В существующих воздухоразделительных установках (ВРУ), реализующих циклы среднего давления, не удается эффективно использовать работу расширения воздуха в турбодетандере. Рассматривается схема ВРУ, в состав которой включен детандер-компрессорный агрегат (ДКА). Использованные математические модели в процессе расчетов позволили при изменениях давления прямого потока и расхода перерабатываемого воздуха найти их оптимальные значения. Оптимальное дав-ление и расход воздуха соответствуют двум экстремумам: минимуму удельной работы и максимуму производства кислорода. Показано, что при снижении давления прямого потока с 6,5 до 4,6 МПа и одновременном росте расхода воздуха удельные затраты на производство жидкого кислорода уменьшаются с 1,15 до 0,98 кВтч/кг.
Gorenshteyn I.V., Lavrenchenko G.K. (2003). The analysis of methods for increase of an output of liquid products in air separation units of average pressure// Zhurnal Tehnicheskie Gazy [Journal of Industrial Gases]. — № 3. — P. 33-37. (Rus.) Zhu Y., Legg S., Laird C. D. (2010). Optimal design of cryogenic air separation columns under uncertainty// Computers & Сhemical engineering. — V. 34. — No. 9. — P. 1377-1384. Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). Optimization of a two-shaft detendre compressor unit with simultaneous improvement of air-separating installations of medium productivity// Zhurnal Tehnicheskie Gazy [Journal of Industrial Gases].— № 2. — P. 15-23. (Rus.) Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). Working out the flowing part of the compressor stage for an expander-compressor unit of two-shaft design in medium pressure ASU structure// Zhurnal Tehnicheskie Gazy [Journal of Industrial Gases]. — № 3. — P. 26-32. (Rus.) Barzdaitis V., Mažeika P. (2010). Diagnostics practice of heavy duty high speed gear transmissions// Mechanika. — No. 1. — P. 58-61. Galerkin Yu.B., Soldatova K.V., Titenskiy V.I. (2007). The theory, calculation and design of compressor machines dynamic action. Turbocompressors. — Sanсt-Peterburg: SPbGPU, — 142 p. (Rus.) Krain H. (2002). Unsteady Diffuser Flow in a Transonic Centrifugal Compressor //Int. Journal of Rotating Machinery. — V. 8. — No. 3. — P. 223-231. Weilin Yi, Lucheng Ji, Yong Tian et al. (2011). An aerodynamic design and numerical investigation of transonic centrifugal compressor stage// Journal of Thermal Science. — V. 20. — No. 3. — P. 211-217. Boyko L. G., Baryisheva E. S. (2011). Research of transonic flow in a high-pressure centrifugal impeller// Vestnik dvigatelestroeniya [Bulletin Engine]. — № 2. — P. 203-207. (Rus.) Cumpsty N. A. (1989). Compressor aerodynamics. — England: Longman Scientific & Technical. — 315 p.

Растёт потребность в эффективных и надёжных воздухоразделительных установках (ВРУ) малой и средней производительности для получения жидкого кислорода. Обычно такие ВРУ создаются на основе циклов среднего и высокого давлений. Сообщается о разработке кислородной ВРУ средней производительности, реализующей цикл низкого давления с циркуляцией детандерного потока воздуха. Анализируются характеристики ВРУ при её работе в режиме выдачи только жидкого кислорода или в газожидкостном режиме, когда производится газообразный кислород под давлением и одновременно жидкий кислород. Найдены оптимальные режимные и конструктивные показатели детандер-компрессорного агрегата (ДКА), соответствующие максимуму его КПД. ДКА разрабатывался для режима выдачи только жидкого кислорода. Показано, что при работе ВРУ в газожидкостном режиме ДКА сохраняет высокую эффективность. Проведённое исследование показало, что возможно создание экономичной ВРУ с надежными машинами динамического действия для производства 700 кг/ч жидкого кислорода или 200 кг/ч жидкого кислорода и 607 м3/ч кислорода под давлением 3 МПа.
