношения

Г4Си4

^ ср ^Си ср    Const,

где: r ср – средний радиус улитки; Cu 4 и Сu ср – окружная составляющая абсолютной скорости на радиусах r 4 и r ср .

Таким образом, если средний радиус улитки задан, то средняя скорость потока газа в улитке определяется величиной окружной составляющей абсолютной скорости на выходе из диффузора.

Радиальная составляющая скорости входит в уравнение неразрывности для окружного направления, которое при малой величине дуги можно записать в виде

dsCf pCudF)ds = p4Cr4br4d9.

Заменив интеграл соответствующим ему произведением р_срС_{и cр}F, используя условие С_и4 = const и учитывая постоянство р _ср в окружном направлении, получим соотношение

-(.L'| = (£tV£aV.i.\ ds \гср/ \Рср/ sCU4/ Vcp/

Если форма улитки выбрана, то расчетные условия при равномерном течении в окружном направлении могут быть достигнуты для единственной величины С_г4/С_и4 Это означает, что при фиксированной приведенной окружной скорости существует единственный приведенный массовый расход, которому соответствуют равномерные параметры течения. На рисунке 2 представлены характеристики компрессора из работы [3]. Улитка спроектирована из условия равномерного статического давления в окружном направлении при повышении давления 2. Распределения статических давлений измерялись при частоте вращения 44000 об/мин.

Рассмотрим рисунок 2. Для точки 1, расположенной вблизи линии равномерного статического давления, измеренные статические давления почти равномерны по окруж- ности (т. е. расчетные условия достигнуты). Точка 2 находится вблизи границы помпажа, и в этом случае радиальная скорость меньше расчетной, а улитка, соответственно, слишком велика. В такой улитке поток газа будет тормозиться в окружном направлении, а давление – возрастать. В точке 3 ситуация обратная – расход потока газа слишком велик для такой маленькой улитки, и поэтому поток газа ускоряется в окружном направлении. Точкам 2 и 3 соответствует большая неравномерность статического давления, причем она больше в сечении на выходе из рабочего колеса, чем в самой улитке.

Рассмотрим выходное устройство в виде сборной кольцевой камеры (КК). Расчет КК сводится к определению площади только в сечении при угловой координате 9 равной 360 ° . В [2] отмечается, что в КК имеют место два противоположных явления – образование обратного и циркулирующего течений газового потока. Отсутствие, в отличие от течения в улитке, режима безударного обтекания языка приводит, возможно, к менее выраженной точке оптимального режима и более пологой характеристике КК. Течение газа в КК носит конфузорный характер при всех режимах работы. Обратное влияние КК на окружную неравномерность параметров наиболее сильно проявляется при повышенных расходах газового потока. С уменьшением расхода круговая неравномерность скорости и давления снижается, при этом качественная картина распределения параметров сохраняется. Таким образом, неравномерность распределения давления за РК будет проявляться на всех режимах работы центробежной ступени.

Наибольший интерес, с точки зрения расчёта радиальных сил, действующих на РК, представляет КК в связи с неопределённостью граничных условий в ней.

По изучению радиальных сил, действующих на РК концевой ступени, в ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б.Шнеппа" была проведена исследовательская работа с использованием программного комплекса для расчёта трёхмерного вязкого потока Flow-Vision.

В работе решались задачи определения поля давлений и скоростей за РК и поля скоростей в КК. В качестве модели исследования выбрана реальная концевая центробежная ступень нагнетателя НЦ-16/1,44 ГПА-16 "Волга". Геометрическая модель, включающая РК, БЛД и КК с патрубком показана на рисунке 3.

Рисунок 2 - Рабочие характеристики компрессора с безлопаточным диффузором и улиткой и распределения в окружном направлении статических давлений.

I – линии максимума кпд; II – линии равномерного в окружном направлении статического давления.

Рисунок 3 - Геометрическая модель с кольцевой камерой.

Построение расчётной модели в программном комплексе FlowVision подробно рассмотрено в [4].

В результате решения трёхмерного вязкого течения в ступени концевого типа с КК на различных режимах работы, опреде- ляемых расходом, получили распределение давления по окружной координате за РК, представленное в безразмерном виде

( P 2 - P 0 ) = f (0)

на рисунке 4. На рисунке 4

приведены также экспериментальные данные, полученные автором для подобной центробежной ступени. Наблюдается качественное соответствие расчётных и экспериментальных данных. Экспериментальная ступень имеет более высокий напор на выходе из РК, чем расчётная ступень. Этим объясняется более высокое безразмерное давление за РК экспериментальных кривых на рисунке 4.

0, град

Рисунок 4 - Графики распределения безразмерного давления по окружной координате 0 за РК. 1, 2, 3 -расчёт по программе FlowVision при минимальном, оптимальном и максимальном расходах, соответственно; ОПА - экспериментальные данные из [5].

Для расчёта и анализа радиальной газовой силы, действующей на РК центробежной компрессорной ступени, использован известный метод расчета [6]. С использованием данных, полученных при решении трёхмерного вязкого течения, рассчитаны радиальные силы при различных значениях расхода (рисунок 5).

Рисунок 5 - Направление действия радиальной силы в центробежной ступени с КК.

R 1 – R 4 – радиальные силы при изменении расхода от минимального к максимальному.

Из рисунка 5 видно, что направление вектора радиальной силы изменяется преимущественно от 270° до 90°. С точки зрения разгрузки подшипников в рассматриваемом рисунке патрубок необходимо развернуть вертикально вверх.