microbik.ru
1 2 3

На правах рукописи



Солдатова Кристина Валерьевна

ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ СЕМЕЙСТВА МОДЕЛЬНЫХ СТУПЕНЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ
Специальность: 05.04.06 – вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук



Санкт-Петербург – 2011

Работа выполнена на кафедре «Компрессорная, вакуумная и холодильная техника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».



Научный консультант:

доктор технических наук,

профессор Галёркин Юрий Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Жарковский Александр Аркадьевич

доктор технических наук,

профессор Сухомлинов Игорь Яковлевич

доктор технических наук,

профессор Баткис Григорий Семенович

Ведущая организация: ОАО «Компрессорный комплекс»

Защита состоится «27» марта 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.09 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 в аудитории 215 Главного здания.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».



Автореферат разослан « » декабря 2011 г.
Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.229.09

доктор технических наук, профессор Хрусталёв Б.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность рассматриваемой проблемы. Создание новых модельных ступеней с их экспериментальной отработкой – это длительный и дорогостоящий процесс. По данным американской проектно-конструкторской организации Concept ETI создание одной ступени стоило от 180 до 240 тысяч долларов США в ценах 90-х гг., поэтому имеющиеся у предприятий наборы из многих десятков модельных ступеней используются очень длительное время. В их проточных частях (ПЧ) не отражены современные возможности повышения эффективности и некоторые современные требования. В распоряжении отечественных предприятий нет новых рядов модельных ступеней. Кроме того, имеющиеся ступени не всегда отвечают газодинамическим параметрам и конструктивным ограничениям новых компрессоров. Банк данных модельных ступеней нового поколения даст возможность быстро создавать газодинамические проекты центробежных компрессоров на современном техническом уровне.

В процессе выполнения работы необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ состояния эффективности методов математического моделирования;

2. Разработать теоретические положения совершенствования методов математического моделирования газодинамических характеристик;

3. Собрать информацию о результатах испытания компрессоров нового поколения;

4. Произвести идентификацию математических моделей напора и потерь напора по программам 4-го поколения, по которым выполнялись проекты компрессоров и по программам 4-го поколения для наиболее точного описания результатов испытания компрессоров;

5. Создать банк данных этих ступеней для использования в проектах новых компрессоров и компьютерную программу для расчета их характеристик при работе в составе проточных частей проектируемых компрессоров.

Целью исследования является создание семейства модельных центробежных компрессорных ступеней путем обработки результатов испытания центробежных компрессоров, созданных с использованием Метода универсального.

Научная новизна. До применения Метода универсального моделирования в проектной практике промышленные центробежные компрессоры не создавались без экспериментальной проверки их проточных частей на моделях. В результате проектной деятельности кафедры КВХТ СПбГПУ испытаны и поставлены потребителям десятки типов компрессоров, ступени которых не имеют испытанных аналогов. Это позволило впервые путем уточненного расчета характеристик создать банк данных модельных ступеней, что само по себе можно считать научной новизной.

На основе опыта использования Метода универсального моделирования в проектной практике установлено направление его возможного усовершенствования и предложены новые научные подходы в том числе:

- предложена новая зависимость для учета влияния условного числа Россби на положение точки отрыва и потери смешения;

- разработана методика учета влияния протечек в лабиринтном уплотнении покрывающего диска на параметры потока в рабочем колесе;

- предложена усовершенствованная методика схематизации диаграммы скоростей на лопатках рабочего колеса, что позволило рассчитывать КПД ступеней в широком диапазоне расчетных значений коэффициентов напора и расхода единым набором эмпирических коэффициентов;

- уточнено влияние сжимаемости в расчете ударных потерь и в расчете параметров потока в контрольных сечениях ступени;

- при расчете потерь поверхностного трения вместо произвольных эмпирических коэффициентов моделирования обтекания гидравлически гладкой поверхности использованы эмпирические формулы для расчета коэффициента силы сопротивления трения гладкой и шероховатой поверхностей, что дало возможность корректного моделирования характеристик при особо высоких значениях критериев Рейнольдса, когда течение приобретает автомодельный характер;

- сделан уточненный расчет параметров потока во входном патрубке. Это позволило учесть потери напора во входных патрубках модельных ступеней, что повысило точность определения эмпирических коэффициентов модели потерь.