Gorenstein I.V., Lavrenchenko G.K. (2003). The analysis of methods for increase of an output of liquid products in air separation plants of average pressure// Tekhnicheskie Gazy [Industrial Gases]. — No. 3. — P. 33-37. (Rus.). Gorenstein I.V., Vlasyuk V.A., Boyko A.A. (2002). Options for upgrading of air separation plants type АжКжКААрж-2// Tekhnicheskie Gazy [Industrial Gases]. — No. 3. — P. 26-32. (Rus.). Lavrenchenko G.K. Plesnoy A.V. (2011). Analysis liquefier characteristics of low-pressure air. 1. Kapitsa's cycle// Tekhnicheskie Gazy [Industrial Gases]. — No. 4. — P. 17-22. (Rus.). Tarasova E.Yu., Kortikov A.V. (2012). Trends of improvement the air separation plants produced by JSC «Cryogenmash»// Tekhnicheskie Gazy [Industrial Gases]. — No. 6. — P. 42-46. (Rus.). Tarasova E.Yu. (2013). JSC «Cryogenmash» on-site-projects: development — operation experience// Tekhnicheskie Gazy [Industrial Gases]. — No. 4. — P. 59-64. (Rus.). Gorenstein I.V., Vlasyuk V.A., Lavrenchenko G.K. et al. (2003). Characteristics low pressure air separation units for the production of 250 kg/h of liquid oxygen or nitrogen// Tekhnicheskie Gazy [Industrial Gases]. — No. 1. — P. 31-36. (Rus.). Bumagin G.I., Zinoviev A.V., Movchan E.P. et al. (2002). Analysis of the low-pressure air separation units with low productivity of container type with the issuance of liquid products// Tekhnicheskie Gazy [Industrial Gases]. — No. 4. — P. 31-35. (Rus.). Gorenstein I.V. (2002) Analysis of unsteady processes in the system low-temperature stabilize the air separation units// Tekhnicheskie Gazy [Industrial Gases]. — No. 2. — P. 28-32. (Rus.). Lavrenchenko G.K. Plesnoy A.V. (2013). Optimization of a two-shaft detendre compressor unit with simultaneous improvement of air-separating of medium productivity// Tekhnicheskie Gazy [Industrial Gases]. — No. 2. — P. 15-23. (Rus.). Epifanova V.I. (1998). Compressor and expander radial turbo machine. — Moskow: Bauman Moskow State Technical University. — 624 p. (Rus.). Brodyansky V.M., Meerzon F.I. (1970). Production of oxygen. — Moskow: Metallurgy. — 384 p.(Rus.).

В современных воздухоразделительных установках (ВРУ), реализующих циклы среднего давления с циркуляцией потока воздуха, не удаётся эффективно использовать работу его расширения в детандере. Исследования показали, что работу расширения части перерабатываемого воздуха можно преобразовать в дополнительную холодопроизводительность в детандер-компрессорном агрегате (ДКА) специальной конструкции. Анализируются характеристики ВРУ при её работе в режиме выдачи жидкого кислорода или в газожидкостном режиме, когда дополнительно производится ещё и газообразный кислород под давлением. Найдены оптимальные режимные и конструктивные показатели ДКА, отвечающие максимуму его КПД. ДКА разрабатывался для режима выдачи только жидкого кислорода. При одновременном производстве сжатого и жидкого кислорода ДКА работает в нерасчётном режиме. Проведенное исследование показало, что созданный ДКА обеспечивает экономичную работу ВРУ и в газожидкостном режиме. Это подтверждает возможность создания надёжной и достаточно эффективной двухрежимной ВРУ с машинами только динамического принципа действия.
