автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Тепловые, газодинамические и механические процессы в ступенях поршневых машин

На правах рукописи

Колеснев Дмитрий Петрович

Тепловые, газодинамические и механические процессы в ступенях поршневых машин

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2014

005549047

Работа выполнена в федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (Институт Холода и Биотехнологий).

Научный руководитель: Прилуцкий Игорь Кирович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Хрусталев Борис Сергеевич

доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Арсеньев Иван Андреевич кандидат технических наук, начальник проектно-производственного отдела ЗАО "ИЦ'Технохим"

Ведущая организация: ОАО «Компрессор», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится « _2014 г. в часов

на заседании диссертационного Совета Д 212.227.08 при ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики» по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д.9, тел./факс: (812) 315-30-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « ¡0 » (УАЛ.^Сх./.с '1^ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.08

/

Рыков Владимир Алексеевич

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

На сегодняшний день существует большое количество проблем в изучении процессов, протекающих в поршневых машинах (ПМ). Учитывая современную тенденцию форсирования ПМ по частоте вращения вала на сегодняшний день актуально прогрессивное развитие и практическое применение расчетных методик основанных на математическом моделировании рабочих процессов, позволяющих с высокой точностью воспроизводить совокупность тепловых, газодинамических и механических процессов в ступени ПМ и в прилегающих коммуникациях. Обзор публикаций, посвященных комплексному моделированию процессов в ступенях поршневых машин и прилегающих коммуникациях, показал, что их число и практическое применение весьма ограничены из-за несоответствия сущности ранее созданных методик современному уровню.

В то же время современное развитие численных методов моделирования, информационных технологий и вычислительной техники позволяет переходить от решения задач, допускающих осреднение исследуемых параметров, к прогрессивным математическим моделям, раскрывающим взаимосвязь конструкции элементов объекта исследования с протекающими процессами. Современные средства визуализации в сочетании с подробной детализацией рассматриваемых физических процессов позволяют глубже изучить и проанализировать степень совершенства протекающих процессов и рекомендовать оптимальные технические решения объекта исследования.

Наиболее подробно методы используемые в моделировании процессов в области поршневых машин изложены в монографиях и др. публикациях профессора Архарова A.M., Петриченко P.M., Пластинина П.И. В то время как в диссертациях на соискание ученых степеней докторов технических наук профессоров Фотина Б.С. [56] , Прилуцкого И.К., Хрусталева Б.С. существует подробный критический анализ большого количества работ в данной области. В отдельную категорию стоит выделить работы Видякина Ю. А., Кондратьевой Т. Ф., Петровой Т. Ф., Хачатуряна С.А. и др., посвященных исследованию акустических процессов применительно к ПМ и их ТПО.

Целью работы является:

- Разработка, совершенствование и апробация прогрессивных методик расчета базирующихся на математическом моделировании комплекса одновременно протекающих и взаимосвязанных рабочих процессов (акустические, газодинамические, тепловые и механические процессы) в поршневых машинах.

- Изучение колебаний давления в трубопроводных обвязках (ТПО) поршневых машин. Разработка методик, позволяющих прогнозировать оптимальные геометрические соотношения ТПО, способствующие снижению уровня акустических колебаний газа в коммуникациях ПМ.

- Разработка универсального акустического фильтра для ПМ с широким диапазоном частот вращения вала и повышенной эффективностью по сравнению с традиционными пустотелыми гасителями пульсаций давления.

- Планирование и проведение численного эксперимента, по результатам которого оценивается газодинамическое совершенство выхлопных окон детандерной ступени и рекомендуется оптимальная конструкция окон.

- Расчетный анализ теплового состояния элементов ступени ПМ.

Научная новизна

Разработаны 3-х мерные математические модели рабочих процессов в элементах (впускная полость - цилиндр - выпускная полость) ступеней ПМ, воспроизводящие взаимосвязь и последовательность протекающих процессов во времени, учитывающие конечность объёмов примыкающих к цилиндру полостей и позволяющие определять скорости, плотность, температуру, давление и другие параметры в любой точке исследуемой полости с учетом следующих факторов:

1. влияния геометрии прилежащих полостей на процессы в цилиндре ПМ;

2. расположения клапанов на тепловые и газодинамические процессы;

3. материала элементов ЦПГ на тепловые процессы внутри ступени ПМ;

4. акустических (в частности, резонансных) явлений в ступени ПМ.

Получены новые данные о влиянии профиля выхлопных окон ступени

поршневого детандера на процесс выхлопа и характер газовых потоков в выхлопной полости, что позволило сформулировать рекомендации по проектированию выхлопной полости.

Проведено комплексное исследование акустических колебаний газового столба в ТПО ступени ПК с получением полного спектра частот колебаний давления в любой точке 3-х мерной модели ТПО.

Проведено подробное исследование акустических процессов в линии трубопроводной обвязки поршневого компрессора и сравнение результатов применяемой методики с результатами эксперимента.

Разработан акустический фильтр реактивного типа, используемый для уменьшения колебаний давления в ТПО ступени ПК с переменной частотой вращения вала, и превосходящий по эффективности традиционно используемую пустотелую емкость.

