автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Совершенствование малорасходных турбин конструкции ЛПИ для турбодетандерных электроустановок газораспределительных станций на основе экспериментальных методов

На правах рукописи

005055824

Матвеев Юрий Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН КОНСТРУКЦИИ ЛПИ ДЛЯ ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СТАНЦИЙ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ

Специальность 05.04Л2 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 НОЯ 2012

Санкт-Петербург - 2012

005055824

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Рассохин Виктор Александрович

кандидат технических наук

Ведущая организация:

доктор технических наук заместитель генерального директора

по научной работе ОАО «НПО ЦКТИ им. Ползунова», г. Санкт-Петербург Хоменок Леонид Арсеньевич заместитель директора НИИ Энергетики ФГБОУ ВПО «СПбГПУ»,

Счисляев Сергей Михайлович ООО «Научно-технический центр Микротурбинные технологии» (ОАО «НТЦ МТТ»), г. Санкт-Петербург

Защита состоится «18» декабря 2012 г. в «16» часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.06 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, Главное здание, аудитория 118.

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

Автореферат разослан «y/(j> ноября 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.229.06, к.т.н., доцент Талалов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Малорасходные турбины (МРТ) широко используются для привода различных вспомогательных агрегатов (генераторов, насосов и др.), в энергетических установках и системах бортовых источников питания космических и подводных аппаратов, в судовых турбинах заднего хода, агрегатах наддува двигателей внутреннего сгорания.

Требования надёжности, простоты и технологичности конструкции, массогабаритные и прочностные ограничения, малые объёмные расходы рабочего тела при высоких начальных параметрах обусловили применение в основном малорасходных турбин (МРТ). Практически во всех областях применения высокая экономичность в широком диапазоне режимов работы является обязательным условием.

В настоящее время редуцирование давления природного газа магистрального газопровода (МГ) (50...70 бар) производится на газораспределительных станциях (ГРС) до давления, необходимого потребителю (3... 12 бар), при этом, как правило, энергия сжатого газа не используется. Эту энергию сжатого газа можно использовать в микротурбодетандерных установках (МДГ) для выработки полезной мощности.

Для создания таких установок требуются малорасходные турбины, работающие при сравнительно малых объемных расходах и высоких начальных параметрах рабочего тела. Использование трансзвуковых и сверхзвуковых высокооборотных турбинных ступеней позволяет срабатывать в них большие теплоперепады энтальпий при сравнительно высокой экономичности, существенно сократить число ступеней турбины и повысить компактность всей установки в целом. Над созданием таких малорасходных турбин с высоким перепадом работают многие организации страны (МАИ, МЭИ, МГТУ, СПбГПУ, СПбМУ, НИИ, КЗТ и др.).

Выполненный анализ показал, что для создания микротурбодетандерных установок, рациональным является применение турбин конструкции ЛПИ, в которых устраняются парциальные потери, характерные для малорасходных турбин. Это обеспечивается малыми углами выхода потока из соплового аппарата, большими углами поворота и относительным шагом в лопатках рабочего колеса. При этом резко сокращается число лопаток, упрощается конструкция и технология изготовления турбины. Особенности кинематики таких турбин позволяют обеспечить их высокую надежность в условиях высокотемпературного и двухфазного рабочего тела. Такие турбины были предложены профессором И. И. Кирилловым в конце 60-х - начале 70-х годов прошлого века, а в дальнейшем конструктивно разработаны и исследованы на кафедре турбинных двигателей и установок под руководством профессора В. А. Рассохина в СПбГПУ в течение последних 20 лет.

В данной работе рассмотрена возможность использования малорасходных турбин (МРТ) конструкции ЛПИ для применения их в

микротурбодетандерных электрогенераторах для выработки электрической энергии на собственные нужды газораспределительных станций.

Цель работы

Целью работы является разработка и экспериментальное исследование модельных турбин конструкции ЛПИ для применения их в микротурбодетандерных генераторах для выработки электрической энергии на собственные нужды газораспределительных станций.

Для реализации цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

моделирование параметров натурных микротурбодетандерных генераторов на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ для их исследования на воздухе на стендах СПбГПУ;

разработка математической модели расчёта сверхзвуковых одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ;

- проведение численного эксперимента в трёхмерной постановке модельной малорасходной турбины конструкции ЛПИ с целью изучения физической картины течения рабочего тела в проточной части и оценки характеристик малорасходной турбины;

- обобщение экспериментальных характеристик исследованных МРТ разного типа с целью использования таких турбин в микротурбодетанденрых генераторах;

- создание экспериментальной базы и методик проведения и обработки экспериментальных данных для исследования малорасходных турбин конструкции ЛПИ для повышения их экономичности и надёжности в составе микротурбодетандерных генераторов.

Научную новизну диссертационной работы составляют:

параметры модельной малорасходной турбины для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ (Р0=0,247 МПа, Т0=320 К, п=26100 об/мин, G=0,067 кг/с);

- математическая модель номинального и переменного режимов работы МРТ, в диапазоне изменения параметров: 7Гт = 2...5, Mci=1...2, Т0 = 288...350К;

- физическая 3-D модель течения в малорасходной турбине конструкции

ЛПИ;

- физическая структура течения рабочего тела в проточной части малорасходной турбины;

-характеристики модельной малорасходной турбины

микротурбодетандерного генератора на номинальном режиме (rj = 0,684, п=26100об/мин, и/Со=0,454, Т2=277К) и переменных режимах.

