автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Метод профилирования лопаток обратнонаправляющего аппарата центробежного компрессора с применением сплайн функций

На правах рукописи

Коршунов Андрей Васильевич

МЕТОД ПРОФИЛИРОВАНИЯ ЛОПАТОК ОБРАТНОНАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА С ПРИМЕНЕНИЕМ СПЛАЙН ФУНКЦИЙ

Специальность 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003468116

Санкт-Петербург - 2009

003468116

Работа выполнена на кафедре "Компрессорная, вакуумная и холодильная техника" Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель:

профессор, доктор технических наук Стрижак Леонид Яковлевич Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук Жарковский Александр Аркадьевич кандидат технических наук Данилов Кирилл Анатольевич

Ведущая организация: ЗАО "Институт энергетического машиностроения и электротехники", Санкт-Петербург

Защита состоится 2009 г. в /£_ часов на заседании

диссертационного совета Д 212.229.09 при ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (по адресу 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, ауд. главного здания).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан «2/» л * А 2009г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.229.С

д.т.н., профессор

Хрусталёв Б. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время в мире наблюдается тенденция к увеличению использования центробежных компрессоров высокого давления (ЦК ВД) для нужд химической, нефтяной, газовой, добывающей и перерабатывающей промышленности, так как эти компрессоры имеют ряд преимуществ по сравнению с поршневыми компрессорами. К этим преимуществам относятся равномерность нагнетания, отсутствие загрязнения маслом сжимаемой среды, лучшие массогабаритные показатели, более высокая надежность.

Основными областями применения ЦК ВД являются: закачка природного газа в подземные хранилища; закачка попутного нефтяного газа в пласт, что позволяет поддерживать внутрипластовое давление и обеспечивает повышение выработки месторождения в среднем на 20-40%; технологические линии для производства аммиака, метанола, мочевины, полиэтилена.

В настоящее время наряду с ростом потребности в ЦК ВД в промышленности существует тенденция к повышению единичной мощности турбоагрегатов, что позволяет увеличить производительность технологических процессов, использующих оборудование высокого давления, при одновременном снижении себестоимости продукта. Увеличение энергоемкости агрегатов приводит к необходимости проведения комплекса научно-исследовательских работ в области аэродинамики проточной части, разработки концевых уплотнений, динамики роторов, прочности элементов конструкций для того, чтобы добиться максимальной эффективности в возможно большем диапазоне рабочих условий, повышая тем самым рентабельность использования оборудования для собственных нужд и конкурентоспособность на мировом рынке.

Трудоемкость экспериментальных исследований, требующих уникального оборудования, требует создания надежных расчетно-теоретических методов, позволяющих определить оптимальную геометрию проточной части и

г

1 I

предсказывать поведение агрегата в целом при изменяющихся условиях работы и регулировании.

Обратнонаправляющий аппарат (ОНА), как элемент ступени ЦК ВД, оказывает существенное влияние на эффективность работы промежуточной ступени в целом. Со снижением расхода влияние ОНА становится более значительным. В силу того, что для высоко- и средне-расходных ступеней ОНА не играет такой значительной роли, исследования в этой области велись весьма ограниченно, и, как следствие, количество опубликованных работ по данной тематике невелико.

Одним из направлений разработки, обеспечивающим улучшение характеристик ОНА, является применение лопаток телесного профиля, то есть профиля с толщиной ~15-30% и более. Впервые применение лопаток такого типа рассматривается в монографии В.Ф. Риса (1964г.).

В настоящее время ряд иностранных компаний, таких как General Electric, MAN Turbo, Cooper, Nuovo Pignone, Dresser Rand и др. широко используют лопатки ОНА телесного профиля при создании ступеней ЦК ВД. Методы проектирования таких ОНА не афишируются и являются хорошо охраняемой информацией компаний-производителей.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка методики проектирования и разработка программного комплекса для построения лопаточных аппаратов ОНА, а также оценка эффективности их работы в составе промежуточной ступени центробежного компрессора. Для достижения поставленной цели необходимо:

1. создать программу расчета термодинамических свойств рабочей среды;

2. разработать методику построения лопаток произвольного профиля;

3. разработать алгоритм и создать программу для реализации метода построения лопаток произвольного профиля;

4. создать программу для расчета обтекания решетки полученных профилей;

5. разработать методику оценки эффективности решетки профилей;

6. создать интегрированный программный комплекс, включающий выше перечисленные блоки.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решаются на основе методов теории центробежных компрессоров, вычислительной гидродинамики, термодинамики, дифференциальной геометрии, оптимального проектирования и экспериментальных исследований компрессоров. Научная новизна. В представленной работе новыми являются следующие результаты:

- разработана методика построения лопаток произвольного профиля, базирующаяся на использовании сплайн-функций;

- разработан алгоритм и создана программа для реализации метода построения лопаток произвольного профиля;

- создана программа для расчета обтекания решетки полученных профилей «методом особенностей»;

- разработана методика оценки эффективности решетки профилей;

- создан интегрированный программный комплекс, позволяющий:

1) производить проектирование лопаточного аппарата; 2) рассчитывать его обтекание; 3) производить быструю оценку качества проектируемого ОНА; 4) получать чертежи лопаточного аппарата.

