Введение к работе
Актуальность рассматриваемой проблемы.
В силу огромной энергоемкости новые промышленные центробежные
компрессоры (ЦК) должны обладать наивысшим КПД из всех возможных и
широкой зоной работы. В Российской Федерации только для газовой
промышленности требуется ввод мощностей порядка 2 млн. кВт в год.
Методом универсального моделирования (ЛПИ-СПбПУ) разработаны десятки
проектов компрессоров для отечественных и зарубежных производителей.
Проектная практика показала, что современное понимание рабочего процесса и
вычислительные возможности ЭВМ позволяют повысить точность и
надежность проектирования на основе научного анализа физической и
математической моделей. Альтернативный, самый быстрый и надежный способ
проектирования – это использование характеристик модельных ступеней, для
тех компрессоров, для которых подходят параметры этих ступеней. Путем
математической обработки результатов приемо-сдаточных испытаний
компрессоров газовой промышленности возможно создание базы данных модельных ступеней. Обычный путь – это создание новых модельных ступеней с их экспериментальной отработкой, но это длительный и дорогостоящий процесс. Оба направления работы диссертанта актуальны в связи с постоянной потребностью производителей в высокоэффективных и быстро выполняемых газодинамических проектах компрессоров.
Целью исследования является разработка научных основ и создание новой модели расчета газодинамических характеристик, компьютерных программ, модельных центробежных компрессорных ступеней по результатам заводских испытаний центробежных компрессоров и базы данных этих ступеней для использования в проектной практике.
Объектом исследования являются проточные части промышленных
центробежных компрессоров, сменные проточные части, модельные
центробежные компрессорные ступени, математические модели и
компьютерные программы расчета и проектирования.
Предметом исследования является совершенствование методов расчета
газодинамических характеристик центробежных компрессоров, анализ
результатов испытания промышленных центробежных компрессоров, создание
новой модели расчета газодинамических характеристик, соответствующих
компьютерных программ, уточненное моделирование характеристик
компрессоров, разработка базы данных модельных ступеней взамен
дорогостоящих модельных ступеней, отрабатываемых путем испытаний на экспериментальных установках.
Для достижения поставленных целей решены следующие задачи:
1. Проведен анализ современного состояния методов математического
моделирования;
2. Систематизирована, проанализирована и откорректирована
информация о результатах испытания компрессоров, разработанных методом
универсального моделирования и альтернативными методами;
3. Проведен анализ соответствия газодинамических характеристик 40
компрессоров по результатам приемо-сдаточных испытаний и проектных
характеристик по моделям 4-й версии. Отобрана информация по 20
компрессорам, характеристики которых соответствуют современным
требованиям и могут быть использованы для разработки базы данных
модельных ступеней нового поколения;
4. Разработаны научные основы совершенствования математической
модели для расчета газодинамических характеристик;
5. С учетом предложенных теоретических положений разработана модель
расчета газодинамических характеристик 5-й версии, реализованная в
компьютерных программах для расчета ступеней и компрессоров;
6. Произведена идентификация математической модели, показавшая
возможность точного описания характеристик испытанных компрессоров
единым набором эмпирических коэффициентов;
7. Разработаны компьютерные программы расчета характеристик
компрессоров CCPM-G5E, РСХЦК-Г5 и компрессорных ступеней CSPM-G5E;
-
Доказана эффективность применения в расчётной и проектной практике программы 8-й версии, где разработанная модель дополнена моделью расчета лопаточных диффузоров;
-
Создана база данных модельных ступеней с лопаточными и безлопаточными диффузорами серии 21 CV.
Методы исследования.
При разработке направлений совершенствования модели расчета
газодинамических характеристик, при анализе расчетных и экспериментальных
данных по компрессорам и модельным ступеням, при создании новой серии
модельных ступеней использованы основные положения термодинамики,
механики жидкости и газа, теории подобия, теории турбомашин, методов
математического моделирования, оптимизации, экспериментальных
исследований.
Результаты испытания компрессоров нового поколения исследованы методами математического моделирования, в результате чего определены пути совершенствования модели расчета газодинамических характеристик.