Практическая значимость:

разработана методика расчета и проектирования МРТ для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ;

разработаны рекомендации по проектированию турбин для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин

конструкции ЛПИ;

- получены характеристики турбины на номинальном и переменных режимах.

Личный вклад автора:

- проведение обзора и анализа литературных данных;

- моделирование малорасходных турбин конструкции ЛПИ для проведения модельных экспериментальных исследований;

- разработка программы проведения эксперимента;

- создание экспериментального стенда, установки, объекта исследования для испытания модельных МРТ;

- проведение экспериментальных исследований малорасходных турбин конструкции ЛПИ;

- проведение анализа полученных экспериментальных данных и выдача рекомендаций.

Достоверность и обоснованность научных результатов определяется обобщением большого количества экспериментальных данных, применением в расчетах основных законов сохранения, сравнением экспериментальных данных с результатами численного эксперимента, привлечением современных средств вычислительной математики.

Методы исследования н достоверность полученных результатов. При проведении исследований использовались теоретические и экспериментальные методы, достоверность которых апробирована результатами сравнительных испытаний.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на:

- Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов на XXXVII неделе науки СПбГПУ в 2008 году;

- Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов на XXXVIII неделе науки СПбГПУ в 2009 году;

- VIII Международном энергетическом форуме "ТЭК России в XXI веке" в 2009 году;

- XVII Международной научно-методической конференции СПбГПУ в 2010 году;

- 22-ой международной выставке «Изобретения, инновации и технологии» ITEX 2011, Малайзия г. Куала-Лумпур. Получена золотая медаль и специальный приз за лучшую разработку в области защиты окружающей среды;

- 11-м Петербургском международном энергетическом форуме в 2011 году;

- X Московском международном энергетическом форуме (ММЭФ-2012) «ТЭК России в XXI веке»,

- V Петербургском международном инновационном форуме 25-28 сентября 2012г.

Публикации. По результатам диссертационной работы были опубликованы тезисы докладов на различных конференциях, 7 научных статей, в том числе две публикации в изданиях из перечня ВАК.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы из 78 наименований. Она изложена на 140 страницах текста, содержит 85 рисунков, 1 приложение.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при проектировании новых мапорасходных турбин для микротурбодетандерных установок газораспределительных станций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, задачи, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, даётся краткое содержание глав работы.

В первой главе приводится обзор и обоснование применения МРТ конструкции ЛПИ для использования в микротурбодетандерных генераторах. Проводится обзор факторов, влияющих на эффективность МРТ:

- малые объемного расхода рабочего тела приводит к необходимости применения парциального подвода и приводящая к малым высотам проточной части;

- малые значения и/со. Рост окружной скорости ограничивается прочностью РК, снижением высот лопаток или уменьшением парциалыюсти при увеличении диаметра ступени;

- высокие - в основном сверхзвуковые скорости в проточной части;

- возрастание влияния утечек из-за повышенных величин осевых и радиальных зазоров;

- малые диаметры соплового аппарата и рабочего колеса, приводящие к значительной кривизне торцевых ограничивающих поверхностей лопаточных аппаратов, что дает дополнительные потери;

- у турбин малых размеров снижению КПД способствуют низкие числа

Re.

Применение парциальных МРТ классического типа не позволяет решить поставленные задачи по созданию высокоэффективного малорасходного микротурбодетандерного генератора. Поэтому, в качестве основного варианта МРТ для микротурбинного генератора газораспределительных станций в работе рассматриваются турбины конструкции ЛПИ.

Рис.1. Схема проточных частей малорасходных турбин конструкции Л ПИ: а) - осевая; б) - центробежная; в) — центростремительная.

Во второй главе приводится математическая модель расчёта сверхзвуковых малорасходиых одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ. Математическая модель рис.2 состоит из следующих блоков: «Исходные данные», «Геометрическая модель МРТ», «Математическая модель газодинамических процессов в СА», «Модель утечек рабочего тела», «Математическая модель РК на активной дуге», «Математическая модель на

неактивной дуге», «Модель внутренних потерь в МРТ», «Интегральные характеристики».

Математическая модель МРТ построена таким образом, что выполняется процедура поиска корней балансовых уравнений

F,=Gca-Gpk+G51+Gki=0 (1)

F2=Gk-Gkh=0 (2)

Процедура поиска корней балансовых уравнений обеспечивает определение такого единственного сочетания давлений Pi и Р4 при котором с заданной точностью выполняются балансовые уравнения:

Используется комбинированный алгоритм.

Корни уравнений определяются методом функции «режима» F:

(3)

(4)

Исходные .

(3) и (4) минимизации

Геометрическая

Математическая модель газодинамических процесса в СА

Модель газодинамических

np'jWCCCeiOCeFOJiJ^opf:

Модель утечек рабочего

Математическая модель у^РКшатшжй&уге

Математическая модель РК и HeftrrtrSKC.fi дуге

Модель внутренних потерь в

Интегральные характеристики

Рис.2. Расчётная схема математической модели МРТ

А = ) < е2 — методом золотого сечения.