Теоретическая значимость работы. Создан новый метод построения лопаточных аппаратов ОНА. Разработана методика оценки эффективности лопаточных аппаратов ОНА, позволяющая на стадии проектирования оценить качество их работы в составе ступени центробежного компрессора с учетом влияния реальных свойств углеводородных газов и их смесей. Практическая значимость работы. Разработанный комплекс программ позволяет снизить ошибки при проектировании лопаточных аппаратов ОНА, произвести оценку эффективности их работы, выбрать наиболее приемлемый вариант решетки ОНА в кратчайшее время.

Рекомендации по использованию. Результаты работы могут быть использованы при разработке турбоагрегатов для химической, нефтегазовой,

авиационной промышленности и для их модификации. Также результаты работы могут быть использованы в обучении и подготовке специалистов в области центробежных турбоагрегатов для проектирования и предварительной оценки эффективности лопаточных решеток.

Достоверность результатов. Достоверность результатов теоретических исследований подтверждена сравнением с результатами экспериментов. Личный вклад соискателя. Автором лично выполнены следующие теоретические и прикладные разработки:

- создана программа расчета термодинамических свойств рабочей среды, количество компонентов газовых смесей расширено до 20-ти;

- создана модель построения решетки профилей обратнонаправлягощего аппарата для центробежных машин, базирующаяся на использовании сплайн-функций;

- разработаны алгоритмы и реализованы программы для создания программного комплекса;

- создан интегрированный программный комплекс;

- проведен ряд экспериментальных исследований. Апробация работы. Основные материалы докладывались на: XI конференции по компрессоростроению, г. Казань, 1998 г., Всероссийской конференции СЕНСОР 2000 "Сенсоры и микросистемы", 21-23 июня 2000 г.,

XXX Юбилейной Неделе науки СПбГТУ, СПб, 2002г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано семь научных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка из 45 наименований. Содержание работы изложено на 167 страницах (включает 39 рисунков, 3 таблицы и 2 Приложения).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении

Обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и научная и практическая значимость работы.

В главе 1 проведен обзор литературы, проанализировано состояние проблемы в настоящее время.

Рассмотрены особенности течений в неподвижных элементах малорасходных ступеней промежуточного типа с безлопаточными диффузорами. Рассмотрена специфика постановки и реализации экспериментальных исследований применительно к малорасходным ступеням центробежных компрессоров.

Рассмотрены модели потерь в неподвижных элементах проточных частей и их влияние на характеристики ступени в целом.

Рассмотрены основные аспекты профилирования лопаточных аппаратов, такие как протяженность лопаток, число лопаток и загромождение ими потока, влияние угловой протяженности лопаток, влияние высот межлопаточных каналов, влияние замедления потока в лопаточной решетке.

Рассмотрены области применения различных типов лопаточных аппаратов. Рассмотрены различные модели потерь, основанные на экспериментальных и теоретических исследованиях.

Даны оценки влияния потерь в неподвижных элементах ступеней на их эффективность.

В главе 2 приведено описание программного комплекса, входящих в него элементов, описание математических моделей и описание алгоритмов.

1. Дано определение термодинамических свойств сжимаемой среды.

2. Приведен алгоритм предварительного расчета ступени центробежного компрессора высокого давления (ЦК ВД) с учетом термодинамических свойств сжимаемой среды.

Рис.1 Структура программного комплекса построения и оценки эффективности ОНА центробежного компрессора высокого давления

Структура программного комплекса приведена на рисунке 1. Такая структура позволяет использовать весь комплекс в целом, как самостоятельную единицу проектирования ОНА и интегрировать в уже существующие системы проектирования центробежных компрессоров или включать во вновь создаваемые. При этом каждый элемент может работать как самостоятельная программа. Вход в программный комплекс может осуществляться в любой из

блоков при наличии подготовленных данных, при использовании программного комплекса в полном объеме ввод данных осуществляется в блок расчета термодинамических свойств рабочей среды.

Определение термодинамических свойств сжимаемой среды, осуществляется по методу В.А.Загорученко, справедливому для давлений до 70МПа для 20 составляющих углеводородных газов и их смесей, таких как метан, этан, пропан, н-бутан, н-пентан их изомеры, ацетилен, этилен, пропилен и др.

Уравнение состояния В.А. Загорученко для многокомпонентной смеси записывается в следующем виде: (ру)да=11[а(у)+р»-Т.10г2+у(у)-Г2.1а'],

н Ы

м.н+1

р'ОО-юо+Ех, £ък(10уГ +12*,*, 1лОМ

¡=1 >¡+1

Г»<= \ 1Х(10УГ [ +1ЕX,:X,\ 5Х(10У)"

Ы j=i+l

где: р — давление, Н/м2; V — удельный объем, м3/кмоль; Т — температура, К; Л = 8314,3 Дж/кмоль*К, — универсальная газовая постоянная; х» X; — мольные доли компонентов смеси; п — количество компонентов смеси; ак, Ьк, ск, (1к, ек, Гк (к=1...6) — экспериментальные коэффициенты.

Предварительный расчет ступени ЦК ВД производится с учетом влияния реальных свойств газа для определения параметров ОНА. На основании предварительного расчета определяются параметры, управляющие построением лопаточного аппарата. В основе алгоритма предварительного расчета лежит метод расчета ступени центробежного компрессора, разработанный на кафедре компрессоростроения ЛПИ. Алгоритм реализован в виде блока, входящего в программный комплекс (рис. 1).

В главе 3 дано описание построения лопаточного аппарата ОНА.