Автор защищает:

- Результаты исследования акустических процессов в трубопроводных линиях высокооборотных компрессорных машин, на примере различных моделей с разным количеством источников возмущения при использовании традиционного источника гашения пульсации давления и предложенного акустического фильтра.

- Результаты анализа тепловых полей и газодинамических процессов в ПМ.

- Конструкция акустического фильтра применимого на поршневых компрессорах с переменной частотой вращения вала.

Практическая ценность результатов работы:

Проведено численное моделирование газодинамических процессов в цилиндре поршневого компрессора с целью установления реального уровня пульсации давления на выходе ступени компрессора.

Разработана конструкция акустического фильтра в виде камерного гасителя пульсаций давления на примере линии нагнетания 1-й ступени компрессора трубопроводной обвязки Волгоградской СПХГ.

Выполнен комплексный газодинамический, акустический модальный анализ акустического фильтра в виде камерного гасителя пульсаций давления в составе трубопроводной обвязки линий нагнетания 1-й ступени поршневого компрессора.

Моделирование процессов протекающих в поршневом детандере низкого давления, с применением МКО, в полной мере позволило получить распределение основных характеристик рабочего тела и газодинамических параметров в течение рабочего цикла, в том числе зависимостей коэффициента теплоотдачи в различных точках расчетной модели.

По результатам серии расчетов процесса выхлопа в окнах различной конструкции оценено влияние конструкций на качество процесса.

Получена новая информация о параметрах процессов теплообмена (о скоростях движения газа в замкнутых полостях с переменными во времени объёмом и уровнем коэффициентов теплоотдачи) в различных локальных точках объекта исследования - дожимающей ступени компрессора с поршнем двойного действия.

Выявлены и обоснованы причины качественной не идентичности рабочих процессов в передней и задней полостях дожимающей ступени компрессора.

Апробация работы:

Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 38-ой научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. СПбГУНиПТ. 22.02.2011;

V международной научно-технической конференции "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке". СПбГУНиПТ. 22.11.2011 - 24.11; 39-ой научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. СПбГУНиПТ. 22.02.2012,; на конференции "60-летие кафедры криогенной техники Института холода и биотехнологий СПбНИУ ИТМО", 22.02.2013

Публикации: По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 77 наименований и приложения. Диссертация содержит 118 страниц основного машинописного текста, 246 рисунков и 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научные проблемы, научная новизна, цель которую ставил перед собой автор. Изложена структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Первая глава посвящена анализу исследуемых в работе проблем, обзорному анализу литературы посвященной решению задач схожих с основной темой работы. Описывается математический аппарат, используемый в моделировании процессов изучаемых в диссертации.

Метод конечных объемов (МКО) является частным, причем более простым, а следовательно, более быстродействующим вариантом метода конечных элементов (МКЭ), хотя разработчики метода его таковым не считали. Он был разработан как альтернатива методу конечных разностей, а его применение для анализа газо- гидродинамических процессов было показано позднее. Консервативные схемы метода конечных разностей являются частными случаями (вариантами) метода конечных объемов на регулярной расчетной сетке, связанной с используемой системой координат.

Исходным объектом для применения МКЭ является материальное тело (в общем случае — область, занимаемая сплошной средой или полем), которое

разбивается на части - конечные элементы. В результате разбивки создается сеточная структура из границ элементов.

Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину, такую, как температура, давление и перемещение, можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей.

Не смотря на популярность МКЭ наиболее полно в работе применяется МКО. Применение данного метода нашлось преимущественно в задачах гидрогазодинамики где он себя больше всего зарекомендовал.

Одним из важных свойств МКО является то, что в нем заложено точное интегральное сохранение таких величин, как масса, количество движения и энергия на любой группе контрольных объемов, следовательно, и на всей расчетной области. Это свойство проявляется при любом числе узловых точек. Таким образом, даже решение на грубой сетке удовлетворяет точным интегральным балансам.

Основные положения МКО удобно излагать, рассматривая «стандартное» уравнение баланса некой величины ф в контрольном объеме П, ограниченном поверхностью Б = Х5к с внешней нормалью п:

(1)

П к п

Я=р9ф-сНф; (2)

- вектор плотности потока величины, включающей конвективную и

диффузионную составляющие;

<3 - плотность распределения объемных источников;

- вектор скорости;

р - плотность среды; а - коэффициент диффузии.

При решении задач использовалась модель турбулетности основное решение которое представляется двумя уравнениями: к - уравнение:

д(рк), 8

ш - уравнение:

а дх1 ^ ' ^ дх.

