Проект осевого компрессора для сжатия природного газа на магистральной газоперекачивающей станции с приводом от электродвигателя и одни

 

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Кафедра «Энергообеспечение предприятий и теплотехника»        

                      УТВЕРЖДАЮ

 

                                                                             Зав. Кафедрой                  Н.П. Жуков

                                                                                                             подпись,  инициалы,   фамилия

 

                                                                                                      «        »                                     20     г.

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовому проекту по                  “Тепловые двигатели и нагнетатели”

                                                                                                                        наименование учебной дисциплины

 

 

на тему:     Проект осевого компрессора для сжатия природного газа на магистральной газоперекачивающей станции с приводом от электродвигателя и одним промежуточным охлаждением между ступенями

 

Автор проекта                                             В.С. Зверков          Группа      CЭП-41з 

                                                подпись,            дата,                   инициалы,    фамилия

 

Специальность              140106    Энергообеспечение предприятий

                                                                номер, наименование

 

Обозначение курсового проекта           

 

Руководитель проекта                                                                 В.И. Ляшков

                                 подпись, дата            инициалы, фамилия

 

Проект защищен             Оценка

 

Члены комиссии                                                                           В.И. Ляшков

                                                                                    подпись, дата              инициалы, фамилия

 

 

          

подпись, дата                                    инициалы, фамилия

 

                 

подпись, дата                                    инициалы, фамилия

 

 

Нормоконтролер В.И. Ляшков 

подпись, дата                                    инициалы, фамилия

 

Тамбов 2014 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………..………......……….….2

1 Описание конструктивных особенностей компрессора, назначения и особенности отдельных деталей и узлов……………………………...…....…...4

2 Термодинамический и газодинамический расчет компрессора….…..……..9

2.1 Определение числа ступеней компрессора……………………....…………9

2.2 Определение  параметров характерных точек  цикла…………..…….……10

2.3 Расчет  термодинамических процессов……………………..……..……….14

2.4 Расчет  основных размеров и характеристик  компрессора………..…..…..18

2.5 Скоростные  характеристики компрессора…………………..….…………21

3 Расчет на прочность отдельных деталей компрессора……………..…..…...22

3.1 Расчет на прочность лопатки…………..……………………...………...….22

3.2 Расчет вала на прочность…………………..…………….………………....26

4 Описание  устройства и особенностей его работы, заданного  в индивидуальном задании.……………….…………………..………………… 28

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………...……………………..…30

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...……..………………..….31

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Компрессором называют машину, предназначенную для сжатия раз-личных газов. Все компрессоры в зависимости от конструктивного оформления и принципа работы могут быть разделены на две группы: поршневые и турбинные (центробежные, осевые). Несмотря на различие принципов сжатия газа в компрессорах и их конструктивных отличий, термодинамика процессов сжатия в них одинакова для любых типов машин. Процессы в компрессорах описываются одними и теми же уравнениями. 

Компрессорная техника одна из наиболее динамично развивающихся, несмотря на почтенный возраст. Традиционные области их использования: пневматика, металлургия, химия, энергетика, холодильная техника, вентиляция и кондиционирование. В зависимости от области применения существенно различаются рабочие характеристики и конструкция компрессор. Производство турбокомпрессоров в развитых странах растет на 8-10% ежегодно.

Сейчас роль турбокомпрессоров особенно велика в добыче, транспортировке и переработке углеводородного топлива, что особенно важно для нашей страны.  Газовая промышленность в России является одним из наиболее важных областей применения одного из двух видов турбокомпрессоров – осевого компрессора.

Осевые компрессоры находят применение там, где требуются большие подачи газа при сравнительно небольшом конечном его давлении. Широкое распространение осевые компрессоры находят в газотурбинных установках.

По сравнению с центробежными осевые компрессоры имеют два важных преимущества: высокие КПД до 90% (и выше) на расчетных режимах работы, большие подачи до 500000 м3/ч и более при малых поперечных размерах. Но в некоторых случаях они уступают центробежным машинам. Так, осевые компрессоры вследствие низконапорности его ступеней, при большом их числе, имеют большую длину. Они более сложны в конструктивном оформлении, а, следовательно, дороже в изготовлении и менее надежны в эксплуатации. Рабочие характеристики осевых компрессоров таковы, что на нерасчетных режимах работы резко снижается КПД

Турбокомпрессоры потребляют очень большое  количество энергии. Например, перекачивая огромное количество газа компрессоры  в системе ОАО “Газпром” требуют для их привода топлива на 3,5 млрд. долларов в год.  Прямой путь снижения этих издержек повышение КПД компрессоров, который определяется техническим уровнем газодинамического проекта, то есть выбором оптимальной проточной части.

 

1. Описание конструктивных особенностей компрессора, назначения и особенности отдельных деталей и узлов

 

Осевые компрессоры по принципу работы аналогичны осевым насосам и вентиляторам. Основное отличие компрессоров связаны с применением существенно больших окружных скоростей и большего числа степенней.

Принципиальная схема осевого компрессора приведена на рис. 1.1.

Рис.1.1 - Осевой компрессор

 

Основными частями компрессора являються ротор 1 с рабочими лопастями 2 и корпус 3,  к которому крепятся направляющие лопасти 4 и 5 и который имеет патрубки для входа 6 и выхода 7 газа. Газ с параметрами pн, Тн и cн поступает во входной патрубок 6, от куда во входной направляющий аппарат, а затем проходит последовательно ступени компрессора. Из последней ступени газ попадает в диффузор 8 и далее в напорный (выходной) патрубок 7.

Корпус - служит для разъединения рабочей полости от окружающий среды и выполнения функции несущей конструкции.

