автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Турбинные многорежимные автономные энергетические установки малой мощности

РГ 5 ид

1 п ДПР 1385

АО "Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И.Ползунова" (АО НПО ЦКТИ)

На правах рукописи

Бусурин Вадим Николаевич

ТУРБИННЫЕ МНОГОРЕЖИМНЫЕ АВТОНОМНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

(Методологические основы, обобщение характеристик, методы расчета и оптимизация)

УДК 621.165...621

Специальность 05.04.12 — Турбомашины и турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Емин О.Н.; доктор технических наук, профессор Олимпиев В.И.; доктор технических наук, профессор Тихомиров Б.А.

Ведущая организация — НИИ "Мортеплотехника".

Защита состоится 21 апреля 1995 г. в 10 ч. на заседании диссертационного Совета Д 145.01.01 при АО НПО ЦКТИ по адресу:

194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 24, актовый зал.

Ваш отзыв на диссертацию в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять на имя Ученого секретаря диссертационного Совета по адресу: 193167, Санкт-Петербург, ул. Атаманская,3.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке АО НПО ЦКТИ ./7

Автореферат разослан " / ' " 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук

Назаренко В.С.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Конец XX века характеризуется формированием крупных систем для обеспечения электроэнергией и теплом потребителей. Это привело к централизации энергосистем, характеризующейся высокими капитальными затратами, монополизмом в выработке электроэнергии и тепла, сложностью управления такими системами и другими факторами. В 80-е годы в развитых странах и в России наметилась тенденция к децентрализации энергоснабжения.

Электроэнергетика в России в настоящее время переживает глубокий кризис, причинами которого являются: резкое сокращение в последние годы строительства новых крупных электростанции (атомных, тепловых и гидравлических); использование в прежние годы при техническом перевооружении ТЭС в ряде случаев морально устаревшего серийного оборудования; длительное отставание ввода в действие новых энергомощностей, что привело к росту доли устаревшего оборудования, уже исчерпавшего ресурс или приближающегося к этому сроку.

Прогнозируемое к 2000 году увеличение потребления электроэнергии до I! 50 . . 1250 млрд. кВт-ч в год требует поиска новых путей развития энергоснабжения.

Современное состояние отечественной экономики и энергет ики позволяет по новому оценить роль автономных энергетических установок (АЭУ) малой мощности (от десятка киловатт до нескольких мегаватт) различного назначения, которые занимают значительное место в проекте электроэнергетической программы России.

Данная работа посвящена разработке научно-технических основ создания транспортабельных и стационарных экономичных многорежимных АЭУ малой мощности (до 3 ... 5 МВт) на основе использования паротурбинных тепловых схем с малорасходными турбинами (МРТ), позволяющими получать высокие удельные мощности при ограниченных массогабаритных показателях.

Децентрализованная инновационная политика в области развития ТЭС на органическом топливе наряду с созданием современных мощных энергоблоков даст возможность эффективно использовать электростанции малой и средней мощности.

Эффективность использования АЭУ малой мощности определяется:

• существенным сокращением сроков их сооружения;

• повышением надежности энергоснабжения;

• независимостью режима работы энергосистемы;

• снижением масштабов отчуждения территории по сравнению с крупным энергетическим строительством;

• возможным снижением затрат на охрану окружающей среды.

Области использования АЭУ малой мощности:

• создание источников энергии для освоения развивающихся районов;

• резервирование линий энергопередач, питающих ответственных потребителей энергии, а также восполнение дефицита электроэнергии, вызванного стихийными бедствиями и другими нестандартными ситуациями;

• теплоэнергоснабжение энергодефицитных районов Крайнего Севера, Дальнего Востока, некоторых районов Нечерноземья;

• теплоэнергоснабжение малых городов, поселков и деревень, во многих из которых до сих пор не решен вопрос централизованного теплоэнерго-снабжения;

• обеспечение теплом и электроэнергией промышленных предприятий, жилищных коттеджей, крупных животноводческих ферм, предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции, поисковых партий газовиков, геологов и др., нуждающихся в электрической, тепловой, механической энергии, подаче воды и сжатого воздуха.