Достоверность и обоснованность полученных научных результатов подтверждаются корректностью использования известных научных положений математики, газодинамики, результатами расчётных и экспериментальных исследований, практикой проектирования компрессоров и создания модельных ступеней. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, основаны на применении, методов теории моделирования, проведения эксперимента, планирования эксперимента, статистической обработки результатов эксперимента. Достоверность научных положений и выводов обеспечивается адекватностью теоретического обоснования результатов экспериментальных данных, что подтверждается количественным и качественным совпадением результатов полученных в промышленных условиях с расчетными данными, полученными на основе разработанного Метода.

Достоверность результатов определяется также: корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемого математического аппарата и используемых моделей, совпадением результатов расчетов с данными испытаний.

Практическая значимость работы.

Значение результатов для теории.

В результате работы дополнительное теоретическое обоснование получил Метод универсального моделирования, расширены его возможности для оптимального проектирования компрессоров промышленного назначения.

Значение результатов для практики.

Практика создания ряда модельных ступеней путем их отработки на экспериментальных стендах показывает, что необходимое время составляет несколько месяцев, а стоимость работы достигает 180-240 тысяч долларов США. В результате работы создан банк 67 модельных ступеней на базе уже выполненных проектов и испытаний компрессоров. Условный экономический эффект от выполнения работы составляет примерно 20 млн. долларов США.

В процессе работы созданы компьютерные программы Метода универсального моделирования 5-го поколения, обладающие более высокой точностью и универсальностью применения в проектной практике.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (г. Красноярск, 2010), 4-м Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2010), 2-й Международной научно-практической Интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (г. Пенза, 2010), 3-й Международной научно-практической Интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (г. Пенза, 2011), 15-й Международной конференции по компрессоростроению (г. Казань, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 14 работ. Основные результаты опубликованы в научно-техническом журнале «Компрессорная техника и пневматика», в Научно-технических ведомостях СПбГПУ, Известиях Высших Учебных Заведений «Проблемы Энергетики» Трудах научной школы компрессоростроения СПбГПУ, в Трудах 15-й Международной конференции по компрессоростроению, а также монографии «Моделирование рабочего процесса промышленных центробежных компрессоров. Научные основы, этапы развития, современное состояние».

Основные положения, выносимые на защиту.

Научные основы совершенствования алгоритмов газодинамического расчета параметров потока и расчета потерь напора, приведшие к созданию 5-го поколения компьютерных программ Метода универсального моделирования.

Уточнение эмпирических коэффициентов модели потерь программ 5-го поколения по результатам приемо-сдаточных испытаний промышленных центробежных компрессоров выпускаемых по газодинамическим проектам кафедры КВХТ СПбГПУ. Возможность расчета характеристик ступеней входящий в состав компрессоров и создание банка данных из 67 ступеней с возможностью использования их в проектах новых компрессоров.

Структура и объем диссертации. Структура диссертации обусловлена целью, последовательностью решения основных задач исследования и включает введение, пять глав, заключение, список литературы. Работа изложена на 266 страницах, содержит 131 рисунок, 10 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко перечислены основные исходные положения, обоснована актуальность, научная новизна, достоверность результатов, практическая значимость, перечислены методы исследования, апробация, реализация работы в промышленности, публикации, основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание разделов работы.

В главе 1 анализируется современное состояние проблемы. Показано огромное энергопотребление компрессорного парка. Только в газовой промышленности 44 млн. кВт установленной мощности в 2003 г. с ежегодным вводом порядка 2,0 млн. кВт. Одно из предприятий цветной металлургии, которое использует более пятидесяти устаревших центробежных компрессоров с установленной мощностью порядка 200 МВт. Потребность в мощных компрессорах для новых технологических линий и замены устаревших измеряется сотнями штук. Для снижения энергопотребления новые машины должны иметь высокоэффективные проточные части.