¿=1

В результате выполненного анализа натурных параметров микротурбинного генератора было проведено моделирование для определения режимных параметров модельной турбины с целью определения экономичности модельной турбины на номинальном и переменных режимах работы. При этом выдерживались следующие условия моделирования (равенство критериев подобия): Критерии кинематического подобия: коэффициент быстроходности

v = — »коэффициент

Сп

расхода <р =

степень

реактивности

С2, 112

Я,,

Ч'

выдерживаются в модели, равными соответствующим кинематическим

коэффициентам натурной ступени на расчётном режиме с помощью регулирования отношения давлений на ступень и ее нагрузки (в конечном счёте -частоты вращения рабочего колеса).

Динамическое подобие

Определяющими критериями динамического подобия являются числа Маха М, отношение теплоёмкостей к, числа Рейнольдса Ке, числа Струхаля БИ и критерий Эйлера Ей.

Критерий Эйлера также выполняется в геометрически подобных ступеЕшх при соблюдении условия \Hdcm в натуре и модели. Этот критерий, как показали опыты ЦКТИ, хорошо характеризует моделирование вторичных явлений в потоке при условии Ей =1с1ет для натуры и модели.

Геометрическое подобие

Главным принципом при выборе масштаба моделирования является стремление к созданию по возможности болынеразмерной модели. Очевидно, что при этом достигается лучшее моделирование по определяющим динамическим критериям подобия, в частности по критерию Рейнольдса при точном соблюдении числа Маха. Важным соображением является также более уверенное моделирование геометрии проточной части с учётом возможностей по точности изготовления и выдерживания шероховатости поверхностей деталей, образующих проточную часть ступени. Существенную роль играют размеры модели при траверсировании потока в контрольных сечениях, чем больше размеры контрольных сечений, тем, очевидно, меньше абсолютные градиенты неравномерностей распределения параметров потока, а, следовательно, выше точность измерений векторным зондом. Определяющими факторами при выборе коэффициента геометрического подобия проточной части были размеры экспериментального стенда и возможности воздуходувной станции лаборатории. Коэффициента геометрического подобия составил 1.

Результаты моделирования натурной турбины МДГ-20 приведены в таблице 1.

Таблица 1

№ Пп Наименование параметра Разм. Натурные условия Модельные условия

1 Число Маха по скорости выхода из НА, МС| - 1,2 1,2

2 Давление перед турбиной, р0 Па 1,5-10л 0,247-106

3 Температура перед турбиной, Т0* К 327,4 320

4 Рабочее тело - Природный газ Воздух

5 Расход рабочего тела, в кг/с 0,301 0,067

6 Характеристическое число и/Со - 0,454 0,454

7 Окружная скорость на периферии РК, и м/с 237,5 172,2

8 Частота вращения ротора, п об/ми 36000 26100

9 Мощность турбины, кВт 29,6 3,5

10 Число Рейнольдса. Яе - 0,69836-106 0, 19133-Ю6

На основе проведенной оптимизации выполнен и обоснован выбор модельных параметров, произведено расчётное исследование на номинальном и переменных режимах модельной ступени микротурбодетандерного генератора. Рассмотрены два варианта МРТ- осевая и центростремительная турбина

Рис.4. Конструктивная схема осевой турбины

Модельная центростремительная турбина была разработана на основании опыта исследования и проектирования таких турбин на кафедре турбинных двигателей и установок. Анализ характеристик приведён в диссертации. Для дальнейшего исследования был принят вариант осевой МРТ, имеющей лучшие прочностные характеристики.

Третья глава

Для исследования особенностей структуры потока в проточной части турбинной ступени применён метод численного моделирования. Он позволяет получить информацию о структуре поля потока в ступени в дополнении к данным, полученным в натурных экспериментах или в экспериментах на

конструкции ЛПИ. На основании выполненных расчётов были разработаны две модельных МРТ, приведенных на рис. 3, 4.

Рис.3. Конструктивная схема центростремительной турбины

модельной турбине. Необходимость применения этого метода в данной работе обусловлена особенностями исследуемой проточной части, которая имеет малые геометрические размеры и не даёт возможности использовать в эксперименте измерительные зонды для детального исследования потока. Метод численного моделирования используется в дополнение к аэродинамическому эксперименту, что позволит уменьшить затраты времени и средств за счёт сокращения количества экспериментов па модельной турбине. На основании детальных данных о структуре потока в ступени, полученных методом численного моделирования, представляется возможным судить об эффективности рабочего процесса в ступени и разработать способы его совершенствования.

В основе метода численного моделирования используется система уравнений, описывающих движение потока газа. В эту систему входят уравнения сохранения количества движения, энергии и неразрывности. Кроме того, используется уравнение состояния газа. Учитывается также вязкость газа и турбулентный характер течения. В процессе численного моделирования эта система уравнений решается методом конечных объёмов с учётом заданных граничных условий.

В настоящее время имеются значительные успехи в разработке численных методов решения уравнений, описывающих движение вязкого турбулентного потока газа. Применение этих методов на практике требует квалифицированного подхода и проверки достоверности полученных расчетных данных путем сопоставления их с экспериментальными данными.