Ротор - предназначен для закрепления рабочих лопаток, с помощью которых газу передается энергия двигателя. Существует несколько конструктивных разновидностей роторов: барабанного типа, цельнокованый или полый запресованными кольцами вала; дисковый ротор и роторы смешеной (комбинированой) конструкции, у каторых соединение друг с другом ободы образують или полки дисков образують барабан, каждый из перечисленых типов роторов имеет свои достоинства и недостатки.

Рабочий венец - представляет собой  круговой ряд лопаток закрепленных в роторе. Независимо от типа ротора рабочий венец часто называють рабочим колессом. В каждом рабочем колесе газу сообщается механическая энергия двигателя и происходит ее частичное преобразование в потенциальную энергию давления.

Направляющий венец - неподвижный направляющий аппара, представляющий собой один круговой неподвижный ряд лопаток, закрепленых в пазах корпуса или специальных обоймах. В многоступенчатых машинах направляющие венцы,  расположеные между двумя смежными рабочими венцами, называются промежуточными направляющими аппаратами. В промежуточном  направляющем аппарате заканчивается преобразование кинетической энергии, сообщенной газу в рабочем колесе, в  потенциальную энергию давления. Для этого межлопаточные каналы промежуточных направляющих аппаратов, как у рабочего колеса, выполняют диффузорными. Лопатки промежуточного направляющего аппарата служат для обеспечения заданных условий входа потока на следующие рабочие колеса.

Совокупность рабочего колеса и расположеного за ним  промежуточного направляющего аппарата называется ступенью осевого компрессора. Совокупность всех ступеней  называют проточной частью.

Схема ступени осевого компрессора представлена на рис.1.2

                                 

Рис. 1.2 – Схема ступени осевого компрессора

1-рабочие лопасти; 2-направляющие лопасти; 3-ротор; 4- корпус;

 

Входной направляющий аппарат - неподвижный круговой лопаточный венец, устанавливаемый в корпусе на входе в рабочее колесо первой ступени. Он предназначен для  обеспечения заданых условий подвода потока в первое рабочее колесо.  Входной направляющий аппарат в компрессоре единственный венец, имеющий конфузорные межлопаточные каналы. Для регулирования производительности компрессора и расширения его диапазона устойчивой работы входного направляющего аппарата, иногда его делают с поворотными лопатками.

Спрямляющий аппарат неподвижный - круговой лопаточный венец, расположенный за промежуточным направляющим аппратам и в некоторых случаях за рабочем колесом последней ступени. Спрямляющий аппарат предназначен для ликвидации остаточной закрутки за последней ступенью, то есть для создания осевого направления потока перед входом в концевой диффузор. Установка спремляющего аппарата вызывается необходимостью снижения  гидравлических потерь в диффузоре  и выходном патрубке. Иногда при большой остаточной закрутке за последней ступенью для предотвращения отрывов потока  в каналах спрямляющего аппарата  приходиться устанавливать два последовательно спрямляющих венца, разделяя общий большой угол поворота потока в канале спрямляющего аппарата  на два меньших.

Совокупность всех лопаточных венцов, включая входной направляющий аппарат и спрямляющий аппарат, будем называть лопаточным аппаратом осевого компрессора.

В компрессорах, где используются ступени с осевым входом и выходом потока, венцы входного направляющего аппарата спрямляющего аппарата могут отсуствовать.

Входной кольцевой конффузор - предназначен для увеличения скорости потока и обеспечения равномерности течения на входе в лопаточный аппарат.

Входной патрубок - состоит из входной камеры и конфузора и служит распределителем всасываемого газа для равномерного питания лопаточного аппарата. Применяется в случае, когда воздухозаборная  шахта удалена от компрессора и соединена с ним трубопроводом или когда в компрессор всасывается газ при давлении выше атмосферного.

У осевых компрессоров, работающих по прямоточной схеме, входная камера отсутствует.

Выходной кольцевой диффузор - служит для частичного преобразования в давление кинетической энергии потока, выходящего и спремляющего аппарата. Этот элемент компрессора также является промежуточным каналом между лопаточным аппаратом и сборной камерой.

Скорость  в диффузоре снижается до значения , обеспечивающего движение воздуха в сборной камере и последующих комуникациях с приемлемым уровнем потерь энергии.

В компрессорах, сконструированных по прямоточной схеме спрямляющий аппарат располагается в кольцевом диффузоре.

Выходной патрубок состоит из сборной камеры и диффузора и предназначен для сбора газа, сжатого в лопаточном аппарате и направления его в сеть

Уплотнения предназначены для уменьшения протечек между вращающимися и неподвижными элементами машинами.

  Профиль проточной  части может быть выполнен  с постоянным наружным диаметром. В первом случае упрощается  конструкция корпуса, увеличивается  напор последних ступеней, сокращается длина компрессора. Во втором случае упрощается конструкция ротора. Компрессор будет иметь меньшую массу. Так как лопатки последних ступеней получаются большей высоты, то увеличивается его КПД. Профиль проточной части с постоянным средним диаметром представляет собой комбинацию из первых двух и является компромиссным решением в удовлетворении предъявленным требованиям.

Принцип действия осевого компрессора основан на силовом взаимодействии его лопаток с потоком газа, который движется практически параллельно его оси. В межлопаточных диффузорных каналах рабочих лопаток происходит повышение удельной энергии потока газа. При обтекании рабочей лопатки газом возникает равнодействующая сила . Окружная составляющая этой силы Fu , направленная против вращения ротора, совершает работу сжатия. В каналах направляющих лопаток происходит преобразование скоростного напора в статический. Кроме того, неподвижные лопатки всегда изменяют направление потока газа, выходящего из каналов рабочих лопаток и подводят его в нужном направлении к следующей ступени.