Цель работы - разработка концепции и принципов создания высокоэкономичных многорежимных, многоцелевых АЭУ, обеспечивающих заданные графики нагрузок на основе оптимизации как отдельных элементов, так и АЭУ в целом.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• разработка принципов построения многорежимных, многоцелевых автономных энергетических установок;

• исследование и обобщение экспериментальных характеристик МРТ разного типа в широком интервале изменения параметров и режимов работы;

• разработка математических моделей многорежимной оптимизации МРТ (традиционных и конструкции ЛПИ);

• апробация математических моделей многорежимной оптимизации МРТ по результатам экспериментальных и натурных исследований;

• создание математических моделей многорежимной оптимизации основных элементов паротурбинной АЭУ (парогенератор, конденсатор, насосы);

• разработка математических моделей нагрузочных устройств различного типа (электрооборудование, насосы, компрессоры, движители судов и морских подводных аппаратов (МПА), механические редукторы);

• создание программного комплекса миогарежимнсй оптимизация автономной энергетической установки.

Научная новизна. Диссертационная работа содержит совокупность основных научных положений, выводов, предложений и рекомендаций, полученных в результате проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований, обобщений и оптимизации элементов многорежимнох АЭУ. Научную новизну составляют:

• научно-технические и методологические основы для проектирования многорежимных автономных энергетических установок нового класса, повышение экономичности которых достигается не только за счет применения традиционных методов повышения к.п.д. АЭУ, но и за счет выбора геометрических характеристик и параметров рабочего процесса в результате оптимизации на заданные графики нагрузок как отдельных элементов, так и АЭУ в целом;

• системный подход к многорежимной оптимизации АЭУ, основанный на сформулированных совокупностях критериев оптимальности, целевых функций и параметров оптимизации, исходных параметров для каждой задачи оптимизации, ограничений, объединенных структурой иерархической модели оптимизации;

• математическая модель иерархического типа многорежимной оптимизации АЭУ, построенная с использованием функционально-структурной декомпозиции и состоящая из взаимосвязанных математических моделей многорежимной оптимизации элементов тепловой схемы (нагрузочное устройство, механический редуктор, турбина, парогенератор, конденсатор, циркуляционный и конденсатный насосы); эта модель позволяет проводить оптимизацию, многоцелевые численные исследования при различной совокупности исходных конструктивных и режимных параметров;

• математические модели многорежнмной оптимизации малорасходных турбин МРТ, сгруппированные в модули, описывающие рабочие процессы в проточной части МРТ (сопловой аппарат, осевой зазор, утечки рабочего тела, активная и неактивная дуги подвода, рабочее колесо, модуль внутренних потерь МРТ); каждый модуль содержит внутренние вычислительные процедуры такие, как решение уравнений, аппроксимация или процедуры логического разветвления;

• принципы построения и результаты экспериментальных исследований газодинамических характеристик МРТ конструкции ЛПИ, состоящих из

сопловых аппаратов в углами ОС ]г = 3... 9 , рабочих решеток с

0 = 140...164' на номинальном и переменных режимах;

» полиномиальные зависимости потерь энергии б элементах проточной части МРТ активного типа как традиционной, так и конструкции ЛПИ, полученные на основании теоретических и экспериментальных исследований и их обобщений, в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров;

• обобщенные характеристики сопловых аппаратов, полученные на основе характеристик одиночных осесимметрнчных сопел, в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров с учетом их взаимного влияния, а также взаимного расположения сопел.