Наибольшее распространение получили методы построения средней линии профиля лопатки ОНА по дуге окружности и по заданной нагрузке (в настоящее время наиболее эффективный метод).

Предлагаемый метод базируется на использовании сплайн функций, отображенных на логарифмическую спираль. Логарифмическая спираль является линией невозмущенного стока, то есть линией стока идеальной жидкости при отсутствии возмущений. Отклонение от логарифмической спирали приводит к совершению над потоком работы и описывается кубической сплайн функцией.

В силу того, что профиль лопатки ОНА телесный, то есть имеет значительную толщину и достаточно сложную геометрию (рис.2), определить среднюю линию такой лопатки, как это делается при построении лопаток равной толщины или запроектированных как аэродинамические профили, достаточно сложно. Поэтому за базовую линию построения лопатки была принята линия вогнутой стороны лопатки.

Линия вогнутой стороны лопатки строится в результате решения дифференциального уравнения

с1(р

1

Рис.2 Построение лопатки

ср, = А,-г? + В, ■ г? +С1-г1 + Д

дг г • 1ап(соз(Л • г2 +В-Г + С))

Отыскание коэффициентов уравнения осуществляется разрешением системы уравнений относительно коэффициентов А, В к С.

С05(ал5.ы) = Л ■ Г;2 + 5 • г5 + С со5(ал6вх) = А-г62 + В-г6+С

0)

Выпуклая сторона лопатки строится двумя сопряженными сплайн функциями в полярных координатах. Сплайн функция разделена на два участка, первый - участок косого среза (участок до входа в канальную часть лопаточного аппарата ОНА), второй -канальный участок.

где 1 - номер участка.

На входном участке сегмента сплайн-функция гладко сопрягается с входной скругляющей кромкой, на выходе - с начальным участком второго сегмента сплайн функции. Коэффициенты А, В, С и £> подбираются таким образом, чтобы исключить наличие точек перегиба в пределах первого сегмента. Второй сегмент сплайн функции сопрягается с первым сегментом и выходной скругляющей кромкой (рис.2).

Одной из задач работы было сведение к минимуму количества управляющих параметров при построении телесных лопаток ОНА. В результате исследований удалось свести их число к двенадцати: ад5 -угол входа по вогнутой стороне лопатки на входе в ОНА; <хлб - угол выхода по вогнутой стороне лопатки из ОНА;

албз - угол лопатки по выпуклой стороне на выходе из ОНА;

д5 - радиус входа в лопаточный аппарат ОНА;

Яб - радиус выхода из лопаточного аппарата ОНА;

Ъь - ширина канала в меридиональной плоскости на входе в ОНА;

ь6 - ширина канала в меридиональной плоскости на выходе из ОНА;

- радиус скругляющей окружности входной кромки лопатки ОНА;

Г ВЬ1Х - радиус скругляющей окружности выходной кромки лопатки ОНА;

г - число лопаток ОНА;

аг - ширина горла;

- параметр, отвечающий за угловую протяженность лопатки ОНА.

Строго говоря, параметр И отвечает за скорость приближения угла вогнутой стороны лопатки к заданному углу выхода (обычно угол выхода лопаток ОНА равен 90°).

Этот параметр получается как свободный член в правой части системы уравнений. При задании параметра В > 0 угловая протяженность лопатки увеличивается. При значениях В < 0 на вогнутой стороне лопатки образуется точка перегиба, при этом, с уменьшением Д точка перегиба смещается к входной части лопатки (рис. 3).

Рис.3 Лопатки ОНА и распределение скоростей для различной угловой

протяженности лопаток а) 0=-1, б) £>=2.5 Этих параметров оказалось достаточно для построения лопаток самой

разнообразной конфигурации, от лопаток, изображенных на рисунке 3, до лопаток равной толщины.

В главе 4 дано описание расчета обтекания лопаточного аппарата ОНА. Расчет потенциального обтекания производится по «методу особенностей». Данный метод применяется для расчета идеального обтекания профилей, то есть обтекания без учета трения, и обладает рядом достоинств и недостатков. При использовании «метода особенностей» профиль заменяется рядом вихреисточников, интенсивность этих вихреисточников рассчитывается таким образом, чтобы удовлетворить критерию Кутта-Жуковского, что позволяет оценить циркуляцию, создаваемую исследуемым профилем, и получить распределения скоростей по его поверхности.

В главе 5 дана оценка эффективности построенного аппарата применительно к заданной ступени центробежного компрессора высокого давления.

Для оценки эффективности лопаточного аппарата предложена зависимость, включающая в себя потери энергии, условно разделенные на потери трения, потери смешения и потери, возникающие при вторичных токах в межлопаточном канале. Строго говоря, все потери являются потерями на трение, но имеют разную природу происхождения.

Формула для определения эффективности лопаточной решетки ОНА имеет вид:

ДТ| и 56

2 • 2 • Сх3 • • ъ1р% /

ч< .т.чг. пг '

Ч'.-Ф-я-Д

д С

С \ 'Р

х. + х.

дС.

1

*|Л

г.

( 2 /

С х4+х,

С'

V ^ СР V

Г/ - \2

п.ср

С

\ 'Р /

х.+х.

А С„ 1 Ссг 1 + *6С„"

\2

с

х,+х,

дС.