ак)дх1

(3)

Ы дх1 1 8х]

дх,

+ а^Рк-р/}а>2 + Рй1Ь

(4)

При решении задач методом конечных объемов для описания свойств веществ использовалось двухпараметрическое уравнение Редлиха-Квонга, модифицированное Аунжи:

р = Л1___(5)

у-Ъ+с и(и+Ь) ' 4 '

где и - удельный объем.

v = l /р. (6)

В стандартной модели Редлиха-Квонга параметр с = О, а функция а вычисляется из следующего выражения:

а = а0@'П, (7)

где п = 0.5 и

0.42747Д2Гс2

а0 =-уе-. (8)

^ _ 0.088664ЙГе ^

Форма Аунжи отличается от оригинала не нулевым параметром с, который добавлен, чтобы улучшить поведение изотерм около критической точки, так же как и показатель степени п. Параметр с вычисляется из следующего выражения:

с =--££--+ Ь-и. (Ю)

/7 Ь

РЛ~

Стандартный показатель степени Редлиха-Квонга равный 0.5 заменен общим показателем степени п. Оптимальные значения этого показателя зависят от чистого вещества. Аунжи (1995) по результатам экспериментов представил двенадцать значений данного коэффициента, и вывел полиномиальную зависимость температурного показателя п в зависимости от ацентрического коэффициента:

п = 0.4986 + 1.1735 ■ со + 0.4754 • ш2. (11)

Значение ацентрического коэффициента может быть вычислено при помощи следующей формулы:

и> = -1оВ,0(^1-1,

\р.) (12) где р„- давление пара вычисляемое при температуре Т= 0.7ТС.

Вторая глава целиком посвящена проблеме вызываемой акустическими колебаниями в газовых трактах поршневых компрессоров. В первой половине описывается процесс возникновения акустических колебаний в трубопроводных обвязках поршневых компрессоров, его влияние на производительность и мощность компрессора, методы оценки гашений и средства борьбы с высокой неравномерностью давления газа. Вторая половина главы посвящена описанию моделированию акустических процессов в трубопроводных обвязках поршневых компрессоров.

Первой решаемой задачей является определение акустической возмущающей гармоники в ТПО ПК при различном числе рабочих полостей.

Целью поставленной задачи является оценка качественной и количественной характеристики акустических процессов в ТПО поршневых компрессоров. В рамках исследования рассматриваются процессы образования частот, являющихся возмущающими для проектируемой системы ТПО, и амплитуды пульсации давления.

Объектом, на котором проводились исследования, является 1-я ступень нагнетания трубопроводной обвязки компрессорной станции с поршневыми

компрессорами JGU/6 фирмы «Ariel», входящей в состав газоперекачивающего агрегата ГПА-4РМП для Волгоградской станции подземного хранения газа.

Моделируется реальный рабочий процесс течения газа на выходе первой ступени нагнетания рассматриваемого компрессора. В газовой полости ступени на выходе из рабочей полости ступени компрессора задается расход.

В качестве результатов получено соотношение влияния различных гармоник колебаний при различном количестве возмущающих полостей, собственные частоты газовых трактов компрессора при различном количестве рабочих полостей компрессора работающих на одну линию. Продемонстрированная задача наглядно показала, как можно получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) любого газового тракта и при любом количестве рабочих полостей работающих на одну линию.

Второй задачей является разработка акустического фильтра камерного типа на основе рассмотренной уже выше обвязке линии нагнетания первой ступени поршневого компрессора JGU/6 фирмы «Ariel», входящей в состав газоперекачивающего агрегата ГПА-4РМП. Подробно описывается процесс разработки внутренних устройств фильтра представленного на рисунке 1.

Проводится сравнительный анализ работы разработанного фильтра и равной ему по величине внутреннего объема буферной емкости.

Результаты сравнительного анализа приведены в таблице 1.

Таблица 1

Степень неравномерности, полученная по результатам расчет

Допустимая степень неравномерности по ПБ 03-582-03, % 1.38%

Допустимая степень неравномерности по АР1-618-2007, % 0.89%

Степень неравномерности за акустическим фильтром, % 0.3%

Степень неравномерности за буферной емкостью, % 0.6%

В последней части главы на основе эксперимента проведенного в работе Петровой Т.Ф. моделируется система эквивалентная системе трубопроводов на которой ставился эксперимент (в работе и проводится сравнение результатов расчета с результатами эксперимента.

выходной штуцер '"*

Рис. 1. Устройство разработанного акустического фильтра В табл. 2 приведены частоты полученные Петровой Т.Ф. по результатам расчета, с использованием разработанной ею методики, частоты из эксперимента проведенного ею на реально работающей установке, и частоты полученные автором диссертации на основе трехмерных компьютерных моделей, с использованием МКЭ и МКО.

Таблица 2.

Собственные акустические частоты участков модели

Участок Частота расчетная, Гц Частота по методике в работе Петровой Т.Ф., Гц Частота экспериментальная, Гц № формы колебаний

Участок от ресивера до объема VI 24 24 28 1

Участок от ресивера до объема У2 61.8 61.8 Не определена 1

Участок 11 87.6 86.8 87 1

Участок 12 48.8 47.8 50 1

От объема VI до объема V2 108 108 Не определена 1

Третья глава посвящена моделированию газодинамических процессов в ступени поршневого детандера. В качестве объекта исследования выбрана прямоточная детандерная ступень низкого давления с диаметром цилиндра (Рис. 2) Д, = 50 мм, ходом поршня 5П = 40 мм и с частотой вращения вала п = 500 об/мин. На рис. 2 представлена конечно-элементная модель ступени детандера.

Физическая модель ступени представляет собой совокупность различных газовых полостей, которые в течение рабочего цикла в определенной

последовательности могут соединяться (или разъединяться) друг с другом через каналы органов газораспределения. Решение такой задачи требует применения достаточно мощной вычислительной машины.

