РАЗРАБОТКА БЛОКА ПАРОКОМПРЕССОРА ДЛЯ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

РАЗРАБОТКА БЛОКА ПАРОКОМПРЕССОРА ДЛЯ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Научная статья

Горшкалев А.А.¹ , Корнеев С.С.^2, *, Урлапкин В.В.³, Шиманов А.А.⁴

¹ ORCID: 0000-0001-8448-7116;

² ORCID: 0000-0001-8359-0146;

³ ORCID: 0000-0002-9410-6003;

⁴ ORCID: 0000-0001-6093-0216;

^{1, 2, 3, 4} Самарский университет, Самара, Россия

* Корреспондирующий автор (skorneev1993[at]mail.ru)

Аннотация

Выполнен анализ современного состояния научно-технических разработок в области опреснения морской воды и дистилляции сточных вод, в частности, конструкций опреснительных установок с использованием парокомпрессора. Разработана методика газодинамического расчета парокомпрессора. Основываясь на данной модели была создана одномерная расчетная модель для поиска конфигурации парокомпрессора с помощью программы оптимизации IOSO. Создана математическая модель для получения значений параметров потока в любой точке межлопаточного канала, а также для получения напорной и КПД характеристик. Произведены расчеты на прочность рабочего колеса парокомпрессора, а также определена собственная частота колебаний ротора. На основе полученного анализа, осуществлена проработка нового конструктивного решения и проведен натурный эксперимент.

Ключевые слова: опреснительная установка, блок парокомпрессора, межлопаточный канал, напорная характеристика парокомпрессора.

DEVELOPMENT OF STEAM COMPRESSOR UNIT FOR DESALINATING PLANT

Research article

Gorshkalev A.A.¹, Korneev S.S.^2, *, Urlapkin V.V.³, Shimanov A.A.⁴

¹ ORCID: 0000-0001-8448-7116;

² ORCID: 0000-0001-8359-0146;

³ ORCID: 0000-0002-9410-6003;

⁴ ORCID: 0000-0001-6093-0216;

^{1, 2, 3, 4} Samara University, Samara, Russia

* Corresponding author (skorneev1993[at]mail.ru)

Abstract

This work presents the analysis of the current state of scientific and technical developments in the field of seawater desalination and wastewater distillation, in particular, desalination plant structures with steam compressors. The method of gas-dynamic calculation of the steam compressor has been developed. Based on this model, a single-dimensional design model was created to search for the configuration of the steam compressor using the IOSO optimization program. The mathematical model was created to obtain the values of flow parameters at any point of the interscapular channel, as well as to obtain pressure and efficiency characteristics. Calculations on the strength of the impeller of the steam compressor were carried out. Also the natural frequency of oscillation of the rotor was determined. Based on the obtained analysis, a new constructive solution was developed, and a full-scale experiment was conducted.

Keywords: desalination plant, steam compressor unit, interscapular channel, pressure characteristic of the steam compressor.

Одной из основных проблем человечества становится проблема получения пригодной для питья пресной воды. Растущий мировой дефицит пресной воды может быть скомпенсирован опреснением солёных (солесодержание более 10 г/л) и солоноватых (2–10 г/л) океанических, морских и подземных вод, запасы которых составляют 98% всей воды на земном шаре [1].

В связи с этим особый интерес вызывает путь развития существующих конструкций и простых решений, способствующих дальнейшему совершенствованию эксплуатационных показателей опреснительных установок. Особую значимость при выборе и обосновании развития систем опреснительных установок с увеличенным ресурсом работы представляют тенденции совершенствования конструкции вакуумных выпарных дистилляционных установок.

Самарским университетом совместно с АО «Металлист-Самара» разработана установка вакуумная выпарная для опреснения морской воды с производительностью по дистилляту 2 м³/ч. Данная установка является многоступенчатой вакуумной установкой испарительного типа с механическим парокомпрессором.

Основным элементом с точки зрения осуществления рабочего процесса является парокомпрессор, который служит для осуществления циркуляции пара от последней ступени установки к первой. Также он необходим для увеличения давления и температуры пара за счет подвода механической работы [2]. Парокомпрессор состоит из следующих элементов: вала входного, вала промежуточного, ротора, корпуса, вакуумного уплотнения, электродвигателя, входного устройства с улиткой [3].

Парокомпрессор входит в состав блока парокомпрессора состоящего также из следующих основных частей (рис. 1): мультипликатора, электромотора и систем обеспечения.

Рис. 1 – Блок парокомпрессора

 

Первым этапом проектирования была разработка методики для проведения газодинамического расчета рабочего колеса парокомпрессора [4]. Схема алгоритма газодинамического расчета парокомпрессора приведена на рис. 2. Согласно алгоритму вычисляется КПД парокомпрессора. Полученное значение сравнивается с принятым в начале расчета в качестве исходных данных, если они не совпадают – расчетное значение принимается в качестве исходных данных и расчет повторяется пока различие между принятым и расчетным значение КПД не будет меньше 1% [5].