Практическая ценность работы:

• обоснован выбор перспективных схем автономных, многорежимных, многоцелевых и многотопливных АЭУ на основе паротурбинной установки с МРТ, срабатывающими значительные перепады энтальпий; выполненный анализ роли и места АЭУ в энергетике имеют большую практическую ценность для решения проблем децентрализации энерго-теплоснабження, обеспечения электрической и тепловой энергией энергодефицитных районов страны и реализации новой электроэнергетической программы России;

• разработаны рекомендации по проектированию многорежнмных турбинных энергетических установок малой мощности с учетом жестких массо-габаритных ограничений, обеспечивающих автономность, транспортабельность, многотопливность и многоцелевое назначение;

• разработаны методики, алгоритмы и пакеты прикладных программ, позволяющие осуществлять расчет и выбор оптимальных геометрических и режимных параметров основных элементов паротурбинной установки (малорасходных турбин разного типа, парогенератора, конденсатора,

циркуляционного и конденсатного насосов), а также различных нагрузочных устройств исходя из необходимости обеспечения их работы на различных режимах с учетом ограничений по массогабаритным и эксплуатационным показателям;

• разработана модель вычислительного процесса многорежимной оптимизации АЭУ, обеспечивающая заданные графики нагрузок при минимальном расходе топлива, позволяющая проводить оптимизацию и численные эксперименты как АЭУ в целом, так и отдельных ее элементов с учетом их взаимного влияния;

® на основе разработанных научных положений, результатов теоретических и экспериментальных исследований и обобщений получены полиномиальные зависимости потерь энергии в сопловых и рабочих решетках различного типа, которые могут быть использованы при газодинамических расчетах МРТ.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается накопленным научным и практическим опытом при создании энергетических установок специальной техники, применением адекватных математических моделей, апробированных опытными данными различных авторов и результатами численного эксперимента, применением современных методов экспериментальных и численных исследований, обеспечивающих необходимую точность полученных результатов.

Реализация результатов работы. Разработки и рекомендации настоящей работы отражены в проектах ряда научно-технических программ развития автономной энергетики для Министерства топлива и энергетики, Миннауки, Госкомвуза России, Санкт-Петербургской инженерной Академии. Полученные результаты комплексных исследований МРТ использовались и внедрены на предприятиях НПО "Уран", НИИ "Гидроприбор", НИИ "Мортеплотехника" и на ряде других промышленных предприятий России.

Методики расчета, пакеты прикладных программ используются в учебном процессе СПбГТУ при подготовке студентов и аспирантов по энергомашиностроительным специальностям.

Личный вклад автора. В представленной работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором самостоятельно, а также совместно с аспирантами и сотрудниками научных групп, возглавляемых автором. При этом автору принадлежит: постановка проблемы и задач теоретических, экспериментальных исследований и их обобщении; разработка концепции, системного подхода и математических моделей многорежимной оптимизации АЭУ, обеспечивающей выбор оптимальных параметров как отдельных элементов, так и АЭУ в целом при заданных графиках нагрузок; непосредственное участие в создании экспериментальных установок, проведении и обработке опытов, анализе и интерпретации полученных результатов.

Апробации работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на: Российской научно-технической конференции "Повышение надежности и маневренности оборудования тепловых и атомных

электростанций" (г. Санкт-Петербург, 1994 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Автономная энергетика" (г. Санкт-Петербург, 1992 г.); Всесоюзной межвузовской конференции (г. Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана,1983 г.); Отраслевой научно-технической конференции "Вопросы повышения надежности и эффективности судовых энергетических установок" (г. Владивосток, 1985 г.); Всесоюзной конференции "Технические средства изучения и освоения океана" (г. Ленинград, 1985 г.); Юбилейной научно-технической конференции (г. Владивосток, 1988 г.); Краевой научно-технической конференции (г. Владивосток, 1990 г.); научных семинарах, заседаниях кафедры и научно-технических Советах в СПбГТУ, НПО "Уран", НПО "Мортеплотехника" и других организациях.