С целью упрощения расчетная модель разделяется на подмодели, каждая из которых содержит п-е число конечных объемов.

Рис. 2. Конечно-элементная модель газовых полостей детандера и распределение скоростей течения газа в выхлопных окнах На базе разработанной модели было запланировано получение:

- полного спектра локальных скоростей газа в элементах ступени

- мгновенных коэффициентов теплоотдачи локальных и осредненных по поверхностям теплообмена в рассматриваемых полостях и каналах органов газораспределения, а также полей температур по объёму цилиндра и примыкающих полостей;

- сведений о текущих значениях давления и температуры рабочего тела в цилиндре и примыкающих полостях за цикл.

Допущения при расчете:

1. Открытие и закрытие клапана происходит мгновенно

2. Решение задачи происходит в адиабатной постановке

3. Решение задачи происходит с начальных параметров заданных пользователем в момент времени t = О

4. Представленные результаты относятся к первому и второму рабочему циклу работы ступени

5. Ступень герметична

6. Газ сухой

7. со = const. Частота вращения вала постоянна.

На рис. 3 приведены значения мгновенных коэффициентов теплоотдачи в течение 3-х последовательных расчетных циклов.

а, Вт/м2К 450

1 -14 ПО^ПИий 11II к- Г1

а, Вт/м2К

7 и ^-и пябпинс МИк'1|к1

50

° 0 60 120 180 240 300 360

ф, град.

60 120 180 240 300 360

ф, град.

Рис. 3. Мгновенный коэффициент теплоотдачи ар осредненный по поверхности цилиндра

из программы МКО

из КОМОЕТ

При визуализации процессов протекающих в ступенях машин объёмного действия и определении текущих значений коэффициента теплоотдачи в локальных зонах элементов ступени, было обнаружено, что в выхлопных окнах наблюдаются срывы потока, а скорости газа в ряде случаев превышают звуковую.

В связи с этим, в рамках данной работы дополнительно проводилось исследование влияние формы сечений и профилей выхлопных окон прямоточной детандерной ступени на протекающие в них газодинамические процессы и их взаимосвязи с эффективностью работы детандерной ступени.

На основе исходной модели разрабатывалось шесть вариантов ступени поршневого детандера. Различие в моделях состоит в профиле проходного сечения выхлопных окон и конструкции выпускной полости.

Использование симуляции процесса в ступени поршневого детандера позволяет исследовать более сложные процессы, протекающие с высокой скоростью, такие как процесс выхлопа и процессы колебаний, протекающих со звуковыми скоростями, что наглядно отразилось в работе.

Моделирование процессов протекающих в поршневом детандере с применением МКО в полной мере позволило получить распределение основных характеристик рабочего тела и газодинамических параметров в течение рабочего цикла.

В четвертой главе рассматривается решение газодинамической и тепловой задач применительно к ступени поршневого компрессора. Задача так же решена с помощью МКО.

Целью расчетного анализа в этом случае является получение температурных полей по объему газовых полостей цилиндра и металлического корпуса, а также зависимостей температуры и коэффициента теплоотдачи в функции от времени в локальных точках модели объекта исследования.

Расчет теплового состояния ступени проведен с учетом газодинамических явлений и реальных температур металлического корпуса компрессора.

На рис. 4 представлена модель ступени поршневого компрессора с газовыми полостями. Отдельно выполнены газовые полости патрубков на всасывании и нагнетании и рабочие полости цилиндра со стороны крышки и со стороны вала (зеленый цвет). Отдельно смоделирована полость, заполняемая водой (синий цвет) и полость, относящаяся к картеру, отделенная от газовых полостей сальниковым уплотнением. Зеленые полости соединены или соединяются в процессе расчета между собой через interface в программе.

При решении задачи приняты следующие допущения:

1. Открытие и закрытие клапана происходит мгновенно;

2. Решение задачи начинается в момент времени t = О

с начальными параметрами заданными пользователем;

3. Представленные результаты относятся к пятому рабочему циклу;

4. Ступень герметична;

5. Газ сухой;

6. ш = const. Частота вращения вала постоянна.

Результатами расчетного анализа являются температуры, коэффициенты теплоотдачи, плотности и скорости в заданных точках модели. Это позволило проследить характер изменения коэффициента теплоотдачи по корпусу цилиндра машины во взаимосвязи со скоростью и плотностью газа.

............................................ у: тт

Рис. 4. Модель ступени компрессора с газовыми полостями На заключительном этапе проведено сравнение результатов расчета с эмпирическими зависимостями, полученными в работе Прилуцкого И. К. Эмпирические зависимости выведены для случая цилиндра простого действия. Сравнение полученных данных (см. табл. 3) показало достаточно близкое соответствие результатов расчета по трехмерной модели ступени ПК с результатами расчетов по эмпирическим зависимостям для полости

расположенной со стороны крышки ряда компрессора и достаточно высокую разницу в результатах для полости со стороны вала.

Таблица 3.