Рис. 2 – Схема алгоритма проектного расчета ступени центробежного компрессора

 

Затем была осуществлена разработка конфигурации парокомпрессора с помощью программы оптимизации IOSO [6]. Выбор рациональных параметров рабочего процесса компрессора осуществляется с помощью одномерной модели рабочего процесса компрессора, в основе которой лежит методика его проектного расчета. Модель базируется на теории рабочего процесса компрессора, законах термодинамики, газовой динамики, эмпирических моделях потерь в элементах компрессора и статистической информации о существующих компрессорах. Данная модель позволяет, зная значения важнейших параметров рабочего процесса компрессора, оценить ожидаемую величину его КПД, а также рассчитать основные размеры его проточной части и планы скоростей, которые необходимо реализовать для получения требуемых характеристик.

Была создана математическая модель для исследования влияния геометрических характеристик и числа оборотов парокомпрессора на характеристики получаемого пара. Была создана численная модель рабочего процесса в рабочем колесе компрессора в программном комплексе NUMECA, позволяющая получить полную информацию о структуре потока и параметрах в любых точках межлопаточного канала [7].

При построении расчетной модели были приняты следующие допущения:

- Течение в рабочем колесе центробежного компрессора обладает свойством циклической симметрии. Поэтому рабочее колесо центробежного компрессора моделировалось одним межлопаточным каналом с наложенными на его боковые поверхности условиями периодичности.

- Расчет выполнялся в стационарной постановке.

- Свойства рабочего тела описываются моделью идеального газа с учетом переменности теплоёмкости и вязкости в зависимости от температуры рабочего тела.

- Деформации меридиональных обводов проточной части и лопаток под действием центробежной, газовой и тепловой нагрузок не учитываются при расчёте.

Данные допущения учитывались при построении геометрии расчетной области, сетки конечных элементов и настройке параметров решателя.

С помощью разработанной расчетной модели были рассчитаны ожидаемые напорные и КПД характеристики рабочего колеса компрессора при его работе в составе установки (рабочее тело - водяной пар) и при испытаниях в атмосферных условиях на воздухе (рис. 3).

Рис. 3 – КПД характеристика РК компрессора при работе на водяном паре

 

Было проанализировано влияние геометрических характеристик и числа оборотов компрессора на характеристики пара [8]. Анализ влияния числа оборотов показал, что при увеличении числа оборотов увеличиваются как температура, так и давление пара, что вызвано ростом работы компрессора. Анализ влияния геометрических характеристик показал, что наиболее эффективными рабочими колесами являются рабочие колеса с меньшим углом выхода потока на выходе из рабочего колеса и, соответственно, меньшим диаметром.

Был произведен прочностной расчет рабочего колеса парокомпрессора. Рабочее колеса являются одними из наиболее нагруженных деталей компрессора, поэтому важным этапом при их проектировании является проведение расчётов на прочность [9]. Использование современных вычислительных комплексов, таких, как ANSYS, позволяет достаточно точно определить напряжённо-деформированное состояние деталей и сделать вывод об их работоспособности (рис. 4).

Рис. 4 – Распределение эквивалентных напряжений

 

Из анализа полученных данных следует:

- величины осевых деформаций как для колеса из АК4, так и для колеса из ВТ6 составляют величину 0,8 мм, что необходимо учитывать при назначении монтажных зазоров;

- наиболее опасной областью в колесе является переход от поверхности лопаток к поверхности диска; в колесе из АК4 величина нормальных напряжений достигает -159 МПа, в колесе из ВТ6 – -251 МПа; коэффициент запаса для каждого случая соответственно:

где  - предел прочности, МПа;

 - наибольшие напряжения, МПа.

Как видно из расчёта, коэффициент запаса для обоих случаев существенно выше минимального. Поэтому из условий технологичности (лучшая обрабатываемость) рекомендуется изготовление центробежного колеса из сплава АК4.

Также был произведен расчет собственной частоты колебаний ротора парокомпрессора [10]. Были выявлены первые изгибные частоты. Резонанс выведен за рабочий диапазон. Резонансная частота вращения 44854 об/мин (рис. 5).

Рис. 5 – Резонансная диаграмма рабочего колеса (показана прямая прецессия)

 

Затем производилась разработка пневмогидравлической схемы и конструкции экспериментальной установки ЭУ2 для проведения испытаний блока парокомпрессора [11]. В состав ЭУ2 входят следующие части:

- блок испытательный ЭУ2.1000.000;

- парогенератор ПГЭ-30;

- стендовое оборудование;

- наземное оборудование.