Рис.5. Фрагмент расчётной сетки По итогам главы можно сделать следующие выводы: На выходе из соплового аппарата поле потока имеет сложную пространственную структуру. Значительная неравномерность по шагу

соплового аппарата и по радиусу объясняется в основном большим шагом и малым значением угла аиаш. Параметры потока в лопаточном аппарате рабочего колеса распределены неравномерно по шагу и по радиусу. На входе в рабочее колесо и на выходе имеются значительные радиальные составляющие скорости. Осевая проекция скорости неравномерно распределена по радиусу. На выходе из рабочего колеса на среднем радиусе расходная составляющая скорости практически равна нулю. Максимальное значение КПД осевой турбинной ступени получено при и/Со=0.456. Значение лежит в пределах от 0.571 до 0.585. Изучение физической картины течения рабочего тела в проточной части малорасходной турбины позволило выработать рекомендации по построению натурной малорасходной турбины микротурбодетандерного генератора.

В четвёртой главе дано описание экспериментального стенда, экспериментальной установки, объектов исследования и методики проведения и обработки экспериментальных данных. Схема стенда изображена на рис.6.

Рис.6. Схема экспериментального стенда для исследования

Для определения показателей, характеризующих совершенство проточных частей исследуемых объектов, и суммарных внешних характеристик ступеней, в программной среде Master SCAD А разработаны методики обработки экспериментальных данных в режиме реального времени.

На рис.7 представлен продольный разрез экспериментальной установки для исследования осевых турбинных ступеней.

Основным элементом установки является нагрузочное устройство -индукторный тормоз, позволяющий проводить исследования турбин в широком диапазоне изменения мощности и частоты вращения.

Для исключения потерь мощности на трение в подшипниках вала применяется схема с взвешиванием подшипников вала в подшипниках корпуса тормоза (схема "подшипник в подшипнике"). Применение моментомера III позволяет разделить потери кинетической энергии в исследуемой турбинной ступени. Данная система позволяет полностью разделить потери кинетической энергии в сопловом аппарате, в рабочем колесе и потери с выходной скоростью. Расчётные и экспериментальные характеристики подробно приведены в диссертации.

испытания модельных малорасходных центробежных турбин

В ии I ой главе приводятся результаты экспериментального исследования модельной турбины и их сравнение с расчетными данными.

Внутренний КПД ступени:г] = 14, /(в¿-Ьо).Эффективная мощность, развиваемая турбиной: N, = М ,10,,[Вт]. Термодинамическая степень реактивности: р.г = [(/>, /- (р2 /рУ~"к ]/[1 - (р2 / д)*'"*]■ Остальные характеристики определялись решением уравнений моментов, измеренных в ходе эксперимента.

Таблица 2

№№ п/п Обозначение Размерность Абсолютная погрешность Относительная погрешность

1. NB кВт 0,09 0,3

2. G кг/с 0,009 1,7

3. н; кДж/кг 0,35 0,23

4. Цв % 0,015 1,63

Для увеличения точности величин, дающих наибольшую погрешность, применяется многократное повторение замеров значений определяющих параметров, во всем диапазоне изменения ят, и/Со, N0-

Основные результаты испытаний приводятся ниже:

П. 0,8

Мв„,

м„„

0,7

0,6

0,5 0.4 0.3

0.2 0,1 О -0,1

Рис. 8. Зависимости основных характеристик турбинной ступени ЛПИ МДГ-20

в зависимости от (и/Со) 1 - расчётный окружной КПД для РК с бандажом; 2 - расчётный внутренний КПД для РК с бандажом; 3 - экспериментальный внутренний КПД для колеса без бандажа; 4 — расчётный внутренний КПД (ANSYS); 5 — расчётная внутренняя мощность для РК с бандажом; 6 - расчётный момент для РК с бандажом

Рис.9. Зависимость степени реактивности рт и характеристического числа и/С() от частоты вращения ротора при Ро=0,13 МПа и Ра=0,1013 МПа

Как видно из рис. 9, экспериментальные данные характеристического числа и/Со и степени реактивности рт очень близки к расчётным данным. В составе ступени ЛПИ на стенде применялось осевое колесо без бандажной полки, что снизило КПД турбины по отношению к расчёту на 10%.

Приведенные результаты исследований, их выводы и рекомендации следует учитывать при проектировании, создании и натурных исследованиях микротурбодетандерпых генераторов, приведённых на рис. 10 и рис.11.

Ротор Генератор Турбина

/

Щ 11

Рис. 11. Конструктивная схема осевой турбины

Генератор Турбина-Ротор,

Рис. 10. Конструктивная схема центростремительной турбины

Заключение

1. В результате выполненной диссертационной работы разработаны и экспериментально исследованы модельные турбины конструкции ЛПИ для применения их в микротурбодетандерных на следующие модельные параметры Ро=0,247 МПа, Т0=320 К, п-26100 об/мин, G=0,067 кг/с. Уровень КПД в варианте МРТ с PK без бандажа составил 59% при и/С0=0.45, а с PK с бандажом 67.5% при и/Со=0.455.

2. Выполнено моделирование параметров натурных микротурбодетандерных генераторов на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ для их исследования на воздухе на стендах СПбГПУ.

3. Разработка математической модели расчёта сверхзвуковых одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ для диапазона изменения параметров тст = 2...5, МС1=1...2, ТО = 288...350К.

4. Проведён численный эксперимент в трёхмерной постановке модельной малорасходной турбины конструкции ЛПИ с целью изучения физической картины течения рабочего тела в проточной части и оценки характеристик малорасходной турбины.