Рассмотрены существующие методы газодинамического проектирования, наиболее современные из которых (НИИТурбокомпрессор, Concept ETI (США, Метод универсального моделирования кафедры КВХТ СПбГПУ) обладают хорошей точностью обеспечения проектных параметров и позволяют существенно снизить объем экспериментальной доводки. В проектной практике Метода универсального моделирования экспериментальная проверка вообще не применяется с середины 1990-х гг.





Рис. 1. Примеры использования расчета невязкого потока при проектировании центробежного рабочего колеса. Вверху – оптимизированные диаграммы скоростей и форма лопаток (кафедра КВХТ СПбГПУ). Внизу – последовательность проектирования: одномерная оптимизация, невязкий расчет, расчет характеристик по программе вычислительной газодинамики (Concept ETI)

Несмотря на успехи математического моделирования и численной оптимизации проточной части наиболее быстрым и надежным способом проектирования остается использование характеристик модельных ступеней для проектирования новых компрессоров. Известные наборы модельных ступеней либо устарели, либо не отвечают требованиям эффективности, либо не перекрывают диапазон нужных параметров ступеней, а разработка новых ступеней традиционным экспериментальным методом требует огромных финансовых затрат и времени.

Уникальную возможность создания семейства модельных ступеней представляет наличие компрессоров нового поколения с высоким КПД и с широкой зоной устойчивой работы на базе ступеней спроектированных Методом универсального моделирования. После уточнения математических моделей и идентификации экспериментальных данных характеристики компрессоров нового поколения будут рассчитываться компьютерной программой Метода математического моделирования с достаточной точностью. Это позволит надежно предсказать характеристики входящих в них степеней. Информация по всем ступеням будет представлена в банке данных для использования при проектировании других компрессоров нового поколения.

В главе 2 описывается современное состояние Метода универсального моделирования, что необходимо для поиска направлений его совершенствования. Основные положения модели потерь:

- суммирование потерь в отдельных элементах проточной части и внутри них (входной патрубок, рабочее колесо, диффузор, выходное устройство, передняя и задняя поверхности лопаток, ограничивающие поверхности),

- деление потерь по физической природе: потери поверхностного трения, вихревые потери (потери смешения), учет влияния критериев Маха и Рейнольдса, пространственного характера течения.

Коэффициент силы сопротивления поверхностного трения рассчитываются по аналогии с плоской пластинкой (где – коэффициент силы сопротивления трения, – число Рейнольдса, – эмпирические коэффициенты в уравнениях математической модели), причем для учета отличий в обтекании пластинки и поверхностей лопаток введены поправочные коэффициенты (для передней и задней):

, .

где , – факторы диффузорности на поверхностях лопаток, учитывающие влияние продольного замедления, - условное число Россби, учитывающее влияние градиента скорости, перпендикулярного к обтекаемой поверхности, – средняя по длине лопатки скорость, , , , - скорости в начале и конце поверхностей лопатки, – окружная скорость, – скорость вращения, – радиус вращения, – наружный диаметр, рис. 2.





Рис. 2. Схематизированная диаграмма скоростей на поверхности лопатки. Сплошные линии – невязкое обтекание, штриховые линии – обтекание после возникновения отрыва

Рис. 3. Диаграмма поверхностных скоростей в рабочем колесе одной из модельных ступеней кафедры КВХТ СПбГПУ. Mu=0,6. Расчет – сплошные линии, измерения – штриховые линии. Оптимальный режим

Для связи коэффициентов силы сопротивления с коэффициентом потерь используется условие равенства потерянной мощности, подсчитанной с помощью этих коэффициентов. На примере расчета коэффициента потерь ограничивающих поверхностей:

,

где – коэффициент силы сопротивления на ограничивающих поверхностях, – среднее отношение плотностей, касательное напряжение, – условный коэффициент расхода.