Блок испытательный необходим для имитации условий работы парокомпрессора. Он состоит из трубопровода, по которому при работе установки будет циркулировать рабочее тело (водяной пар) такое же, как и в установке вакуумно-выпарной. Пар будет подаваться из парогенератора ПГЭ-30. На входе и выходе из парокомпрессора установлены датчики давлений и температур для регистрации параметров работы парокомпрессора. Также на трубопроводе установлен расходомер для регистрации расхода рабочего тела через парокомпрессор.

Для имитации давления пара на входе в установку к испытательному блоку присоединяется вакуумный насос, который создает необходимое давление на входе в парокомпрессор.

Большой объем работы также составила разработка эксплуатационной документации. В руководстве по эксплуатации описывается состав и принцип работы экспериментальной установки ЭУ2. Также приводятся сведения об использовании изделия по назначению, о том как производится техническое обслуживание ЭУ2.

Были разработаны программа и методики испытаний блока парокомпрессора.

Для проверки соответствия реальных и расчетных характеристик блока парокомпрессора, проведены испытания в составе экспериментальной установки.

Результаты испытаний блока парокомпрессора показали соответствие реальных характеристик расчётным. Это говорит о том, что выбранные при расчетах методы верны и могут в дальнейшем применяться для подобных расчетов. Также из этого можно сделать выводы о возможности дальнейшего применения парокомпрессор в составе опреснительной установки. При этом парокомпрессор будет выдавать характеристики, обеспечивающие работу опреснительной установки с наибольшей эффективностью.

Финансирование Работа выполнена в организации Головного исполнителя НИОКТР при финансовой поддержке Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках реализации постановления Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218 по договору об условиях предоставления и использования субсидии от 01 декабря 2015 г. № 02.G25.31.0150.

Funding The work was carried out in the organization of the Chief Executive Officer of research, development and technological work with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation in the framework of the implementation of the Resolution of the Government of the Russian Federation No. 218 of April 9, 2010 under the agreement on the conditions for granting and using subsidies of December 01, 2015 No. 02.G25.31.0150.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Ивлева Г. А. Анализ мирового опыта и научно–технических разработок в области кондиционирования опресненных высокоминерализованных вод для питьевых целей / Г. А. Ивлева, Н. Н. Гусев // Горный информационно–аналитический бюллетень. – 2011. – Выпуск № 10. - С.162–170.
2. Батурин О. В. Проектирование центробежного компрессора с применением технологии оптимизации IOSO / О. В. Батурин, Д. А. Колмакова, В. Н. Матвеев и др. // М-во образования и науки РФ, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). – Электрон.текстовые и граф. дан. - Самара, 2013. – 1 эл. опт.диск (CD-ROM).
3. Батурин О. В. Численное исследование рабочего процесса в ступени центробежного компрессора: электрон. учеб. пособие / О. В. Батурин, Д. А. Колмакова, Л. С. Шаблий // М-во образования и науки РФ, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). – Электрон. текстовые и граф. дан. - Самара, 2013. – 1 эл. опт. диск (CD-ROM).
4. Белоусов А. Н. Теория и расчет авиационных лопаточных машин / А. Н. Белоусов, Н. Ф. Мусаткин, В. М. Радько // - Самара: ФГУП “Издательство Самарский Дом печати”, 2003. – 336 с.
5. Ваняшов А. Д. Теория, расчет и конструирование компрессорных машин динамического действия: конспект лекций / А. Д. Ваняшов // – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 288 с.
6. Галеркин Ю. Б. Теория, расчет и конструирование компрессорных машин динамического действия / Ю. Б. Галеркин, К. В. Солдатова, В. И. Титенский // Санкт-Петербург - СПбГПУ, 2007. – 254 с.
7. Шнепп В. Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин / В. Б. Шнепп // –М.: Машиностроение, 1991 – 154 с.
8. Селезнев К. П. Центробежные компрессоры / К. П. Селезнев, Ю. Б. Галеркин // – Л.: Машиностроение,1982 – 183 с.
9. Бирюк В. В Проектирование стенда для испытания блока парокомпрессора опреснительной установки / В. В. Бирюк, А. А. Горшкалев, С. С. Корнеев и др. // Успехи современной науки, 2017 — Т. 1. № 12. — с. 176-179
10. Dennis B. H. Parallel Thermoelasticity Optimization of 3-D Serpentine Cooling Passages in Turbine Blades / B. H. Dennis, I. N. Egorov, H. Sobieczky, G. S. Dulikravich, S. Yoshimura // ASME. – 2003. – Paper No. GT2003-38180
11. Komarov, O. V. Application of Optimization Techniques for New High-Turning Axial Compressor Profile Topology Design / O. V. Komarov, V. A. Sedunin, V. L. Blinov // ASME. – 2003. – Paper No. GT2014-25379