Сравнение полученных данных

Участок Температура, К

Математическая модель Эмпирические зависимости

Поверхность цилиндра (полость А) 320.4 321.2

Поверхность цилиндра (полость Б) 320.3 340.3

Торцевая поверхность поршня (полость А) 320.4 328.4

Торцевая поверхность поршня (полость Б) 320.2 350.4

Внутренняя поверхность крышки компрессорного ряда 319.9 334.2

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

По результатам диссертации можно сформулировать следующие выводы:

1. В работе продемонстрировано решение ряда практически важных задач, связанных с улучшением технико-экономических показателей поршневых машин. Основной акцент в работе сделан на развитие и апробирование новых расчетных методик и принципов математического моделирования рабочих процессов в ПМ на базе созданных методик. Приведены примеры разработки эффективных технических решений, основанные на результатах глубокого анализа акустических и газодинамических процессов и тепловых полей внутри элементов ступени ПМ и примыкающих к ней коммуникациях.

2. В работе использован МКО, что позволило смоделировать комплекс сложных процессов в ступени поршневого компрессора. Особо значимым автору представляется определение текущих значений полей скоростей газа в полостях конечного объёма и соответствующее им распределение коэффициентов теплоотдачи по внутренней поверхности элементов ступени.

3. Продемонстрированы практически значимые приемы применения методов МКО и МКЭ в сочетании с другими современными методиками, необходимыми инженеру-конструктору при обосновании оптимальных технических решений на стадии проектирования.

4. Исследованы акустические процессы в ТПО компрессоров и установлено влияние возмущающих импульсов на амплитуду колебаний давления.

5. Выполнено сравнение показателей эффективности разработанного акустического фильтра с традиционно используемой буферной емкостью.

Доказана актуальность применения акустического фильтра камерного типа в ТПО поршневых машин с переменной частотой вращения вала.

6. Исследованы тепловые и газодинамические процессы в ступени поршневого детандера низкого давления. В частности, выполнен анализ математически смоделированного нестационарного процесса истечения газа через выхлопные окна, который позволил выявить локальные сверхзвуковые течения газа в отдельных сечениях каналов выхлопных окон. По результатам анализа предложны рекомендации по форме каналов выхлопных окон.

7. Смоделированы и исследованы тепловые и газодинамические процессы в ступени поршневого компрессора с поршнем двойного действия, позволившие обосновать картину распределения температур, коэффициентов теплоотдачи и скоростей во всех рабочих полостях ступени компрессора. Определены поля температур, скоростей и коэффициентов теплоотдачи по внутренним теплообменным поверхностям элементов ступени. Определены градиенты исследуемых параметров и зоны их минимальных и максимальных значений.

8. Для произвольно заданной локальной точки п оверхностей теплообмена определены текущие значения скорости, температуры и коэффициента теплоотдачи во времени; это позволило констатировать, что скорость и плотность газа являются наиболее существенными факторами, определяющими уровень локального коэффициента теплоотдачи.

9. Подтверждено, что температура поверхностей теплообмена элементов ступени в течение цикла остается практически постоянной; амплитуда колебаний температуры на внутренних поверхностях теплообмена не превышает 1—2 градусов и носит циклический характер.

10. Доказана практическая целесообразность использования МКО и МКЭ на стадии предварительного обоснования конструкции ступеней и прилежащих к ним ТПО ПМ.

11. Описана и подтверждена на примерах математического моделирования необходимость исследования акустических процессов при конструировании ТПО компрессорных машин, в особенности высокооборотных компрессорных машин с переменной частотой вращения вала.

12. Проведен комплекс акустических расчетов, позволивший:

- Исследовать образование возмущающего импульса в поршневых машинах с различных количеством источников возмущения;

- Изучить влияние длины пустотелого гасителя (буферной емкости) в зависимости от количества источников возмущения от компрессора, на процессы колебаний давления в ТПО.

- Разработать акустический фильтр, обеспечивающий снижение колебаний давления в ТПО поршневых компрессоров до заданной величины.

- Изучить особенности акустических колебаний в ТПО в условиях резонанса.

- Сравнить результаты расчета резонансных частот с экспериментальными данными для подтверждения достаточной точности выполняемых расчетов.

Проанализировать возможность пр именения упрощенных методик расчета акустических фильтров ТПО поршневых компрессоров.

13. Разработан ряд методик, применимых начинающими специалистами, но с использованием сложных компьютерных вычислений.

Основные публикации:

1. Колеснев Д.П., Михайлов A.B. Исследование вибрационного состояния трубопроводных обвязок поршневых компрессоров. // Компрессорная техника и пневматика. - 2011. - № 2. - С. 7-14.

2. Бессонный Е. А., Машковцев П. Д., Колеснев Д. П., Михайлов А. В. Разработка современных аппаратов гашения пульсации. // Нефтегазовые технологии. - 2011. - №4. - С. 23-29.

3. Бессонный Е. А.,Машковцев П. Д.,Колеснев Д.П.,Михайлов A.B.

Анализ эффективности и оценка надежности узла термокомпенсации фланцевого

соединения цилиндра многорядного поршневого компрессора и буферной емкости с помощью математического моделирования. //Нефтегазовые технологии. -2011 -№12.-С. 24 -28.