Публикация работ. Основные научные результаты, предложения и положения, вытекающие из представленной диссертационной работы помимо научно-технических докладов, технических отчетов и материалов, изданных Санкт-Петербургским государственным техническим университетом (свыше 50 наименований), опубликованы в 23 статьях и двух монографиях. По теме диссертации имеется 4 авторских свидетельства.

Объем работы. Диссертация состоит их введения, пяти глав, заключения, списка литературы и пяти приложений.

Содержание работы

Во введении показана перспективность использования сравнительно дешевых автономных энергетических установок малой н средней мощности, развитию которых уделяется большое внимание в проекте новой электроэнергетической Программы России в связи с кризисным состоянием энергетического оборудования в стране и необходимостью проведения децентрализованной инновационной политики в области развития мощностей ТЭС на органическом топливе.

Сформулированны условия эффективности применения АЭУ и области их использования. Обоснована цель и актуальность исследовании, выполненных в диссертационой работе.

В первой главе рассмотрено современное состояние тепловых двигателей малой мощности до 6 МВт (двигатели внутреннего сгорания, газо- и паротурбинные установки, силовые установки морских подводных аппаратов). Проведено сравнение их показателей (экономичность, габаритная мощность, удельная масса, удельный расход топлива и др.) на номинальном и переменных режимах. Наибольшей экономичностью обладают комбинированные и паротурбинные установки, затем следуют двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные установки, двигатели морских подводных аппаратов и космические установки (рис. 1 ,а). Одним из определяющих факторов при создании автономных транспортабельных и стационарных установок в рассматриваемом диапазоне мощностей является массогабаритный показатель АЭУ. На рис.1,6,в приведены характеристики удельной массы рАЭУ = МАЭУ / Ылэу, кг/кВт и габаритной мощности

Удзу = Идэу/Удзу , МВтЛр рассматриваемых типов двигателей. Сравнение характеристик удельной массы и габаритной мощности показывает, что ПТУ и ГТУ имеют некоторые преимущества перед ДВС в области мощностей >1,0 МВт.

Сравнительно небольшой ресурс ГТУ и ДВС, обусловленный высокой температурой газа, ограничивают их применение в АЭУ. К недостаткам ДВС и ГТУ, исходя из рассмотренных выше возможных областей применения АЭУ, можно отнести и необходимость использования высококалорийных жидких и газообразных тоилив.

На основании опыта проектирования автономных энергетических установок оценены удельные показатели паротурбинных АЭУ, построенных на предлагаемых принципах, которые составляют рАЭУ = 0,5...1,5, \дЭУ = 0,5...1,0.

Анализ экономичности, массогабаритных и других показателей, а также опыт, накопленный при создании образцов специальной техники (морских подводных аппаратов), позволил рекомендовать выбор ПТУ в качестве теплового двигателя АЭУ как наиболее полно удовлетворяющего сформулированным в настоящей работе основным принципам создания АЭУ [1,21]:

1. Многотопливность — использование в АЭУ разнообразных топлив (жидкого, газообразного, твердого, продуктов подземной или промышленной газификации твердых топлив, биогаза, отходов нефтедобычи, нефтепереработки, лесной и сельскохозяйственной промышленности и др.).

2. Многорежимность — необходимость обеспечения графиков нагрузок, которые задаются потребителями в зависимости от назначения и условий эксплуатации (рис.2).

Рис. 1. Сравнение основных показателен тепловых двигателей малой мощности: а - коэффициент полезного действия; б - удельная масса; в - габаритная мощность 1 - ДВС, 2 - стационарные ПТУ, 3 - ГТУ авиационного и транспортного типа, 4 - стационарные ГТУ, 5 - ЭСУ космических и подводных аппаратов, 6 - автономные энергетические установки на основе паротурбинного цикла

3. Многоцелевое назначение — способность работать с различными нагрузочными устройствами (рис. 3) и соответствующими заданными

' графиками нагрузок (рис. 2).