Научная новизна состоит в том, что:
- разработана и введена в математическую модель формула расчета точки
отрыва потока на лопатке РК с учетом отклонения потока лопатками. В
результате корректно рассчитываются потери смешения в рабочих колесах с
разными коэффициентами напора при едином наборе эмпирических
коэффициентов;
получена новая зависимость потерь смешения в рабочем колесе от значения степени отклонения потока лопатками. При моделировании характеристик потери смешения стали закономерно увеличиваться при увеличении расчетных коэффициентов теоретического напора;
разработана математическая модель расчета потерь поверхностного трения для гидравлически гладких и шероховатых поверхностей, в результате достигнута возможность корректного моделирования характеристик в практически используемом диапазоне критерия Рейнольдса;
предложена и введена в алгоритм расчета компрессоров и ступеней усовершенствованная схематизация диаграмм скоростей на поверхностях лопаток рабочего колеса;
учтено увеличение массового расхода в рабочем колесе и повышения начальной температуры из-за потока протечек в лабиринтных уплотнениях;
разработан метод расчета режима запирания лопаточных аппаратов при достижении скорости звука в минимальном входном сечении. В результате корректно определяется максимальный расход ступени;
учтено различие между КПД, рассчитанным с переменным показателем политропы, и измеренным политропным КПД, по которому идентифицируется модель потерь;
предложена новая схема расчета площади проходного сечения на входе в рабочее колесо. Учитывается увеличение проходного сечения из-за того, что входная кромка может быть расположена в криволинейной части межлопаточного канала;
- учтены потери во входном патрубке при идентификации
математической модели по характеристикам испытанных модельных ступеней.
В зависимости от параметров и режима работы модельной ступени потери КПД
во входном патрубке составляют 0,2-0,8%, что учтено при расчете
характеристик КПД модельных ступеней.
Практическая значимость работы.
Значение результатов для теории.
В результате работы дополнительное теоретическое обоснование получил метод универсального моделирования, расширены его возможности для проектирования компрессоров промышленного назначения с максимальным КПД и широкой зоной работы.
Значение результатов для практики.
В процессе работы создана модель расчета газодинамических характеристик ступеней и компрессоров. Компьютерные программы новой версии обладают большей универсальностью (расчеты компрессоров разных типов производятся по единому набору эмпирических коэффициентов).
Создана база данных из 71 модельной ступени с широким диапазоном коэффициентов напора и расхода, что расширяет возможности проектирования.
Выполнены проекты серий ступеней и компрессоров по заказам
промышленности с использованием разработанной модели расчета
газодинамических характеристик и компьютерных программ.
Достоверность результатов. Достоверность и обоснованность
полученных научных результатов подтверждаются корректностью
использования известных научных положений газовой динамики и термодинамики, сопоставлением результатов расчётных и экспериментальных исследований модельных ступеней и промышленных компрессоров, практикой проектирования компрессоров и создания модельных ступеней. Теоретические и экспериментальные результаты, представленные в диссертации, основаны на применении методов теории моделирования, теории подобия, проведении и обработки результатов экспериментов на основе нормативных документов по правилам испытания промышленных центробежных компрессоров.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается тем, что
теоретически обоснованные модели расчета характеристики ЦК,
идентифицированные по результатам испытания современных модельных
ступеней, корректно моделируют характеристики промышленных
центробежных компрессоров, полученных при официальных приемосдаточных испытаниях.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на: 14-й, 15-й, 16-й Международных конференциях по компрессорной технике (г. Казань 2007, 2011 гг., г. Санкт-Петербург, 2014 г.), Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (г. Красноярск, 2010
г.), 2-й, 4-й, 6-й, 7-й, 8-й, 11-й Международных научно-практических Интернет-
конференциях «Молодежь. Наука. Инновации» (г. Пенза, 2010, 2011, 2012,
2013, 2014, 2015 гг.), 4-м и 9-м всероссийских форумах студентов, аспирантов и
молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2010 и 2015 гг.), Международной
конференции по турбомашинам «SYMKOM» (Польша, г. Лодзь, 2011 г.), 49-й
научно-технической сессии по проблемам науки газовых турбин (г. Санкт-
Петербург, 2012 г.), 9-й Международной научно-технической конференции
молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология
изготовления компрессорных машин» (г. Казань, 2012 г.), 4-й и 5-й
всероссийских научных конференциях молодых ученых «Вакуумная,
компрессорная техники и пневмоагрегаты» (МВТУ им. Н.Э. Баумана, г.
Москва, 2012 и 2014 гг.), Международной научно-технической конференции
«Климовские чтения. Перспективные направления авиадвигателястроения» (г.