На рис. 3 расчет невязкого квазитрехмерного течения на лопатке колеса обтекания сопоставлен с диаграммой скоростей, рассчитанной по измеренному статическому давлению на поверхности лопатки и полному давлению в невязком ядре потока, рассчитанному по уравнению Бернулли в относительной системе координат. Невязкая диаграмма качественно совпадает с действительной вплоть до точки отрыва на задней поверхности лопатки. После этого скорость на этой поверхности остается постоянной, и поток покидает межлопаточные каналы со скоростью , с которой поток покидал бы колесо при безотрывном обтекании. Потери смешения в связи с образованием следа рассчитываются с учетом ожидаемой точки отрыва и трансформации невязкой диаграммы скоростей. Модель для расчета точки начала следа:

,

где – отношение скоростей в точке отрыва к скорости в начале поверхности, обтекаемой без нормального градиента скорости, – коэффициент, учитывающий ламинаризацию пограничного слоя, что приближает точку отрыва к началу поверхности.

Потери смешения рассчитываются как потери внезапного расширения, рис.4.

Неблагоприятный характер обтекания периферийных и корневых сечений лопаток учитывается упрощенно, введением поправочного коэффициента: , где – высота лопатки.


Рис. 4. Треугольники скоростей на выходе из рабочего колеса, соответствующие ядру потока и потоку после процесса смешения

Критерии сжимаемости и влияют на отношение плотностей , что учитывается при термодинамических расчетах.

Эксперименты с модельными ступенями показывают, что максимальное число Маха на профиле влияет на эффективность лопаточных решеток РК, поэтому в формулы для расчета потерь введен коэффициент, учитывающий это:

, ,

где коэффициент изоэнтропы, – газовая постоянная, – температура.

Потеря КПД в рабочем колесе равна:

,

где , – коэффициенты потерь на передней и задней поверхности лопаток, – коэффициент теоретического напора.

При определении ударных потерь на нерасчетных режимах используется схема потерь внезапного расширения и внезапного сужения. Для учета реального характера возникновения ударных потерь, в том числе влияния сжимаемости, введены эмпирические коэффициенты. Для расчета характеристик остальных элементов проточной части используются подходы, соответствующие особенностям их рабочего процесса. Всего в модели потерь более трех десятков эмпирических коэффициентов .

Для идентификации модели разработана компьютерная программа «IDENT», в банке данных которой хранится информация о более чем двух сотнях испытаний модельных ступеней. При испытаниях измерения выполняются на шести режимах по расходу, поэтому для сопоставления измеренного и рассчитанного КПД есть более тысячи данных измерений.

Процесс идентификации предусматривает автоматический перебор значений эмпирических коэффициентов с расчетом КПД и сравнением с экспериментальным значением. Отбираются такие значения , при которых средняя невязка КПД по сопоставляемым данным минимальна:

,

где - количество экспериментальных значений КПД, участвующих в поиске эмпирических коэффициентов, - КПД.

Компьютерные программы, используемые в практике проектирования и анализа, характеризуются средними значениями 0,6-0,8% для оптимального режима ступеней, что практически совпадает с погрешностью экспериментального определения КПД. На нерасчетных режимах погрешность больше, но практика проектирования ЦК по заданиям промышленности показывает, что требования ТЗ обеспечиваются.

С использованием моделей потерь и напора разработаны компьютерные программы решения прямой и обратной задач – расчет характеристик ступеней и компрессоров, и оптимальное проектирование ступеней и компрессоров путем сопоставления разных вариантов исполнения проточной части. С помощью этих программ на кафедре КВХТ создано семейство модельных ступеней 20СЕ с высокими показателями, но с ограниченным набором параметров проектирования. Опыт аналитической работы и проектирования выявил некоторые недостатки программ 4-го поколения, которые делают возможными неточности расчета характеристик при отклонении от условий подобия. В гл. 4 сделано научное обоснование приемов совершенствования алгоритмов расчета потерь напора и термогазодинамического расчета, реализация которых повысила точность и надежность моделирования характеристик.



следующая страница >>