5. Выполнено обобщение экспериментальных характеристик исследованных МРТ разного типа с целью использования таких турбин в микротурбодетанденрых генераторах.

6. Разработаны рекомендации по проектированию турбин для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ

7. Создана экспериментальная база и методика проведения и обработки экспериментальных данных для исследования малорасходных турбин конструкции ЛПИ для повышения их экономичности и надёжности в составе микротурбодетандерных генераторов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

в рецензируемых журналах, входящих в ВАК РФ:

1. Матвеев Ю.В., Рассохин В.А., Забелин H.A. Основные направления развития микротурбинных технологий в России и за рубежом // Научно-технические ведомости СПбГПУ.-2011,- №4,- С.41-51;

2. Матвеев Ю.В., Рассохин В.А., Забелин H.A., Харисов И.С. Методика проведения экспериментальных исследований ступеней турбоустановок малой мощности на стендах СПбГПУ // Научно-технические ведомости СПбГПУ.-2012,- №1,- С.119-122;

в других изданиях:

3. Матвеев Ю.В., Рассохин В.А., Забелин H.A., Разработка автономного локального источника электрической и тепловой энергии на природном газе, предназначенного для электро- и теплоснабжения ГРС, XXXVII Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. Ч. III. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008.-С.41-42;

4. Матвеев Ю.В., Рассохин В.А., Беседин С.Н., Миронов В.В., Результаты испытаний модельной камеры сгорания для газотурбинного двигателя мощностью 100 кВт, XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. III. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - С.51-53;

5. Матвеев Ю.В., Рассохин В.А., Забелин H.A., Миронов В.В., Разработка автономного локального источника электрической энергии на природном газе электрической мощностью 26 кВт применительно к требованиям ГТС ООО «Лентрансгаз»», XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. III. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - С.53-54;

6. Матвеев Ю.В., Рассохин В.А., Раков С.Г. Беседин С.Н., Миронов В.В., Модернизация экспериментальных установок для исследования малорасходных турбин автономных источников электрической энергии малой мощности», XXXVIII международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ»: материалы докладов. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. — С. 57-59;

7. Матвеев Ю.В., Рассохин В.А., Раков Г.Л., Забелин H.A., Стенд для исследования высокооборотных модельных ступеней малорасходных турбин конструкции ЛПИ», Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке : материалы XVII Междунар. науч.-метод, конф. 11-12 февраля 2010 года, Санкт-Петербург. Т. 1. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010.-С.262-263.

Подписано в печать 14.11.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 9949Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Условные обозначения, индексы и сокращения.

У ведение.

Глава 1 Обзор и состояние развития современных малорасходных турбин.

1.1 Обзор малорасходных турбин

1.2 Обоснование применения мрт конструкции лпи.

Глава 2 Математическая модель расчёта сверхзвуковой одноступенчатой турбины конструкции лпи и моделирование турбинной ступени.

2.1 Математиская модель расчёта сверхзвуковой одноступенчатой турбины конструкции ЛПИ.

2.2 Алгоритм расчёта ступени газовой турбины.

2.3 Моделированиеступени турбины.

Глава 3 Численное моделирование аэродинамического поля потока в осевой турбинной ступени ЛПИ.

3.1 Метод численного моделирования.

3.2 Геометрия модельной турбины.

3.3 Построение геометрической модели.

3.4 Расчётная сетка.

3.5 Физические свойства рабочего тела.

3.6 Граничные условия.

3.7 Модель турбулентности.

3.8 Выполнение расчёта.

3.9. Анализ результатов расчёта.

3.10 Структура поля потока в сопловом аппарате.

3.11 Структура поля потока в рабочем колесе.

3.12 Окружной КПД ступени.

3.12.1 Характеристики соплового аппарата.

3.12.2 КПД ступени.

3.13 Оценка осевой силы.

3.14 Мощность модельной турбины.

3.15 Результаты численного моделирования аэродинамического поля потоков осевой турбинной ступени.

Глава 4 Экспериментальный стенд, экспериментальная установка, объекты исследования, методики проведения и обработки экспериментальных данных малорасходных турбин конструкции ЛПИ.

4.1 Объекты исследования.

4.1.1 Экспериментальная расширительная турбина конструкции ЛПИ осевого типа.

4.1.2 Расширительная турбина конструкции ЛПИ центростремительного типа.

4.2 Методика проведения и обработки экспериментальных данных.

4.2.1 Материально-техническая база для проведения модельных и натурных исследований

4.3 Методы измерения и приборы.

4.4 Обработка опытных данных.

4.4.1 Методика обработки опытных данных при определении коэффициентов потерь и других газодинамических параметров малорасходной турбины.

4.4.2 Оценка погрешности суммарных характеристик турбинных ступеней.

Глава 5 Результаты модельных исследований.

5.1 Результаты расчётных исследований.

5.2 Результаты экспериментального исследования.

Малорасходные турбинные ступени широко применяются для привода вспомогательных агрегатов (насосов, генераторов и др.) в энергетических установках и системах бортовых источников питания космических и подводных аппаратов, в судовых турбинах заднего хода, агрегатах наддува двигателей внутреннего сгорания.

Требования надёжности, простоты и технологичности конструкции, массогабаритные и прочностные ограничения, малые объёмные расходы рабочего тела при высоких начальных параметрах обусловили применение в основном малорасходных турбин (МРТ). Практически во всех областях применения высокая экономичность в широком диапазоне режимов работы является обязательным условием.