4. Приспособляемость — способность работать со сменными нагрузочными устройствами (рис. 2, е).

а)

Ö)

и t

+

b)

г)

Г'

e)

G»

4 n*

-GS

Qis«

t4

Q» P«

4-i V

<H ti t

Ps«

lSA

t*t

-момент и частота вращения привода; — электрическая мощность; GD, Рв Нп

Рис. 2. Примеры графиков нагрззок: М, пР, v — упор винта и скорость движения; РЭ1 -

— расход и давление сжатого воздуха; Н,Юд, УВОд — напор и производительность насоса; t — время; а) — нагрузочное устройство -механический привод, б) — нагрузочное устройство - движители судов и морских подводных аппаратов, в) — нагрузочное устройство - электрогенератор, г) — нагрузочное устройство - компрессор, д) — нагрузочное устройство - водяной насос; е) — нагрузочные устройства - компрессор (I), насос (II), электрогенератор (III), механический привод (IV)

5. Комплектность и блочность А Э У , предусматривающая простоту замены одного нагрузочного устройства другим и необходимую переналадку энергетического агрегата (при замене вида топлива, изменении режима работы и т.д.) пользователями этой техники, обычно, не имеющими высокой квалификации.

6. Экологическая безопасность — работа АЭУ с минимальными вредными выбросами в окружающую среду.

Рис. 3. Схемы многоцелевых автономных энергетических установок: 1 — турбоагрегат. 2 — нагрузочное устройство, 3 — потребитель механической энергии, 4 — движитель судов и морских подводных аппаратов, 5 — электрогенератор, 6 — трансформатор, 7 — электропреобразователь, 8 — компрессор, 9 — насос

Для реализации сформулированных принципов потребовалась разработка новых подходов к проектированию и созданию как АЭУ в целом, так и ее отдельных элементов.

В Санкт-Петербургском государственном техническом университете под руководством автора разработана концепция развития автономных энергетических установок малой мощности, основанная на применении высокооборотных малорасходных турбин (рис. 4.), обеспечивающих большие удельные мощности при жестких массогабаритных ограничениях[1, 21, 24]. Использование транезуковых и сверхзвуковых МРТ позволяет срабатывать в них большие перепады энтальпий при малых расходах и высоких начальных параметрах рабочего,тела при сравнительно высокой экономичности, что существенно сокращает число ступеней турбины и повышает компактность всей установки в целом [4, 14, 25].

Отличительными особенностями МРТ являются:

• малые объемные расходы рабочего тела, что при традиционных подходах приводит к необходимости уменьшения 1 или введения парцнальнос-ти (альтернативным решением являются МРТ конструкции ЛПИ, имеющие большой относительный шаг рабочих решеток t2 = t2/b2 >1,2,

малые углы выхода потока из соплового аппарата 0С1Г = 2 ... 9° и степень парциальности в = 1,0);

• малые значения u / С0;

• высокие (в основном сверхзвуковые) скорости в проточной части как соплового аппарата (СА), так и рабочего колеса (РК);

• относительно большие величины радиальных и осевых зазоров;

• относительно большие величины потерь на трение и вентиляцию при парциальном подводе;

• малый диаметр СА и РК, который приводит к значительной кривизне кольцевых ограничивающих поверхностей лопаточных аппаратов и, следовательно, к дополнительным потерям энергии.

Из анализа причин, вызывающих пониженный к.п.д. малорасходных турбин, и обзора материалов, посвященных исследованию МРТ, можно выделить ряд основных направлений их совершенствования:

• исследование и разработка принципиально новых конструкции МРТ, их элементов и методов рациональной компоновки;

о минимизация потерь энергии в элементах проточной части турбин на основе глубокого изучения аэродинамических процессов;

» оптимизация основных конструктивных и режимных параметров малорасходных турбин;

• сравнительное исследование различных типов МРТ, определение целесообразных областей их использования.