Ч

2К„

+х„

\bJLy г-С, -еср56

Ф

+ х„

В эту формулу включены основные виды потерь на профиле и в канале лопаточного аппарата, такие как:

потери на передней относительно потока (вогнутой) стороне лопатки; потери на задней относительно потока (выпуклой) стороне лопатки; потери на ограничивающих поверхностях канала; потери на трение потока о поверхности канала, образованные лопатками; потери, формируемые вторичными токами внутри канала; потери смешения потоков с различной кинетической энергией (скоростью). В главе б приводятся результаты расчетов по методикам, описанным в главе 5, и их сопоставление с результатами экспериментальных исследований.

Проведен численный анализ (для ступени компрессора со следующими параметрами: Ф = 0.01, х¥т =0.59, £>4/Д,= 1.4) различных лопаточных аппаратов по наиболее влияющим параметрам, таким как: относительная ширина канала на входе в ОНА (рис.4); число лопаток (рис.5); протяженность лопаток (рис.6); ширина горла канала (рис.7).

о

0.2

0.4

о.в

Ьи/Ь>

1

о I—......! ■ 1

10 14 18

22 28

30

г

Рис. 4 Влияние ширины канала на входе в ОНА на потери

Рис. 5 Влияние числа лопаток ОНА

на потери

Рис. 6 Влияние уголовой Рис. 7 Влияние ширины горла

протяженности лопаток ОНА на канала ОНА на потери

потери

На основе данного анализа выявлена возможность оптимизации лопаточного аппарата.

Проведено сравнение результатов, полученных по представленным моделям, с рядом экспериментальных исследований.

Проверка работоспособности математической модели потерь производилась для следующих ступеней центробежного компрессора, испытанных на кафедре компрессорной вакуумной и холодильной техники С-ПбПТУ: СВД-1; СВД-2; СВД-7; СВД-8; СВД-11-3; СВД-11-2; СВД-11-1; СВД-11-1 -0,47; СВД-11 -1 -0,67.

Все представленные ступени были снабжены одним обратнонаправляющим аппаратом (рис. 8).

Для проверки адекватности работы модели потерь была построена зависимость коэффициента потерь от угла атаки на лопатки ОНА (рис.8). Такой подход позволяет исключить влияние на оценку потерь расходной и напорной характеристик исследуемых ступеней. Рисунок 9 иллюстрирует работу программного комплекса, на примере смоделированного обратно направляющего аппарата.

\\\ ж

♦ СВД-1 1 в СВД-2 дСВД-7 хСВД-6

ж СВД-11-3

• СВД-11-2 + СВД-11-1

■ СВД-11-1-0,47 -СВД-11-1-0,67

- п

-X —- _

—

—0.8-0? 0-6 -—05 I

д •

; *

■ _ ^ •

02 •......-

01 I ■ -I-

-25 -20 -15 -10

-5

5 10 /

Рис. 8 Зависимость коэффициента потерь в решетке обратнонаправляющего аппарата от угла атаки

-12 -8 -4 0 4 8 12

/', град

Рис. 9 Внешний вид и потери в ОНА.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. модифицирована программа расчета термодинамических свойств рабочей среды, количество компонентов газовых смесей увеличено до 20-ти;

2. разработана методика построения лопаток произвольного профиля, базирующаяся на использовании сплайн-функций;

3. разработан алгоритм и создана программа для реализации метода построения лопаток произвольного профиля;

4. создана программа для расчета обтекания решетки полученных профилей «методом особенностей»;

5. разработана методика оценки эффективности решетки профилей;

6. создан интегрированный программный комплекс, позволяющий:

а) производить проектирование лопаточного аппарата;

б) рассчитывать его обтекание;

в) производить быструю оценку качества проектируемого ОНА;

г) получать чертежи лопаточного аппарата.

Разработанный комплекс программ оптимального проектирования ОНА позволяет производить расчеты с минимальными затратами времени, так как использованный «метод особенностей» расчета обтекания лопаток ОНА потенциальным потоком является весьма быстрым в сравнении с конечно-разностными методами. Это позволяет производить множественные расчеты в кратчайшие сроки и выбирать оптимальный ОНА с точки зрения проектировщика.

Для оценки эффективности использовалась скорректированная модель потерь, учитывающая потери на ограничивающих поверхностях канала ОНА; потери на профиле лопатки, при этом из-за большой разности в протяженности выпуклой и вогнутой сторон лопатки ОНА расчет потерь для этих сторон производился раздельно для каждой из сторон; потерь смешения и ударных потерь. Для оценки наличия отрыва по задней стороне лопатки ОНА был

применен формпараметр Лойцянского Л.Г. В результате вычислений потерь были получены правдоподобные результаты.

Расчеты показывают, что можно найти такой набор геометрических параметров, который позволит построить оптимальную с точки зрения потерь решетку ОНА.

Сравнение с результатами экспериментальных исследований показало хорошую работоспособность предложенной модели потерь. При обтекании решетки профилей ОНА, близких к оптимальным (/=-5°...+3°), ошибка не превышает 5%, при больших углах атаки ошибка может доходить до 13%.

В приложении А представлена детальная структура программного комплекса и описана система обмена данными между его блоками.

В приложении Б приведены тексты основных программ, входящих в программный комплекс.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Коршунов, A.B. Термогазодинамический расчет центробежных компрессоров, сжимающих реальные газы и их смеси [Текст]: Учебное пособие / A.B. Коршунов , Л.Я. Стрижак : Учеб. пособие .— СПб. : Изд-во СПбГТУ, 1998.—59 с.