В настоящее время редуцирование давления природного газа магистрального газопровода (МГ) (50. 70 бар) производится на газораспределительных станциях (ГРС) до давления, необходимого потребителю (3.12 бар), при этом, как правило, энергия сжатого газа не используется. Эту энергию сжатого газа можно использовать в микротурбодетандерных установках (МДГ) для выработки полезной мощности.

Для создания таких установок требуются малорасходные турбины, работающие при сравнительно малых объемных расходах и высоких начальных параметрах рабочего тела. Использование трансзвуковых и сверхзвуковых высокооборотных турбинных ступеней позволяет срабатывать в них большие теплоперепады энтальпий при сравнительно высокой экономичности, существенно сократить число ступеней турбины и повысить компактность всей установки в целом. Над созданием таких малорасходных турбин с высоким перепадом работают многие организации страны (МАИ, МЭИ, МГТУ, СПбГПУ, СПбМУ, НПИ, КЗТ и др.).

Выполненный анализ показал, что для создания микротурбодетандерных установок, рациональным является применение турбин конструкции ЛПИ, в которых устраняются парциальные потери, характерные для малорасходных турбин. Это обеспечивается малыми углами выхода потока из соплового аппарата, большими углами поворота и относительным шагом в лопатках рабочего колеса. При этом резко сокращается число лопаток, упрощается конструкция и технология изготовления турбины. Особенности кинематики таких турбин позволяют обеспечить их высокую надежность в условиях высокотемпературного и двухфазного рабочего тела. Такие турбины были предложены профессором И. И. Кирилловым в конце 60-х - начале 70-х годов прошлого века, а в дальнейшем конструктивно разработаны и исследованы на кафедре турбинных двигателей и установок под руководством профессора В.А. Рассохина в СПбГПУ в течение последних 20 лет.

Целью работы является разработка и экспериментальное исследование модельных турбин конструкции ЛПИ для применения их в микротурбодетандерных генераторах для выработки электрической энергии на собственные нужды газораспределительных станций.

Для реализации цели работы были поставлены и решены следующие задачи: моделирование параметров натурных микротурбодетандерных генераторов на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ для их исследования на воздухе на стендах СПбГПУ; разработка математической модели расчёта сверхзвуковых одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ;

- проведение численного эксперимента в трёхмерной постановке модельной малорасходной турбины конструкции ЛПИ с целью изучения физической картины течения рабочего тела в проточной части и оценки характеристик малорасходной турбины;

- обобщение экспериментальных характеристик исследованных МРТ разного типа с целью использования таких турбин в микротурбодетанденрых генераторах;

- создание экспериментальной базы и методик проведения и обработки экспериментальных данных для исследования малорасходных турбин конструкции ЛПИ для повышения их экономичности и надёжности в составе микротурбодетандерных генераторов.

Научную новизну диссертационной работы составляют: параметры модельной малорасходной турбины для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ (Р0=0,247 МПа, Т0=320 К, п=26100 об/мин, G=0,067 кг/с);

- математическая модель номинального и переменного режимов работы МРТ, в диапазоне изменения параметров: 7tT = 2.5, MCi=1.2, Т0 = 288.350К;

- физическая 3-D модель течения в малорасходной турбине конструкции

ЛПИ;

- физическая структура течения рабочего тела в проточной части малорасходной турбины;

-характеристики модельной малорасходной турбины микротурбодетандерного генератора на номинальном режиме (/7 = 0,684, п=26100об/мин, и/Со=0,454, Тг=277К) и переменных режимах.

Практическая значимость: разработана методика расчета и проектирования МРТ для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ; разработаны рекомендации по проектированию турбин для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ;

- получены характеристики турбины на номинальном и переменных режимах.

В первой главе приводится обзор и обоснование применения МРТ конструкции ЛПИ для использования в микротурбодетандерных генераторах. Проводится обзор факторов, влияющих на эффективность МРТ.

Во второй главе приводится математическая модель расчёта сверхзвуковых малорасходных одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ. Математическая модель состоит из следующих блоков: «Исходные данные», «Геометрическая модель МРТ», «Математическая модель газодинамических процессов в СА», «Модель утечек рабочего тела», «Математическая модель РК на активной дуге», «Математическая модель на неактивной дуге», «Модель внутренних потерь в МРТ», «Интегральные характеристики». Приводится моделирование натурной турбины.

Третья глава диссертации посвящена исследования особенностей структуры потока в проточной части турбинной ступени, применяется метод численного моделирования. Он позволяет получить информацию о структуре поля потока в ступени в дополнении к данным, полученным в натурных экспериментах или в экспериментах на модельной турбине.

В четвертой главе приводится описание экспериментального стенда, экспериментальной установки, объектов исследования и методики проведения и обработки экспериментальных данных.

В пятой главе приводятся результаты экспериментального исследования модельной турбины и их сравнение с расчётными данными.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложении 1 приводятся сокращения, принятые во второй главе.

1. ОБЗОР И СОСТОЯНИЕ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН

5. Результаты исследования модельной турбины

5.1. Результаты расчётных исследований модельной турбины

В ходе работы была рассчитана модельная турбина со следующими параметрами:

Р0=0,247МПа, Т0=320К, п=26100 об/мин, 0=0,067 кг/с.