Над созданием таких малорасходных турбин работают многие организации страны (МАИ, МЭИ, МГТУ, ЛКЗ, НЗЛ, КуАИ, ЦИАМ, СПбГТУ, СПбМУ, НПИ, КТЗ и др.). Задача всесторонних теоретических и экспериментальных исследований различных конструкций МРТ в широком интервале изменения режимных и геометрических параметров была широко поставлена в СПбГТУ под непосредственным руководством автора.

а) б)

Рис. 4. Схемы проточных частей малорасходных турбин: а) традиционная парциальная МРТ с оеесимметричными соплами; б) осевая МРТ конструкции ЛПИ

Многорежимность АЭУ, разнотипность и разнообразие конструктивного исполнения предопределяют многообразие конструкций МРТ и их режимных параметров. Приведены данные основных типов малорасходных турбин, применяемых в различных областях науки и техники. Рассмотрены способы изменения режима работы МРТ в составе АЭУ. Обоснован подход к многорежимной оптимизации АЭУ на заданные графики нагрузок, сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена обобщению характеристик МРТ на номинальном и переменном режимах, которые положены в основу создания математической модели алгоритмического типа оптимизации МРТ. Рассмотрены характеристики СА с осесимметричными круглыми, плоскими соплами и рабочие решетки (РР) как традиционных МРТ, так и конструкции ЛПИ.

Сформулированные выше принципы создания АЭУ малой мощности обуславливают их работу в широком интервале изменения режимных параметров, определяемых графиками нагрузок. Имеющийся теоретический и экспериментальный материал по характеристикам СА и РР не позволяет обеспечить разработанный подход к многорежимной оптимизации в связи с узкими исследованными диапазонами изменения режимных и геометрических параметров при определении потерь энергии. С целью получения аэродинамических характеристик элементов проточной части МРТ в широком диапазоне геометрических и режимных параметров были созданы экспериментальные стенды, разработаны методики обработки экспериментальных данных и выполнен комплекс исследований на плоских, кольцевых и вращающихся моделях [5, 9, 14, 22, 23, 26]. В диссертации разработаны методы построения обобщенных характеристик потерь энергии в элементах проточной части как традиционных МРТ, так и конструкции ЛПИ на основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в СПбГТУ при непосредственном участии автора, так и по данным других авторов.

Метод построения обобщенных характеристик СА с осесимметричными круглыми соплами основан на характеристиках одиночных сопел в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров с учетом их взаимного влияния, а также взаимного расположения сопел = С,с + С1Х, где — коэффициент потерь энергии одиночного сопла, — коэффициент, учитывающий изменение потерь энергии от взаимного расположения сопел в СА, опреде-

- 1. - ч

ляемого степенью перерезывания 1 = —--, где Ь— максимальный размер

ч

эллипса, t|— шаг сопел.

Такой подход обусловлен наличием большого количества экспериментальных данных по исследованию одиночных сопел, позволяющих использовать их с высокой степенью достоверности при расчетах на переменных режимах. Коэффициент скорости одиночного сопла представлен в виде комбинации функций:

Фс = ФГ

-к^м.дЬдфгкД

Uk,

Дкр=1,0

где Км=(фв/фе-») при d^l;

АфГ = <РГ |d>i - фГх(^р);ФГ = 0,971 - 0,01095 ■ (l0- dj~2;

dKp = dbT /d^; d"^ - предельный критический диаметр сопла, равный 10 мм.

Сопоставление опытных данных различных авторов (Виноградов Л.В., Кудрявцев В.М., Наталевич A.C., Родин К.Г., Хорлокк Д. и др.) по влиянию на эффективность одиночных сопел на расчетном режиме угла С£1г и геометрической степени расширения fc (см. рис. 5.) показывает, что в диапазоне изменения СУ.1Г= 14 ... 20° и fc от 1,0 до 2,8 при условии, что Q =0орр пах

изменение ф лежит в пределах точности эксперимента.