Gorenstein I.V., Lavrenchenko G.K. (2003). The analysis of methods for increase of an output of liquid products in air separation plants of average pressure// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. -— No. 3. — P. 33-37. (Rus.). Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). Increasing the efficiency of the gas-expansion machine-compressor units used in the structure of the air-separating installations of medium pressure// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — No. 4. — P.18-23. (Rus.). Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). Creation of an oxygen air separation installation of low pressure for operating in liquid or gas liquid modes// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. -— No. 6. — P.41-47. (Rus.). Skorodumov B.A., Karpov V.N., Pisarev Yu. G. (2002). The air separation units of new generation// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. -— No. 4. — P. 23-30. (Rus.). Zhu Y., Leggs S., Laird C.D. (2010). Optimal design of cryogenic air separation column under uncertainty// Computers & Chemical Engineering. — V. 34. — No. 9. — P. 1377-1384. Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). Optimization of a two-shaft expander-compressor unit with simultaneous improvement of air-separating of medium productivity// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. -— No. 2. —- P. 15-23. (Rus.). Wen J., Zeidan F. Y., Jain D. (1994). Design, analysis and Testing of High Performance Bearings in a High Speed Integrally Geared Compressor// Proceedings of the Twenty-Third Turbomachinery Symposium. — P. 31-42. Dalbert P., Ribi B., Kmeci T., Casey M.V. (1999). Radial compressor design for industrial compressors// Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. — V. 213. — No. 1. — P. 71-83. Vance J. M., Royal A. C. (1975). High-speed rotor dynamics an assessment of current technology for small turboshaft engines// Journal of Aircraft. — V. 12. — No. 4. — P. 295-305. Epifanova V.I. (1998). Compressor and expander radial turbo machine. — Moskow: Bauman Moskow State Technical University Publisher. — 624 p. (Rus.). Brodyansky V.M., Meerzon F.I. (1970). Production of oxygen. — Moskow: Metallurgy. — 384 p. (Rus.).

Существует потребность в воздухоразделительных установках (ВРУ) для производства 1000 кг/ч жидкого кислорода. Для обеспечения их высокой эффективности необходимо установки создавать на основе циклов среднего давления. Рассматриваются две схемы ВРУ с детандер-компрессорными агрегатами (ДКА) двух- и многовальной конструкций, в которых работа расширения части перерабатываемого воздуха преобразуется в дополнительную холодопроизводительность. Отмечается, что в ДКА следует использовать турборедуктор для обеспечения оптимальной частоты вращения вала компрессорной ступени (КС), механически связанной с детандерной ступенью (ДС) агрегата. Режимная и конструктивная оптимизация ДКА, используемых в двух схемах ВРУ, позволила повысить их эффективность и увеличить выход жидкого кислорода. Оптимизационные расчёты ВРУ совместно с ДКА показали, что КПД двух агрегатов имеют близкие значения, но разные холодопроизводительности. Это отразилось на затратах энергии. В ВРУ с ДКА многовальной конструкции они снизились с 1,17 до 1,06 кВтч/кг жидкого кислорода. Выполненные исследования показали, что ВРУ, производящую 1000 кг/ч жидкого кислорода, можно создать на базе центробежного турбокомпрессора с давлением нагнетания 4,2 МПа.
Lavrenchenko G.K. Plesnoy A.V. (2013). Increasing the efficiency of the gas-expansion machine-compressor units used in the structure of the air-separating installations of medium pressure// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — No. 4. — P. 18-23. (Rus.). Lavrenchenko G.K. Plesnoy A.V. (2013). The optimization of the multi-shaft expander-compressor unit of the air separation unit of medium capacity// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — No. 5. — P. 15-24. (Rus.). Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2012). Research of work expander-compressor units with two stages extensions in composition medium pressure ASU// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 6. — P. 34-41. (Rus.). Epifanova V.I. (1998). Compressor and expander radial turbo machine. — Moskow: Bauman Moskow State Technical University. — 624 p. (Rus.). Taran V.N. (2003). Prediction of the cryogenic turbo expander characteristics// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 4. — P. 28-38. (Rus.). Brown R. N. (2011). Compressors: Selection and Sizing. — Elsevier. — 620 р. Galerkin Yu.B., Soldatova K.V., Titenskiy V.I. (2007). The theory, calculation and design of compressor machines dynamic action. Turbocompressors. — Sanсt-Peterburg: SPbGPU. — 142 p. (Rus.). Boyko L.G. Barysheva E.S. (2011). Transonic flow research in high-pressure centrifugal impeller// Vestnik dvigatelestroeniya. [Нerald Engine Building]. — №. 2. — P. 203-207. (Rus.). Krain H. (2002). Unsteady Diffuser Flow in a Transonic Centrifugal Compressor// Intrn. Journal of Rotating Machinery. — V. 8. — No. 3. — P. 223-231. Krain H., Hoffmann B. (2008). Flow Study of a Redesigned High-Pressure-Ratio Centrifugal Compressor// Journal of Propulsion and Power. — V. 24. — No. 5. — P. 1117-1123. Bulot N., Trebinjac I. (2008). Effect of the unsteadiness on the diffuser flow in a transonic centrifugal compressor stage// Inter. Journal of Rotating Machinery. — Article ID 932593. — P. 1-11. Fleming R., Lou F., Key N. L. (2011). The Development of a High Speed Centrifugal Compressor Research Facility// 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting. — V. 7. — P. 4-7.