4. Бессонный Е. А., Машковцев П. Д., Колеснев Д. П., Михайлов А. В.

Vyvoj modernych pristrojov na tlmenie pulzäcie // Slovgas. 2011 - №5,- C. 31-35.

5. Колеснев Д.П., Молодов M.A., Прилуцкий A.A., Прилуцкий И.К. Применение метода конечных объемов при расчетном анализе рабочих процессов поршневого детандера. // Вестник МАХ, 2012 - № 1. - С. 53-59.

6. Колеснев Д.П., Леванов С.А. Моделирование газодинамических процессов в ступени поршневого компрессора // Молодежь техника космос, Труды ГУ общероссийской конференции. - СПб, 2012. - С. 152-154

7. Колеснев Д.П., Прилуцкий А. И., Прилуцкий И.К., Романченко Е.М. Анализ газодинамических процессов в выхлопных окнах прямоточной ступени поршневого детандера // Компрессорная техника и пневматика. - 2013. - №1. -С. 34 - 40

Подписано в печать 11.0 Ш Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. Печ.л.1.0. Тираж 80 экз. Заказ НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 4У ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

На правах рукописи

04201457269

Колеснев Дмитрий Петрович

Тепловые, газодинамические и механические процессы в ступенях

поршневых машин

05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Прилуцкий И. К.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение................................................................................... 6

Глава 1. Анализ объекта исследования и состояния проблемы............... 11

1.1 Математическое моделирование процессов, происходящих в рабочих камерах поршневых машин объемного действия................................ 11

1.2 Математическая модель метода конечных элементов...................... 18

1.3 Математическая модель метода конечных объемов........................ 23

Глава 2. Исследование процессов пульсации давления в трубопроводной обвязке поршневого компрессора с применением метода конечных объемов.............................................................................................. 36

2.1. Механизм и причины образования пульсации давления в обвязках поршневых компрессоров.............................................................. 36

2.2. Методы оценки интенсивности колебаний и эффективности гашения..................................................................................... 41

2.3. Гашение буферными емкостями................................................. 44

2.4. Гашение акустическими фильтрами............................................ 48

2.5. Методы расчета камерных гасителей.......................................... 55

2.6. Определение акустической возмущающей гармоники в ТПО компрессора при различном числе рабочих полостей компрессора............................ 65

2.7 Разработка акустических фильтров с использованием математической модели метода конечных объемов..................................................... 85

2.8 Сравнение результатов применения данной методики с существующими

результатами эксперимента....................................... 117

Глава 3. Визуализация газодинамических процессов в ступени поршневого детандера................................................................................. 130

3.1 Постановка задачи и основные допущения при использовании метода конечных

объемов................................................................................... 130

3.2 Определение значений коэффициентов теплоотдачи по поверхностям полостей поршневого детандера.................................... 135

3.3 Исследование течения газа через выхлопные окна в процессе выхлопа.

Задача оптимизации сечения выхлопных окон...................... 145

Глава 4. Исследование тепловых процессов в поршневых компрессорах.......................................................................................... 162

4.1 Постановка задачи и допущения, используемые при решении методом конечных элементов.................................................................. 162

4.2 Визуализация распределения тепловых полей по корпусу компрессорной

машины................................................................................... 166

Заключения по работе................................................................ 186

Список используемых источников................................................. 189

Приложение А. Результаты модального анализа.................................... 197

Приложение Б. Распределение давления в расчетных точках модели и

спектральные диаграммы............................................................ 208

Приложение В. Распределение коэффициента теплоотдачи в расчетных

точках модели поршневого детандера.............................................. 261

Приложение Г. Распределение температур, коэффициента теплоотдачи,

скоростей в ступени поршневого компрессора.................................. 280

Приложение Д. Акты внедрения................................................... 305

СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

И АББРЕВИАТУР*

а — относительный мёртвый объём, сп - скорость поршня, м/с Ф - эквивалентная площадь, м Д - диаметр, м; Г — площадь, м2 к — показатель адиабаты

И- количество (шт.); (а также Щ мощность, кВт N11 - критерий Нуссельта Р - давление, Па; сила, Н <2 - количество теплоты, Дж q - удельное количество теплоты, Дж/кг Я, г — газовая постоянная, Дж/(кг-К); Т- температура, К t - время, с

л

V- объём, м

Х- перемещение, м;

X - характерный размер длины, м

количество отверстий в седле клапана а — коэффициент теплоотдачи,

Вт/мК

6 - степень повышения давления ц - коэффициент полезного действия X - коэффициент теплоотдачи

* остальные условные обозначения приведены по тексту

ABO - аппарат воздушного охлаждения

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

БЕН - буферная емкость нагнетания

ВМТ - верхняя мертвая точка

НМТ — нижняя мертвая точка

ГПА - газоперекачивающий агрегат

КПД - коэффициент полезного действия

МКЭ - метод конечных элементов

МКО - метод конечных объемов

ПК - поршневой компрессор

ПД- поршневой детандер

ПМ - поршневая машина

СПХГ - станция подземного хранилища газа

ТПО - трубопроводная обвязка

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день существует большое количество проблем в изучении процессов, протекающих в поршневых машинах (ПМ). Учитывая современную тенденцию форсирования ПМ по частоте вращения вала на сегодняшний день актуально прогрессивное развитие и практическое применение расчетных методик основанных на математическом моделировании рабочих процессов, позволяющих с высокой точностью воспроизводить совокупность тепловых, газодинамических и механических процессов в ступени ПМ и в прилегающих коммуникациях. Обзор публикаций, посвященных комплексному моделированию процессов в ступенях поршневых машин и прилегающих коммуникациях, показал, что их число и практическое применение весьма ограничены из-за несоответствия сущности ранее созданных методик современному уровню.