Были рассчитаны номинальный и переменные режимы работы. Результаты приводятся ниже.

Влияние степени парциальности на 1ЧВН турбины, г|вн, термодинамическую степень реактивности и на расход в через турбину. Результаты расчётов приводятся в таблицах 5.1 и 5.2.

Заключение

1. В результате выполненной диссертационной работы разработаны и экспериментально исследованы модельные турбины конструкции ЛПИ для применения их в микротурбодетандерных на следующие модельные параметры Р0=0,247 МПа, Т0=320 К, п=26100 об/мин, G=0,067 кг/с. Уровень КПД в варианте МРТ с РК без бандажа составил 59% при и/Со=0.45, а с РК с бандажом 67.5% при и/Со=0.455.

2. Выполнено моделирование параметров натурных микротурбодетандерных генераторов на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ для их исследования на воздухе на стендах СПбГПУ.

3. Разработка математической модели расчёта сверхзвуковых одноступенчатых турбин конструкции ЛПИ для диапазона изменения параметров щ = 2.5, Mci=1.2, ТО = 288.350К.

4. Проведён численный эксперимент в трёхмерной постановке модельной малорасходной турбины конструкции ЛПИ с целью изучения физической картины течения рабочего тела в проточной части и оценки характеристик малорасходной турбины.

5. Выполнено обобщение экспериментальных характеристик исследованных МРТ разного типа с целью использования таких турбин в микротурбодетанденрых генераторах.

6. Разработаны рекомендации по проектированию турбин для микротурбодетандерного генератора на основе малорасходных турбин конструкции ЛПИ

7. Создана экспериментальная база и методика проведения и обработки экспериментальных данных для исследования малорасходных турбин конструкции ЛПИ для повышения их экономичности и надёжности в составе микротурбодетандерных генераторов.

1. Бусурин В.Н., Головин Н.М., Рассохин В.А., Садовничий В.Н. Разработка и оптимизация паровых турбин ГПУ малой мощности на основе малорасходных ступеней ЛИИ. XXX Коллоквиум Техн. Университет. Дрезден. 1998

2. Бусурин В.Н., Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Рассохин В.А. Исследование влияния открытого и закрытого осевых зазоров на эффективность и осевое усилие малорасходных турбинных ступеней. Отчёт ЛИИ, т.323152, Л., 1985, № гос. per. 0285.0038795

3. Бусурин В.Н., Иванов В.А., Рассохин В.А. Многоцелевые автономные энергетические установки малой мощности(статья). Теплоэнергетика №3, 1993

4. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Симашов P.P. Оптимальное проектирование многоцелевых , многорежимных, автономных энергетических установок // Тез. докл. Дальневосточной научн.-техн. конф. "проблемы транспорта Дальнего Востока". 1995. Владивосток. С.19.

5. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Садовничий В.Н., Высоконагруженные малорасходные ступени ЛПИ для перспективных турбоустановок. Сб. научных трудов. Исследование элементов теплоэнергетических установок. Изд БГТУ. Брянск. 1999

6. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Шемагин А.К., Головин Н.М. Многорежимная оптимизация автономных энергетических установок // Материалы научно-технической конференции МОП РФ и МАНВШ. 1997. Санкт-Петербург.

7. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Бенько A.B. Моделирование переменных режимов работы малорасходных турбин с большим относительным шагом// Тез. Докл. Юбилейной научн.-техн. Конф. "Инновационные наукоёмкие технологии для России". 1995., С.-Петербург., С.47.

8. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Садовничий В.Н., Бенько A.B. Моделирование и многорежимная оптимизация малорасходных турбин// Тез. докл. Юбилейной научн.-техн. конф. "Инновационные наукоёмкие технологии для России". 1995., С.-Петербург., С.39

9. Головин Н.М., Рассохин В.А., Садовничий В.Н. Принципы создания частей перспективных турбин на основе профилей ЛПИ с большим относительным шагом(тезисы). Тезисы докладов научно-техн. Конф. РАН, ОИВТ РАН Москва, 1997

10. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Рассохин В.А. Аэродинамическое совершенствование проточных частей перспективных паровых и газовых турбин. Экспериментальное исследование решеток с большим относительным шагом. Отчёт о НИР, т.323152,1984

11. Гринкруг JI.C., Кириллов И.И., Рассохин В.А. Оптимальный относительный шаг турбинных решёток(статья). НИИинформ-энергомаш, № 267 ЭМ-85 ДЕП от 28.05.85

12. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Исследование сверхзвуковых решеток профилей малорасходных турбин. Отчёт ЛПИ, т.323151, Л., 1987, инв. № 0287.0089569

13. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Исследование турбин малой пропускной способности с большим относительным шагом(статья). Труды ЛПИ, №426, 1988

14. Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Совершенствование высокоперепадных турбин с малым объёмным расходом рабочего тела(статья). НИИинформэнергомаш №71 ТМ-88 Деп. От 15.04.88

15. Гринкруг Л.С., Куприянов O.E. Средства и методы экспериментального исследования аэродинамических характеристик сверхзвукового облопачивания для турбинных ступеней на этапе отработки плоских решеток(статья). НИИинформэнергомаш №71 ТМ-88 Деп. От 15.03.88

16. Гринкруг Л.С., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Сверхзвуковой стенд для исследования плоских решеток профилей(статья). «Информационный листок ЛенЦНТИ» №351-88. 1988

17. Гринкруг Л.С., Ласкин A.C., Раков Г.Л., Рассохин В.А. Выбор основных оптимальных геометрических параметров малорасходных турбинных ступеней. Отчёт ЛПИ, т.323152, Л„ 1985, № гос. per. 0285.0057303

18. Кириллов И.И., Гринкруг Л.С., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Выбор оптимальных геометрических параметров осевых малорасходных турбин . // Тез.