Наблюдается рост спроса на жидкий кислород. Для снижения затрат на его производство в воздухоразделительной установке (ВРУ) средней производительности предлагается использовать двухвальный детандер-компрессорный агрегат (ДКА). Для повышения его эффективности в ДКА применяется турборедуктор, позволяющий снижать число оборотов компрессорной ступени (КС) до его оптимального значения относительно частоты вращения детандерной ступени (ДС). Приводятся результаты режимной и конструктивной оптимизации ВРУ и применяемого в ней ДКА. В результате удельный расход энергии на производство жидкого кислорода удается снизить с 1,17 до 1,06 кВтч/кг по сравнению с базовой ВРУ. Приводятся 3D-модели рабочих колес КС и ДС, входящих в состав двухвального ДКА.
Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2012). Cost reduction energy to produce liquid products in ASP medium pressure with expander-compressor units// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 5. — P. 21-28. (Rus.). Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). Reducing specific energy consumption of medium pressure and small-tonnage air separation plants// Vostochno-yevropeyskiy Zhurnal Peredovykh Tekhnologiy. [Eastern-European Journal of Enterprise Tehnologies]. — № 5/8 (65). — P. 29-34. (Rus.). Barzdaitis V., Maћeika P. (2010). Diagnostics practice of heavy duty high speed gear transmissions// Mechanika. — No. 1. — P. 58-61. Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). Optimization of a two-shaft detendre compressor unit with simultaneous improvement of air-separating installations of medium productivity// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 2. — P. 15-23. (Rus.). Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). Working out the flowing part of the compressor stage for an expander-compressor unit of two-shaft design in medium pressure ASU structure// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 3. — P. 26-32. (Rus.). Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). Increasing the efficiency of the gas-expansion machine-compressor units used in the structure of the air-separating unit of medium pressure// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 4. P. 18-23. (Rus.). Davyidov A. B., Kobulashvili A.Sh., Sherstyuk A.N. (1987). Calculation and design of turbine expanders. — Moskow: Mashinostroenie. — 231 p. (Rus.). Taran V.N. (2003) Prediction of the cryogenic turbo expander characteristics// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 4. — P. 28-38. (Rus.). Seleznev K.P., Galerkin Y.B. (1982). Centrifugal compressors. — Leningrad.: Mashinostroenie.— 271 p. (Rus.). Chistyakov F.M., Ignatenko V.V., Romanenko N.T., Frolov E.S. (1969). Centrifugal compressor machines. — Moskow: Mechanical Engineering. — 328 p. (Rus). Krain H. (2002). Unsteady Diffuser Flow in a Transonic Centrifugal Compressor //Int. Journal of Rotating Machinery. — V. 8. — No. 3. — P. 223-231. Krain H., Hoffmann B. (2008). Flow Study of a Redesigned High-Pressure-Ratio Centrifugal Compressor// Journal of Propulsion and Power. — V. 24. — No. 5. — P. 1117-1123. Bulot N., Trebinjac I. (2008). Effect of the unsteadiness on the diffuser flow in a transonic centrifugal compressor stage// Int. Journal of Rotating Machinery. — Article ID 932593. — P. 1-11. Fleming R., Lou F., Key N. L. (2011). The Development of a High Speed Centrifugal Compressor Research Facility //49th AIAA Aerospace Sciences Meeting. — V. 7. — P. 4-7.