2. Коршунов, A.B. Особенности проектирования неподвижных элементов малорасходной ступени центробежного компрессора [Текст] / A.B. Коршунов, Н.И. Садовский, Л.Я. Стрижак, И.П. Суслина // Тезисы доклада одиннадцатой конференции по компрессоростроению, г. Казань, 1998. - С. 93-96.

3. Коршунов, A.B. Анализ термогазодинамических параметров многокомпонентных газовых смесей в элементах проточной части центробежного компрессора высокого давления. [Текст] / A.B. Коршунов, Л.Я. Стрижак // Труды научной школы компрессоростроения СПбГТУ. Сборник реферативных статей., С-Пб, 1999. - С. 255-259.

4. Дмитриев, A.A. Использование микротехнологий в компрессорострое-нии. [Текст] / A.A. Дмитриев, A.B. Коршунов // XXX Юбилейная Неделя науки

СПбГТУ.4.111: Материалы межвузовской научной конференции. СПб., 2002. -С.93.

5. Акульшин, Ю.Д. Сенсоры для аэродинамического эксперимента и диагностирования компрессоров. [Текст] / Ю.Д. Акульшин, P.A. Измайлов, А.Н. Казакин, A.B. Коршунов, М.С. Лурье, E.H. Пятышев // Тезисы докладов всероссийской конференции СЕНСОР 2000 "Сенсоры и микросистемы", 21-23 июня 2000.-С. 117-118.

6. Коршунов, A.B. Методика проектирования и оценки эффективности обратнонаправляющих аппаратов малорасходных ступеней центробежных компрессоров высокого давления. [Текст] / A.B. Коршунов, С.Ю. Кулаков, Л.Я. Стрижак //Компрессорная техника и пневматика, №1. февраль 2006 - С. 16-20.

7. Коршунов, A.B. Анализ влияния геометрических характеристик решетки обратнонаправляющего аппарата (ОНА) на его эффективность. [Текст] / A.B. Коршунов, Л.Я. Стрижак // Компрессорная техника и пневматика, №2 март. -2009.-С. 12-15.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 16.04.2009. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 0088.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

Введение

1 Состояние проблемы исследования обратнонаправляющих аппаратов малорасходных ступеней центробежных компрессоров

2 Проектирование ступени центробежного компрессора

2.1 Учет свойств сжимаемых реальных газов и их смесей

2.2 Проектйровние ступени центробежного компрессора высокого давления для определения параметров обратнонаправляющего аппарата

3 Метод построения лопатки обратнонаправляющего аппарата

3.1 Вогнутая линия лопатки

3.2 Выпуклая сторона лопатки

3.3 Программа построения лопаточной решетки обратнонаправляющего аппарата

3.4 Последовательность расчета

3.5 Описание массивов, используемых программой

4 Метод обтекания решетки профилей

4.1 Расчет потенциального обтекания лопатки обратнонаправляющего аппарата по программе Океу

4.2 Конформное отображение профиля решетки

4.3 Подготовка координат профиля в меридиональной плоскости

4.4 Подготовка дополнительных данных для расчета потенциального обтекания лопатки

4.5 Краткое описание программы Океу

4.6 Описание процедур, используемых программой Океу

5 Модель потерь в обратнонаправляющем аппарате

6 Результаты численного анализа влияния геометрических характеристик решетки на эффективность обратнонаправляющего аппарата

6.1 Влияние b5/b

6.2 Влияние числа лопаток обратнонаправляющего аппарата (Z)

6.3 Влияние параметра протяженности лопатки

6.4 Влияние аг или nkc на эффективность обратнонаправляющего аппарата

Актуальность темы.

В настоящее время в мире наблюдается тенденция к увеличению использования центробежных компрессоров высокого давления (ЦК ВД) для нужд химической, нефтяной, газовой, добывающей и перерабатывающей промышленности, так как эти компрессоры имеют ряд преимуществ по сравнению с t поршневыми компрессорами. К этим преимуществам относятся равномерность подачи газа потребителю, отсутствие загрязнения маслом сжимаемой среды, лучшие массогабаритные показатели, более высокая надежность.

Основными областями применения центробежных компрессоров высокого-давления являются: закачка природного газа в подземные хранилища; закачка попутного нефтяного газа в пласт, что позволяет поддерживать внутрипластовое давление и обеспечивает повышение выработки месторождения в среднем на 2040%; технологические линии для производства аммиака, метанола, мочевины, полиэтилена.

В настоящее время наряду с ростом потребности в компрессорах высокого давления в промышленности существует тенденция к повышению единичной мощности турбоагрегатов, что позволяет увеличить производительность технологических процессов, использующих технологическое оборудование высокого давления, при одновременном снижении себестоимости продукта. Увеличение энергоемкости агрегатов приводит к необходимости проведения комплекса научно-исследовательских работ в области аэродинамики проточной части, разработки концевых уплотнений, динамики роторов, прочности элементов конструкций для того, чтобы добиться максимальной эффективности в возможно большем диапазоне рабочих условий, повышая тем самым рентабельность использования оборудования для собственных нужд и конкурентоспособность на мировом рынке.