В то же время современное развитие численных методов моделирования, информационных технологий и вычислительной техники позволяет переходить от решения задач, допускающих осреднение исследуемых параметров, к прогрессивным математическим моделям, раскрывающим взаимосвязь конструкции элементов объекта исследования с протекающими процессами. Современные средства визуализации в сочетании с подробной детализацией рассматриваемых физических процессов позволяют глубже изучить и проанализировать степень совершенства протекающих процессов и рекомендовать оптимальные технические решения объекта исследования.

Практическая ценность результатов работы

Проведено численное моделирование газодинамических процессов в цилиндре поршневого компрессора с целью установления реального уровня пульсации давления на выходе ступени компрессора.

Разработана конструкция акустического фильтра в виде камерного гасителя пульсаций давления на примере линии нагнетания 1-й ступени компрессора трубопроводной обвязки Волгоградской СПХГ.

Выполнен комплексный газодинамический, акустический модальный анализ акустического фильтра в виде камерного гасителя пульсаций давления в составе трубопроводной обвязки линий нагнетания 1-й ступени поршневого компрессора.

Моделирование процессов протекающих в поршневом детандере низкого давления, с применением МКО, в полной мере позволило получить распределение основных характеристик рабочего тела и газодинамических параметров в течение рабочего цикла, в том числе зависимостей коэффициента теплоотдачи в различных точках расчетной модели.

По результатам серии расчетов процесса выхлопа в окнах различной конструкции оценено влияние конструкций на качество процесса.

Получена новая информация о параметрах процессов теплообмена (о скоростях движения газа в замкнутых полостях с переменными во времени объёмом и уровнем коэффициентов теплоотдачи) в различных локальных точках объекта исследования - дожимающей ступени компрессора с поршнем двойного действия.

Выявлены и обоснованы причины качественной не идентичности рабочих процессов в передней и задней полостях дожимающей ступени компрессора.

Диссертация содержит четыре главы. В первой главе проведен критический анализ публикаций посвященных математическому моделированию процессов в ступенях ПМ. Выделены основные процессы моделирование которых актуально в настоящее время и проблемы моделирования которых будут затронуты в настоящей работе. Так же в главе описываются современные методы математического моделирования. Оценивая применимость описанных методов к выделенным процессам сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе описывается влияние акустических процессов в ступенях поршневого компрессора (ПК) и прилежащих трубопроводных обвязок (ТПО) и методы устранения повышенных колебаний давления вызванных этими же процессами. Далее описывается предложенная автором методика, с применением метода конечных объемов (МКО), позволяющая исследовать акустические процессы, резонансные явления в этих процессах и разрабатывать аппараты эффективно снижающие отрицательные факторы акустических колебаний газового столба ТПО ПК. В конце главы проводится сравнение эффективности применения акустического фильтра с традиционно используемой в ТПО ПК пустотелой буферной емкостью.

Третья глава посвящена исследованию процессов происходящих в ступени поршневого детандера (ПД). Акцент приходится на исследование скоростных потоков и зависимостей коэффициента теплоотдачи. Дополнительно проводится оценка влияния профиля сечения выхлопных окон на протекание процесса выхлопа.

В четвертой главе описывается математическая модель ступени ПК. Исследуются на ее примере скорости, тепловые поля и зависимости локальных значений коэффициента теплоотдачи. Проводится тепловой анализ потоков в ступени.

Научная новизна

Разработаны 3-х мерные математические модели рабочих процессов в элементах (впускная полость - цилиндр - выпускная полость) ступеней ПМ, воспроизводящие взаимосвязь и последовательность протекающих процессов во времени, учитывающие конечность объёмов примыкающих к цилиндру полостей и позволяющие определять скорости, плотность, температуру, давление и другие параметры в любой точке исследуемой полости с учетом следующих факторов:

1. влияния геометрии прилежащих полостей на процессы в цилиндре ПМ;

2. расположения клапанов на тепловые и газодинамические процессы;

3. материала элементов ЦПГ на тепловые процессы внутри ступени ПМ;

4. акустических (в частности, резонансных) явлений в ступени ПМ.

Получены новые данные о влиянии профиля выхлопных окон ступени

поршневого детандера на процесс выхлопа и характер газовых потоков в выхлопной полости, что позволило сформулировать рекомендации по проектированию выхлопной полости.

Проведено комплексное исследование акустических колебаний газового столба в ТПО ступени ПК с получением полного спектра частот колебаний давления в любой точке 3-х мерной модели ТПО.

Проведено подробное исследование акустических процессов в линии трубопроводной обвязки поршневого компрессора и сравнение результатов применяемой методики с результатами эксперимента.