Рис. 5. Обобщение экспериментальных характеристик эффективности одиночных сопел в диапазоне изменения £ от 1 до 2,8

В основу двухпараметричекой зависимости Км были положены данные исследований одиночных сопел (см. рис. 5.). Значения Км для исходных

параметров М1(, Гс определяются с помощью процедуры интерполяции функции двух переменных полиномами второй степени с произвольным заданием узлов интерполирования последовательно по каждому значению единственной

переменной ¡у[11 и £с в отдельности.

Значения [!6. 17] можно с достаточной степенью достоверности получить на основе опытных данных (рис. 6), которые представлены в виде:

0,096

ми

0,096

• ехр

-0,0095(1-О^-мЛт-О2

, если -=с(т(тэкс,

М,

• (1 - ехр[-0,037(1 - ?с) • М„ -т2]), если тЭЕС < т < 0,

•и*-ехр

-0,01(1 -?с)-т2

если т)0,

где ^ = -11,966+4,944Чс^Мц) —значение *с(0, которому соответствует

максимум потерь энергии в СА с одиночными соплами; — потери энергии в прямом скачке уплотнения.

-5 .13*«1

---Ъ»Ив I

м I I

2- "( («л«'

I- Х.2,19

ш ь.и

ОЛм1. I__1_ '_I__а,

-а? 1 ^ад - ал 1 а' 00 отчг

Рис. 6. Влияние степени перерезывания т на коэффициент потерь энергии

Представленные формулы справедливы в интервале геометрических и режимных параметров Мц = ••• 3,0, геометрического угла выхода потока

(Х1г= 14 ... 20°, геометрической степени расширения сопел £ = 1,0 ... 2,8, диаметра

минимального сечения сопла ¿кр= 2,4 ... 10 мм, степени перерезывания х = -1,60 ...0,12.

Обобщены экспериментальные данные по трансзвуковым п сверхзвуковым режимам работы СА с прямоугольными соплами, в основу чего положен обшир-

нын экспериментальный материал, полученный при исследовании прямоугольных сопел в МЭИ. Потери кинетической энергии представлены в виде отдельных составляющих. В результате обобщения экспериментальных исследований установлены зависимости коэффициента потерь энергии <^от утла аг 7 > относительной высоты 1, = 11/Ъ1, а также величины относительной толщины выходной кромки А, = А_ / а,

?Пр ' КкР ' Км С

кенц '

где <¡™in = 0,1093 - 0,0076а1г + 0,00023<,

?конц = -°'5233 + ^8б40Мп ~ 2,3352Ml2t +1,2495Ml3t -0,240, поправочный коэффициент на толщину выходных кромок

^=0,7 + 3,5^ + 6,7^,

гДе Аас— толщина выходной кромки, fy— хорда профиля; поправочный коэффициент К.м на ч»сло Mit н fc поучен на основе атласных данных для сверхзвуковых решеток профилен с различными (Х]г (см. рис. 7). Для определения Км используется процедура интерполяции полиномом Лагранжа второй степени.

5 го

7 - }t * Uoj

а? аз Ц9 '.о и « о iA i,5 i.6 r.7 ntt

Рис. 7. Зависимость поправочного коэффициента от геометрической степени расширения fc и числа ]\Д,(

Приведенные зависимости справедливы при ^ = 0,6 ... 0,9; Яе1,>5105;

8°< а1г <22°; 1,0<!с < 1,2; ^О.З; 0,72 Мц^1-8-

Результаты экспериментального исследования сопловых аппаратов конструкции ЛПИ с тангенциальным подводом [23, 25] представлены в виде

обобщенных зависимостей коэффициента скорости фх = ф1(а1г Дс ,Мц) для

3-х значений 0С1г= 5; 7; 9°; £с= 1,0 ... 3,0. Значения фх для СХ-1г = 5° пРивеДены на рис. 8.