Трудоемкость экспериментальных исследований, требующих уникального оборудования, требует создания надежных расчетно-теоретических методов, позволяющих определить оптимальную геометрию проточной части и предсказывать поведение элементов агрегата и агрегата в целом при изменяющихся условиях работы и регулировании.

Обратнонаправляющий аппарат (ОНА), как элемент ступени центробежного компрессора высокого давления, оказывает существенное влияние на эффективность работы промежуточной ступени в целом. Со снижением расхода влияние обратнонаправляющего аппарата становится более значительным. В силу того, что для высоко- и средне-расходных ступеней обратнонаправляющий аппарат не играет такой значительной роли, исследования в этой области велись весьма ограниченно, и, как следствие, число доступных работ по данной тематике не велико. Однако, в настоящее время, исследования обратнонаправляющих аппаратов в применении к высоко- и средне-расходным ступеням интенсивно ведется в ряде иностранных компаний.

Одним из направлений разработки обеспечивающим улучшение характеристик обратнонаправляющих аппаратов является применение лопаток телесного профиля, то есть, профиля с толщиной ~15-30% и более. Впервые применение лопаток такого типа упоминается в монографии В.Ф. Риса [27].

В настоящее время ряд иностранных компаний, таких как General Electric, MAN Turbo, Cooper, Nuovo Pignone, Dresser Rand и др. широко используют лопатки обратнонаправляющих аппаратов телесного профиля при создании ступеней центробежных компрессоров. Методы создания таких ОНА не афишируются и являются хорошо охраняемой информацией компаний-производителей.

Цель и задачи работы.

Целью данной работы является разработка методики проектирования и разработка программного комплекса для построения лопаточных решеток обратнонаправляющего аппарата, а также оценка эффективности их работы в составе промежуточной ступени центробежного компрессора высокого давления.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. модифицировать программу расчета термодинамических свойств рабочей среды;

2. разработать методику построения лопаток произвольного профиля;

3. разработать алгоритм и создать программу для реализации метода построения лопаток произвольного профиля;

4. создать программу для расчета обтекания решетки полученных профилей;

5. разработать методику оценки эффективности решетки профилей;

6. создать интегрированный программный комплекс, включающий выше перечисленные блоки.

Методы исследования.

Поставленные в диссертационной работе задачи решаются на основе методов вычислительной гидродинамики, термодинамики, дифференциальной геометрии, оптимального проектирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна.

В представленной работе новыми являются следующие результаты: разработана методика построения лопаток произвольного профиля, базирующаяся на использовании сплайн-функций; разработан алгоритм и создана программа для реализации метода построения лопаток произвольного профиля; разработан алгоритм и создана программа для расчета обтекания решетки полученных профилей «методом особенностей»; разработана методика оценки эффективности решетки профилей; создан интегрированный программный комплекс, позволяющий:

1) производить проектирование лопаточного аппарата;

2) рассчитывать его обтекание;

3) производить быструю оценку качества проектируемого обратно-направляющего аппарата;

4) получать чертежи лопаточного аппарата.

Теоретическая значимость работы. Создан новый метод построения лопаточных решеток обратнонаправляющего аппарата.

Разработана модель потерь для оценки эффективности лопаточных решеток обратнонаправляющих аппаратов, позволяющая на стадии проектирования оценить качество их работы в составе ступени центробежного компрессора с учетом влияния реальных свойств углеводородных газов и их смесей.

Практическая значимость работы.

Разработанный комплекс программ позволяет снизить ошибки при проектировании обратнонаправляющих аппаратов, произвести оценку эффективности их работы, выбрать наиболее приемлемый вариант решетки обратнонаправляющего аппарата в реальном времени.

Рекомендации по использованию.

Результаты работы могут быть использованы при разработке турбоагрегатов для химической, нефтегазовой, авиационной промышленности и для их модификации. Также результаты работы могут быть использованы в исследовательских работах в области центробежных турбоагрегатов для проектирования и предварительной оценки эффективности лопаточных решеток.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов теоретических исследований подтверждена сравнением с результатами экспериментов.

Личный вклад соискателя.

Автором лично выполнены следующие теоретические и прикладные разработки:

- создана модель построения решетки профилей обратнонаправляющего аппарата для центробежных машин, базирующаяся на использовании сплайн-функций;

- написаны алгоритмы и реализованы программы для создания программного комплекса;

- проведен ряд экспериментальных исследований.

Апробация работы.

Основные материалы докладывались XI конференции по компрессоро-строению, г.Казань, 1998 г., Всероссийской конференции СЕНСОР 2000 "Сенсоры и микросистемы", 21-23 июня 2000 г., XXX Юбилейной Неделе науки СПбГТУ, СПб., 2002г.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка из 45 наименований. Содержание работы изложено на 167 страницах (включает 39 рисунков, 3 таблицы и 2 приложения).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы разработан метод построения решеток обратнонаправляющих аппаратов, практически не имеющий ограничений по моделированию геометрии лопаток от тонкого (профиля равномерной толщины) до телесного профиля.

Разработан комплекс программ, позволяющий оптимизировать построение решеток обратнонаправляющего аппарата.

Были проведены численные исследования различных вариантов решеток применительно к ступени с коэффициентом расхода Фр=0.01.

В комплекс программ входят программы определения потерь, основанные на расчете потенциального обтекания профилей.