Разработан акустический фильтр реактивного типа, используемый для уменьшения колебаний давления в ТПО ступени ПК с переменной частотой вращения вала, и превосходящий по эффективности традиционно используемую пустотелую емкость.

Разработанные автором методики применялись при исследовании процессов в обвязках поршневых компрессоров дожимных станций таких как Волгоградская СПХГ, Калининградская СПХГ, Ставропольская СПХГ. Данные исследования позволили усовершенствовать расчетные методики существующие на сегодняшний день, оценить основные проблемы возникающих явлений.

Целью работы является:

- Разработка, совершенствование и апробация прогрессивных методик расчета базирующихся на математическом моделировании комплекса одновременно протекающих и взаимосвязанных рабочих процессов

(акустические, газодинамические, тепловые и механические процессы) в поршневых машинах.

- Изучение колебаний давления в трубопроводных обвязках (ТПО) поршневых машин. Разработка методик, позволяющих прогнозировать оптимальные геометрические соотношения ТПО, способствующие снижению уровня акустических колебаний газа в коммуникациях ПМ.

- Разработка универсального акустического фильтра для ПМ с широким диапазоном частот вращения вала и повышенной эффективностью по сравнению с традиционными пустотелыми гасителями пульсаций давления.

- Планирование и проведение численного эксперимента, по результатам которого оценивается газодинамическое совершенство выхлопных окон детандерной ступени и рекомендуется оптимальная конструкция окон.

- Расчетный анализ теплового состояния элементов ступени ПМ.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих

конференциях:

1.38-я научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава. СПбГУНиПТ. 22.02.2011

2. V международная научно-техническая конференция "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке". СПбГУНиПТ. 22.11.2011 - 24.11.

3. 39-я научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава. СПбГУНиПТ. 22.02.2012.

4. 60-летие кафедры криогенной техники Института холода и биотехнологий СПбНИУ ИТМО. 22. 02. 2013

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, списка обозначений четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 71 наименований и Приложения. В Общий объем диссертации входит 118 страши основного машинописного текста, 246 рисунков и 23 таблицы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ И СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Математическое моделирование процессов, протекающих в рабочих камерах поршневых машин объемного действия

Прежде чем перейти к описанию методик и основных алгоритмов расчетов, используемых в данной работе, рассмотрим труды авторов направленные на математическое моделирование различных процессов в области поршневых машин. Существует большое количество работ, посвященных математическому моделированию процессов, происходящих в ступенях поршневых машин. Наиболее подробно методы используемые в моделировании процессов в области поршневых машин изложены в монографиях и др. публикациях профессора Архарова A.M. [2-5], Петриченко P.M. [42, 43], Пластинина П.И. [44-47]. В то время как в диссертациях на соискание ученых степеней докторов технических наук профессоров Фотина Б.С. [61] , Прилуцкого И.К. [48] , Хрусталева Б.С. [62] существует подробный критический анализ большого количества работ в данной области.

Для начала разобьем основные проблемы, встречающиеся в ступенях поршневых машин по трем видам процессов имеющим основное влияние на работу ступени поршневой машины: тепловые процессы, акустические, и газодинамические процессы.

Наиболее обобщенно анализ литературы и ее критический обзор по тепловым и газодинамическим процессам приведен в работе [17], по акустическим процессам в работе [41] Основной обзорный материал настоящей работы по проведенным ранее работам в области газодинамических, тепловых и акустических процессов в ПМ заимствован из двух указанных работ.

Изложим основные наиболее важные достижения в области моделирования этих процессов.

Первые попытки прогнозировать работу компрессоров объемного действия начались ещё в первой половине 20 века, до широкого использования ЭВМ. В начале рассматривалась модель так называемой "идеальной" или "теоретической" ступени машины, в которой не учитывались многие факторы. Отсутствие учета многих факторов действительных процессов, происходящих в ступени машины, приводило к значительному расхождению расчетных параметров с полученными экспериментально данными.

Первые попытки учесть влияние различных факторов на производительность реальной машины, по сравнению с "теоретической", сводилось к введению различных коэффициентов. Для поршневых компрессоров вводились формулы для определения коэффициентов.

Реальный рабочий процесс машин объемного действия отличается от теоретического тем, что ни одно из принятых допущений не соблюдается.

Влияние колебаний давления газа в рабочих полостях машины и прилежащих коммуникациях оказывает влияние на производительность машин и на мощность затрачиваемую на работу этой машины. Стоит отметить влияние теплообмена между газом и стенками рабочей камеры машин. Теплообмен приводит к повышению температуры газа на выходе, а это снижает основные параметры работы машины. Все факторы достаточно сложно учесть используя приближенные зависимости, упрощая модели, сводя влияние каких-либо процессов эмпирическими коэффициентами. Даже на сегодняшний день не учет многих факторов сказывается на результатах расчетов и не позволяет разработать единую методику используемую при моделировании процессов в области поршневых машин.

Влияние колебаний газа в трубопроводах поршневых машин были замечены уже давно. Из технической литературы известно, что ещё в 1893 году КгоББку

производил опыты во всасывающем чет