Работу расширения части перерабатываемого воздуха в воздухоразделительных установках (ВРУ) средней производительности можно полезно преобразовать в дополнительную холодопроизводительность в детандер-компрессорном агрегате (ДКА) специальной конструкции. Такие ДКА необходимо создавать на базе турборедукторов, с помощью которых удается обеспечивать наиболее приемлемые числа оборотов валов компрессорных ступеней (КС). Одновременно с этим для совершенствования ВРУ в них целесообразно применять двухступенчатое расширение воздуха. Это обусловливает применение в ВРУ трехвального ДКА, в котором на отдельных валах расположены детандерные ступени ДС1 и ДС2, связанные механически с валом КС. Выполнена режимная и конструктивная оптимизация ВРУ и входящего в её состав трехвального ДКА. Варьированием промежуточного давления P13 (давления конца процесса расширения в детандерной ступени высокого давления ДС1) установлено, что при P13 равном 1,9 или 1,7 МПа числа оборотов валов ДС1 и ДС2 сравниваются nДС1=nДС2 и принимают в зависимости от наличия или отсутствия предварительного охлаждения значения: 92580 или 86500 мин–1, соответственно. Равенство частот вращения валов ДС1 и ДС2 позволяет вместо трёхвального использовать двухвальный ДКА, в котором две детандерные ступени размещаются на одном валу, так как их эффективности оказываются близкими. Анализ показывает, что конструкция ДКА с тремя валами хотя и несколько сложнее, но её проще реализовать в отличие от двухвальной конструкции со ступенями ДС1 и ДС2 на одном общем валу. Более простым становится и трёхвальный турборедуктор при равенстве частот вращения валов ДС1 и ДС2.
Arkharov A.M., Arkharov I.A., Belyakov V.P., Bondarenko V.L. et al. (1999). Cryogenic system. In 2 volumes. V.2. Desing Basign of Apparatus and Plants/ Ed. A.M. Arkharov and A.I. Smorodin. — M.: Mechanical Engineering. — 720 p. (Rus.). Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2012). Research of work expander-compressor units with two stages extensions in composition medium pressure ASU// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 6. — P. 34-41. (Rus.). Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). The optimization of the multi-shaft expander-compressor unit of medium capacity// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 5 — P. 15-24. (Rus.). Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2013). Increasing the efficiency of the gas-expansion machine-compressor units used in the structure of the air-separating unit of medium pressure// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 4. — P. 18-23. (Rus.). Barzdaitis V., Maћeika P. (2010). Diagnostics practice of heavy duty high speed gear transmissions// Mechanika. — No. 1. — P. 58-61. Shalaev D.Yu. (2010). Features of «MAN Turbo» compressors for modern cryogenic air separation plants // Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 1. — P.45-49. (Rus.). Stavitskiy V.V., Nosko P.L. (2012). The method of designing energy-efficient high-speed gears// Vesnik NTU «HPI». [Herald of the National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»]. — № 42. — P. 132-139. (Rus.). Lavrenchenko G.K., Plesnoy A.V. (2014). Optimization of liquid ASU medium capacity while developing an effective two-shaft expander-compressor unit// Tekhnicheskie Gazy. [Industrial Gases]. — № 4. — P. 32 -39. (Rus.). Yagi M., Kishibe T., Shibata T., et al. (2008). Performance improvement of centrifugal compressor impellers by optimizing blade-loading distribution// ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea, and Air. — P. 1639-1648. Tanaka M., Kobayashi H., Nishida H. (2008). Development of Wedge Type Impellers for Low Specific Speed Centrifugal Compressors// ASME 2008 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. — P. 51-60. Boroomand M., Hosseinverdi S. (2009). Numerical investigation of turbulent flow around a stepped airfoil at high Reynolds number// ASME 2009 Fluids Engineering Division Summer Meeting. — P. 2163-2174. Sugimura K., Kobayashi H., Nishida H. (2012). Design Optimization and Experimental Verification of Centrifugal Compressors With Curvilinear Element Blades// ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition. — P. 779-791.

В современных воздухоразделительных установках (ВРУ), реализующих циклы среднего давления, не удается эффективно использовать работу расширения воздуха в детандере. Исследования показали, что работу расширения части перерабатываемого воздуха можно полезно преобразовать в дополнительную холодопроизводительность в детандер-компрессорном агрегате (ДКА) специальной конструкции. ДКА отличает наличие, во-первых, турборедуктора для обеспечения оптимальной частоты вращения вала компрессорной ступени (КС), во-вторых, двух детандерных ступеней, в которых происходит расширение воздуха. В КС агрегата многовальной конструкции с использованием работы двух детандерных ступеней сжимается поток воздуха, поступающий после этого в детандерную ступень низкого давления. В процессе режимной и конструктивной оптимизации ДКА найдены условия, при которых две детандерные ступени можно расположить на одном валу. Оптимизационные расчеты ВРУ совместно с ДКА показали, что удельные затраты энергии в этой установке можно снизить с 1,1 до 0,89 кВтч/кг жидкого кислорода.