Санкт-Петербург, 2013 г.), 8-й и 9-й Международных конференциях
«Компрессоры и их системы» (Великобритания, г. Лондон, 2013 и 2015 гг.),
Международной конференции «Purdue Conference 2014» (США, г. Пардью,
2014 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI
века» (ЦИАМ, г. Москва, 2015 г.), 6-й Международной научно-технической
конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее» (ВНИИГАЗ,
г. Москва, 2015 г.), Международной конференции «
19-м Международном симпозиуме «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования» (г. Санкт-Петербург, 2015 г.), на Международной конференции «18th International Conference on Mathematics and Statistical Engineering» (Австралия, г. Сидней, 2016 г.).
Личный вклад состоит в разработке научных основ совершенствования
математической модели расчета газодинамических характеристик,
непосредственном участии в разработке компьютерных программ, выполнении идентификации и верификации математической модели, сборе, проверке, систематизации и математической обработке информации о приемо-сдаточных испытаниях компрессоров, создании на основе этой информации базы данных модельных ступеней, выполнении проектов по заказам промышленности на основе разработанного метода и созданных модельных ступеней.
Реализация работы в промышленности. С использованием созданной модели и компьютерных программ расчета газодинамических характеристик и
базы данных модельных ступеней выполнены хоздоговорные работы по заданиям промышленности объемом 52 500 000 рублей, а именно:
1. Проект одноступенчатого полнонапорного линейного компрессора
мощностью 32 МВт;
-
Проект шестиступенчатой сменной проточной части мощностью 16 МВт с высоконапорными рабочими колесами и лопаточными дифузорами;
-
Проект серии из шести модельных ступеней в диапазоне расчетных коэффициентов расхода 0,10-0,015 с коэффициентом теоретического напора 0,53;
-
Разработка методологии создания высоконапорных компрессоров на основе современных методов постановки и анализа экспериментов, в том числе отработана технология создания высоконапорного двухступенчатого центробежного компрессора для перспективных вертолетных двигателей;
-
Проект серии из десяти модельных ступеней в диапазоне расчетных коэффициентов расхода 0,15-0,015 с коэффициентом теоретического напора 0,5;
6. Проект трехступенчатого компрессора для линейного ГПА мощностью
25 МВт на конечное давление 9,91 МПа.
Создана база данных модельных ступеней, которая используется в проектной работе научно-исследовательской лаборатории «Газовая динамика турбомашин» ОНТИ СПбПУ.
Публикации. По теме диссертации автором опубликована 61 работа.
Основные результаты опубликованы в научно-технических журналах
«Компрессорная техника и пневматика» и «Химическое и нефтегазовое
машиностроение», Научно-технических ведомостях СПбГПУ, Известиях
Высших Учебных Заведений «Проблемы Энергетики», Трудах научной школы
компрессоростроения СПбПУ, в Трудах 14-й и 15-й Международных
конференций по компрессоростроению, в Трудах 8-й и 9-й Международных
конференций «Компрессоры и их системы», в Трудах Международной
конференции «Purdue Conference 2014», в Трудах Международной
конференции «18th International Conference on Mathematics and Statistical Engineering», в Трудах 19-го Международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования», в Трудах Международной конференции «Numerical Methods in Industrial Processes», а также в монографии «Моделирование рабочего процесса промышленных центробежных компрессоров. Научные основы, этапы развития, современное состояние».
Основные положения, выносимые на защиту:
Разработана модель на основе, которой созданы компьютерные программы, корректно рассчитывающие газодинамические характеристики ступеней и компрессоров с различными параметрами проектирования при помощи единого набора эмпирических коэффициентов.
Результаты идентификации модели по экспериментальным
характеристикам ступеней серии 20СЕ, разработанным и испытанным научной группой Ю.Б. Галеркина. Идентификация подтвердила возможность точного моделирования характеристик.
Результаты моделирования газодинамических характеристик
компрессоров нового поколения с безлопаточными диффузорами, успешно прошедших приемо-сдаточные испытания.
Результаты верификации модели 8-й версии, в которой разработанная модель дополнена моделью лопаточных диффузоров. Характеристики, полученные при приемо-сдаточных испытаниях, 20 компрессоров с лопаточными и безлопаточными диффузорами, смоделированы при едином наборе эмпирических коэффициентов с погрешностью допустимой для решения задач проектирования.
Создание базы данных из 71 модельной ступени и примеры ее эффективного использования при проектировании новых компрессоров.
Структура и объем диссертации. Структура диссертации обусловлена целью, последовательностью решения основных задач исследования и включает введение, семь глав, заключение, список литературы, приложения. Работа изложена на 357 страницах, содержит 142 рисунка, 18 таблиц.