19. Докл. Всесоюзной научно-технической конф.: Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение. 28-29 января 1987г. JL, 1987. -С. 118-119.

20. Кириллов И.И., Куприянов О.Е., Раков Г.Л., Рассохин В.А. Совершенствование высокоперепадных турбин с малым углом выхода потока из СА и большим относительным шагом лопаток рабочего колеса. НИИЭинформэнергомаш. №71 ТМ-88 Деп. От 15.04.88

21. Кириллов И.И., Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. Тема (тезисы). Тезисы докладов Всесоюзной конференции М., МАИ, 1981

22. Кириллов И.И., Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. Тема. Отчёт т.1222,1976

23. Кириллов И.И., Приеменко С.Б., Рассохин В.А., Родин К.Г. Исследование центростремительных турбинных ступеней с большим относительным шагом. Отчёт о НИР, т.304201,1984

24. Кириллов И.И., Раков Г.Л., Рассохин В .А., Родин К.Г. Спец. тема .Отчёт ЛПИ, №.304201, Л, 1985, инв. № Н-2264

25. Кузнецов С.Е., Рассохин В.А., Соломахин Ю.В. Комплексный стенд для исследований и разделения потерь моделей одноступенчатых и биротативных турбин(статья). «Информационный листок ЛенЦНТИ», 1100-85

26. Медвинская В.П., Рассохин В.А., Родин К. Спец. Тема. Отчёт т.7900, 1977

27. Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. тема. Отчёт т.3369, 1979

28. Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. тема. Тех. справка т.6166,1979169

29. Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. тема. Тех. Справка т.6166, этап2.1980

30. Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г. Спец. тема. Тех. Справка т.6166, этап3.1981

31. Носов В.В., Рассохин В.А., Родин К.Г., Шемагин А.К. «Информационный листок ЛенЦНТИ» 1978, N927

32. Рассохин В.А. Турбины конструкции ЛПИ: Преимущества, характеристики, опыт разработки и применение.

33. Рассохин В.А, Олейников С.Ю., Полищук В.Г., Бусурин В.Г., Раков Г.Л. Высокоэффективные малогабаритные паровые турбины для современных теплоэнергетических установок.

34. Рассохин В.А. Выбор параметров малорасходных турбин. Методические указания / СПбГТУ. СПб., 1997

35. Рассохин В.А., Раков Г.Л., Никитенко Е.Л., Фершалов Ю.Я., Смирнов К.А. Экспериментальный стенд для исследования малорасходных турбин при высоких степенях расширения // Информ. Листок ЛенЦНТИ. Л., 1990. №423-90. С.4

36. Рассохин В.А., Родин К.Г. и др. Новый экспериментальный стенд(статья). «Информационный листок ЛенЦНТИ», 1979, N85

37. Рассохин В.А., Фершалов Ю.Я. Сопловые аппараты с малым углом выхода // Труды ДВГТУ. Сер. 3. Кораблестроение и океанотехника. Владивосток, 1993. -Вып. 111.-С.75-78.

38. Рассохин В.А., Садовничий В.Н., Черников В.А. Высоконагруженные ступени для перспективных паровых и газовых турбин (тезисы на немецком языке). XXX Коллоквиум Техн. Университет. Дрезден. 1998

39. Исследование и выбор направления проектирования модульной торпедной установки замкнутого цикла: Отчёт о НИР / ЛПИ; Руководитель темы И.И. Кириллов. № 6166/24/79; инв.№ Н-2994 с. - Д.: 1981. - 138 с.

40. Исследование высокотемпературных малорасходных турбин с большим относительным шагом лопаток рабочих колёс. Отчёт / ЛПИ; Руководитель темы В.А. Рассохин. 304605, Л.: 1989. 194 с.

41. Изыскание путей создания сверхлёгкой паротурбинной установки полностью замкнутого цикла для малогабаритных МГТ. Отчёт / ЛПИ. Руководитель темы Л.В. Арсеньев № 304604, 1988. - 337 с.

42. Разработка и экспериментальные исследования турбинного двигателя на перспективных топливах: Отчёт о НИР / ЛПИ; Руководитель темы И.И. Кириллов. № 30420ІЖ Инв. № Н-2264с. - Л.: 1985. - 360 с.

43. Совершенствование высокоперепадных турбин с малыми объемными расходами рабочего тела./ Гринкруг Л.С., Кириллов И.И., Куприянов O.E., Рассохин В.А. Ленингр. политехи, ин-т. Л., 1988.-12 с.-Деп. В ЦНИИЭМ

44. Экспериментальные исследования решеток профилей с большим относительным шагом: Отчёт / ЛПИ; Руководитель темы И.И. Кириллов. № 323152; Инв. № 0284.0054811. Л., 1984. - 67 с.