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ivleva G. А. Аnaliz mirovogo opyta i nauchno–tekhnicheskikh razrabotok v oblasti konditsionirovaniya opresnennykh vysokomineralizovannykh vod dlya pit'evykh tselej [Analysis of world experience and scientific and technical developments in the field of conditioning desalinated highly mineralized waters for drinking purposes] / G. А. Ivleva, N. N. Gusev// Gornyj informatsionno–analiticheskij byulleten' [Mining Information and Analytical Bulletin]. – 2011. – V. № 10. - Р.162–170. [in Russian]
2. Baturin O. V. Proektirovanie tsentrobezhnogo kompressora s primeneniem tekhnologii optimizatsii IOSO [Design of a centrifugal compressor using IOSO optimization technology] / O. V. Baturin, D. А. Kolmakova, V. N. Matveev and others// M-vo obrazovaniya i nauki RF, Samar. gos. aehrokosm. un-t im. S. P. Koroleva (nats. issled. un-t) [Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Samar. state. aerospace. un-t them. SP Koroleva (National Research University]. – Elektron.tekstovye i graf. dan. [Electronic text and graphic data] - Samara, 2013. – 1 el. opt.disk [electronic optical disk] (CD-ROM). [in Russian]
3. Baturin O. V. CHislennoe issledovanie rabochego protsessa v stupeni tsentrobezhnogo kompressora: ehlektron. ucheb. posobie [Numerical study of the working process in the stage of a centrifugal compressor: an electronic textbook] / O. V. Baturin, D. А. Kolmakova, L. S. SHablij // M-vo obrazovaniya i nauki RF, Samar. gos. aehrokosm. un-t im. S. P. Koroleva (nats. issled. un-t) [Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Samar. state. aerospace. un-t them. SP Koroleva (National Research University]. – EHlektron. tekstovye i graf. dan. [Electronic text and graphic data] - Samara, 2013. – 1 ehl. opt. disk [electronic optical disk] (CD-ROM). [in Russian]
4. Belousov А. N. Teoriya i raschet aviatsionnykh lopatochnykh mashin [Theory and calculation of aircraft scapular machines] / А. N. Belousov, N. F. Musatkin, V. M. Rad'ko // - Samara: FGUP “Izdatel'stvo Samarskij Dom pechati” [Publishing House of the Samara House of Printing], 2003. – 336 P. [in Russian]
5. Vanyashov А. D. Teoriya, raschet i konstruirovanie kompressornykh mashin dinamicheskogo dejstviya: konspekt lektsij [Theory, calculation and design of dynamic machines of compressor action: a summary of lectures] / А. D. Vanyashov // – Omsk: Izd-vo OmGTU [OmSTU Publishing House],2006. – 288 p. [in Russian]
6. Galerkin YU. B. Teoriya, raschet i konstruirovanie kompressornykh mashin dinamicheskogo dejstviya [Theory, calculation and design of dynamic machine compressors] / YU. B. Galerkin, K. V. Soldatova, V. I. Titenskij // Sankt-Peterburg - SPbGPU, 2007. – 254 p. [in Russian]
7. SHnepp V. B. Konstruktsiya i raschet tsentrobezhnykh kompressornykh mashin [Design and calculation of centrifugal compressor machines] / V. B. SHnepp // –M.: Mashinostroenie [М.: Mechanical engineering], 1991 – 154 P.
8. Seleznev K. P. TSentrobezhnye kompressory [Centrifugal Compressors] /K. P. Seleznev, YU. B. Galerkin // – L.: Mashinostroenie [М .: Mechanical engineering],1982 – 183 p. [in Russian]
9. Biryuk V. V Proektirovanie stenda dlya ispytaniya bloka parokompressora opresnitel'noj ustanovki [Design of a test bench for the desalination unit of a steam compressor unit] / V. V. Biryuk, А. А. Gorshkalev, S. S. Korneev and others // Uspekhi sovremennoj nauki [The successes of modern science], 2017 — T. 1. № 12. — Р. 176-179. [in Russian]
10. Dennis B. H. Parallel Thermoelasticity Optimization of 3-D Serpentine Cooling Passages in Turbine Blades / B. H. Dennis, I. N. Egorov, H. Sobieczky, G. S. Dulikravich, S. Yoshimura // ASME. – 2003. – Paper No. GT2003-38180
11. Komarov, O. V. Application of Optimization Techniques for New High-Turning Axial Compressor Profile Topology Design / O. V. Komarov, V. A. Sedunin, V. L. Blinov // ASME. – 2003. – Paper No. GT2014-25379