Показано, что с помощью разработанного комплекса программ возможно производить оптимизацию обратнонаправляющих аппаратов по целому ряду параметров, таких как: Z - число лопаток в решетке, nkc - диффузорность косого среза, D — угловая протяженность лопатки, Ь5/Ьб — ширина канала.

Показано, что число лопаток Zom характеризуется средней нагрузкой на лопатку, лежащей в диапазоне ДС=0.03.0.05.

Результаты расчетов показали, что b5/b6~1.0 соответствуют минимальным потерям при фиксированной диффузорности косого среза (ПкС-1.2 ).

Разработанный комплекс программ оптимального проектирования обратнонаправляющего аппарата позволяет производить расчеты с минимальными затратами времени, так как использованый метод особенностей расчета обтекания лопаток потенциальным потоком является весьма быстрым в сравнении с конечно-разностными методами. Это позволяет производить множественные расчеты в кратчайшие сроки и выбрать оптимальный обратнонаправляющий аппарат с точки зрения проектировщика.

Для оценки эффективности использовалась скорректированная модель потерь, учитывающая:

• потери на ограничивающих поверхностях канала;

• потери на профиле лопатки, при этом из-за большой разности в протяженности выпуклой и вогнутой сторон лопатки, расчет потерь для этих сторон производился раздельно для каждой из сторон;

• потери смешения;

• ударные потери.

Для оценки наличия отрыва по задней стороне лопатки был применен формпараметр Лойцянского Л.Г. В результате вычислений потерь были получены правдоподобные результаты.

Расчеты показывают, что возможно найти такой набор геометрических параметров, который позволит построить оптимальную, с точки зрения потерь, решетку обратнонаправляющего аппарата.

Процесс построения лопаток обратнонаправляющего аппарата осуществляется автоматизированно и адаптирован к дальнейшему автоматическому изготовлению чертежей при помощи САПР AutoCAD.

1. Бабаков, В.В. Проектирование поверхностей кривыми второго порядка в самолетостроении. Текст. / В.В.Бабаков - М.: Машиностроение, 1969. - 132с.

2. Бараненко, А.В. Холодильные машины. Текст. / А.В.Бараненко, Н.Н.Бухарин, В.И.Пекарев, И.А.Сакун, Л.С.Тимофеевский С-Пб.: Политехника, 1997.-944с.

3. Бухарин, Н.Н. Моделирование характеристик центробежных компрессоров. Текст. / Н.Н.Бухарин — Л.: Машиностроение, 1983. — 215с.

4. Викторов, Г.В. Гидродинамическая теория решеток. Текст. / Г.В.Викторов М.: Высшая школа, 1969. — 368с.

5. Галеркин, Ю.Б. Современное состояние методов газодинамического расчета, проектирования и испытания центробежных компрессоров для газовой промышленности. Каф. КВиХТ СПбГТУ Текст. / Галеркин Ю.Б. — Материалы к обсуждению на семинаре. 2001.

6. Галеркин, Ю.Б. Анализ особенностей и оптимизация проточной части центробежных компрессоров природного газа. Текст. / Ю.Б. Галеркин, К.А. Данилов, В.П. Митрофанов Компрессорная техника и пневматика - N3., М., 2000, - С.4-7.

7. Галеркин, Ю.Б. Математическое моделирование рабочего процесса турбомашин. Текст. / Ю.Б.Галеркин, А.Г.Никифоров, В.В.Тихонов М.: МЭИ, 1984.

8. Давыдов, Ю.В. Геометрия крыла. Текст. / Ю.В.Давыдов, В.А.Злыгарев — М.: Машиностроение, 1987. 136с.

9. Ден, Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах. Текст. / Г.Н. Ден-Л.: Машиностроение, 1973. 272с.

10. Жарковский, А.А Основы САПР лопаточных гидромашин . Текст. / А.А. Жарковский: Учеб. пос. JI.: ЛПИ, 1989. - 92с.

11. Жермен-Лакур, П. Математика и САПР. Текст. / Жермен-Лакур П., Жорж П.Л., Пистр Ф., Безье П. М,: Мир, 1989. - 264с.

12. Казачков, Л.Я. Расчет стационарного и нестационарного обтекания многорядной решетки. Текст. / Л.Я.Казачков, А.Ю.Колтон Л - Ленинградский завод-ВТУЗ при Ленинградском Металлическом заводе.

13. Каменецкий, А.И. Эмпирический метод расчета турбулентного пограничного слоя в несжимаемой жидкости. Труды ЛПИ №200 Текст. / А.И.Каменецкий Л.: ЛПИ.

14. Кулагин, В.А. Исследование неподвижных элементов малорасходной промежуточной ступени центробежного компрессора высокого давления. Дисс. канд. техн. наук. Текст.: Дисс. .канд. тех. наук. / В.А.Кулагин Л - ЛПИ- 1976 - 227с.

15. Ладе, Ю.Б. Исследование безлопаточных диффузоров и обратнонаправляющих аппаратов малорасходных промежуточных ступеней центробежных компрессоров. Текст.: Дисс. .канд. тех. наук. / Ю.Б.Ладе Л — ЛПИ-1981 -231с.

16. Ладе, Ю.Б. Исследования течения газа и потерь в безлопаточном диффузоре и поворотном колене. Текст. / Ю.Б.Ладе, Л.Я.Стрижак Сб. Гидродинамика больших скоростей. - Красноярск - КПИ - 1986.

17. Ландау, Л.Д. Теоретическая физика, т. 4. Гидродинамика. Текст. / Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц М.: Наука, 1988. - 736с.

18. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа. Текст. / Л.Г.Лойцянский — М.: Наука, 1987,-676с.

19. Ломакин, А. А. Центробежные и пропеллерные насосы. Текст. /

20. A.А.Ломакин Л.: Машгиз, 1950. - 364с.

21. Методика расчета обтекания двумерной решетки профилей на осесимметричной поверхности тока в слое переменной толщины. Текст. / Под редакцией Л.Я.Стрижака, В.А.Кулагин, А.Г.Никифоров Л.: ЛПИ, 1976. - 43с.

22. Селезнев, К.П. Теория и расчет осевых и центробежных копрессоров. Текст. / Ю.С.Подобуев, К.П.Селезнев и др. М-Л.: МАШГИЗ, 1957. -390с.

23. Прандтль, Л. Гидроаэромеханика. Текст. / Л. Прандтль М.: Иностранная литература, 1951. - 576с.

24. Пфлейдерер, К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. Текст. / К.Пфлейдерер М.: ГНТИМЛ, 1960. - 684 с.

25. Раухман, Б.С. Решетка профилей в произвольном слое переменной» толщины. Труды ЦКТИ, вып. 106 Текст. / Б.С. Раухман Л.: ЦКТИ, 1971.

26. Рид, Р. Свойства газов и жидкостей. Справ.пособие. Текст. / Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Л.: Химия, 1982. - 591с

27. Рис, В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Текст. / Рис В.Ф. Л.: Машиностроение, 1981.-373 с.

28. Рис, В. Ф. Центробежные компрессорные машины Текст./ В.Ф. Рис — М.-Л.: Машиностроение, 1964. 336 с.

29. Селезнев, К.П., / Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Зараев В.И., Митрофанов

30. B.П. Авторское свидетельство №1112152 от 08.05.84 РК ЦК

31. Селезнёв, К. П. Центробежные компрессоры Текст. / К.П. Селезнёв, Ю.Б. Галёркин. Л.: Машиностроение, 1982. - 272 с.

32. Селезнёв, К.П. Теория и расчёт турбокомпрессоров: учеб. пособие Текст./ К.П. Селезнев, Ю.Б. Галеркин [и др.]. Под общ. ред. К. П. Селезнёва. 2-е изд.переб. и доп. JL: Машиностроение, 1986. - 392 с.

33. Селезнев, К.П. Проектирование малорасходных промежуточных ступеней ЦК ВД. Текст. / К.П. Селезнев, Л.Я.Стрижак и др. М.: Хим. и нефт. Машиностр., 1978.

34. Селезнев, К.П., Особенности течения в проточной части ЦК ВД. Сб. Гидродинамика больших скоростей. Вып.1. Текст. / К.П. Селезнев, Стрижак Л.Я., Кулагин В.А. Красноярск: КПИ, 1978.

35. Стрижак, Л.Я. Исследование влияния формы межлопаточных каналов центробежного компрессорного колеса на его характеристики. Текст.: Дисс. . канд. тех. наук / Л.Я. Стрижак Л - ЛПИ - 1968 - 235 с.

36. Стрижак, Л.Я. Термогазодинамические основы проектирования центробежных компрессоров высокого и сверхвысокого давления. Текст.: Дисс. . докт. тех. наук / Л.Я. Стрижак Л - ЛПИ - 1995 - 372 с.

37. Стрижак, Л.Я. Применение модели потенциального течения для исследования неподвижных элементов центробежной ступени. Текст./ Л.Я. Стрижак, В.А. Кулагин, А.Г. Никифоров Тр.СФ МЭИ. Обобщенные методы анализа электрических систем. Вып.6. — Смоленск, 1975.

38. Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификации природных газов. Текст.: Справ.пособ. / под ред. В.А. Загорученко М.: Недра, 1980.-52 с.

39. Труды научной школы компрессоростроения. Текст. / Под редакцией Ю.Б. Галеркина СПб -НПК СПбГТУ - 2000. - 443 с.

40. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. Текст. / К. Флетчер-М.: Мир, 1991.-552 с.

41. Шикин, Е.В. Кривые и поверхности на экране компьютера. Руководство по сплайнам для пользователей. Текст. / Е.В.Шикин, А.И. Плис М.: Диалог-МИФИ, 1996.-237 с.

42. Шульц, Д. Политропический анализ центробежного компрессора. Текст. / Д. Шульц Тр.Амер.о-ва инж.мех. N1- 1962 - Энергетические машины и установки - с. 87-100.

43. Этинберг, И.Э Гидродинамика гидравлических турбин. Текст. / И.Э. Этинберг, B.C. Раухман JL: Машиностроение, 1978. - 280с.

44. Эшли, X. Аэродинамика крыльев и корпусов летательных аппаратов. Текст. / Эшли X., Лэндал М. М.: Машиностроение, 1969. - 315с.

45. Ludtke, К. Н. Process Centrifugal compressor. Basics, Function, Operation, Design, Application. Текст. / К. H. Ludtke // Berlin Heidelberg: Springer-verlag, 2004. 328c.

46. Pazzi, S. The use of artificial neural networks for performance prediction of return channels for industrial centrifugal compressors. Текст. / S.Pazzi, F.Martelli, V.Michelassi, M. Giachi Amsterdam - ASME TURBO EXPO - 2002 - c. 273-287