»ее г» 1.ю ' >< 9.во ли г за ? э.ю

*ГТ11>> гг^у г;^ » Г-Т-ГУТ! р и Г| ГГ1 I I I , I ш.й»

»во ).и »75 г во г ц /ц г х

м„

Рис. 8. Коэффициенты скорости фг сопловых аппаратов с тангенциальным подводом конструкции ЛПИ (вариант с (Х1г - 5°)

Переменный режим работы СА учитывался коэффициентом ф1 = ф3/ (рис. 9), который представлен полиномом

фх = 0,38386 +1,61554 Мц - 1,4399бЩ + 0,51оЩ - 0,07138мй,

где М1( = М1( /при значениях ВДР на расчетном режиме, соотвествующем минимуму потерь:

а) Мр(5") = 3,5723 -1,85227 • £ + 0,42422 • £ * + 0,0401 • £

б) М'(г) = 1,4008 + 0,94783• £ -0,73702• £* + 0,18785• £

в) М[,(9°) = -0,0724 + 2,45533• £ -1,19022 • £* + 0,21553• £\

1.05

1.00

0.9S

0.90

0.85

0.80

0.75

-

Г X

1 / )

i ! ■ / ООООО а,г= 5", t,/bf=1.0S ) _ ооаап а,г= 7", %[Ьг<-14{7*=<.00 00000 at- S°, t,75=0.97) . ooooo а,г= Т. U/b~Q.99 { f0=1.48 Ш«г s', у tel.об). воеев 5', bite0.99 /.=2.82 —ггтг'ртп-, iTTTT-.-ri i г'-j i*iт'ггг

i 1 /

-

о.г

P. 5

0.8

!.1

1.4

1.7

г. о

Рис. 9. Зависимость коэффициента фг характеризующего эффективность С-А с тангенциальным подводом на переменном режиме

Концевые потери характеризовались параметром amin/lr Апроксимирую-1ций полином для определения коэффициента скорости СА на расчетном режиме

ФУ = 0,8574 + 0,3245• ат1пД - 0,5854(ат1гД)2 + +(),9104(amin/l1)3 — 0,8354(amin/l1)4 + +0,3793(amin/l1)5 ~ 0,0бЗб(ат!п/11)6.

Имеющиеся в литературе многочисленные обобщения и методы расчета аэродинамических характеристик профилей рабочих решеток (МАИ, МЭИ, Л КЗ, ЦИАМ, ЦКТИ, СПбГТУ, СИбМУ, КТЗ и др.), которые можно использовать в задачах оптимизационного проектирования, относятся, в основном, к дозвуковым или околозвуковым профилям. Для сверхзвуковых решеток МРТ число таких работ весьма ограничено.

Анализ методик расчета потерь энергии в транеззуковых и сверхзвуковых рабочих решетках показал, что представленные различными авторами зависимости отражают влияние основных параметров: относительного шага t2 = t, /Ь2 и высоты 12 =1,/Ь2; угла поворота потока В2 = Р1г + Р2г: геометрического

угла входа Р1г и выхода Р2г потока; отношений ам/а5 и (а1'а2>ам —

соответственно величина сечения межлопаточного канала на входе, выходе и в

среднем сечении); относительной толщины входной Л1р = Д1р / Ь2 и выходной

Л2р = Д2р /Ь2 кромок; радиуса кривизны выпуклой Rc[, и вогнутой RK поверхностей PJI; относительной максимальной толщины профиля CM = Cmax/b2 ; числа М2 и дают удовлетворительное совпадение расчета с опытом на расчетном режиме, однако, зависимости, учитывающие влияние числа М2, на профильные потери, а также выражения для определения концевых потерь энергии позволяют использовать их лишь в узком диапазоне изменения данного параметра. В ряде работ не учитывается влияние толщины входных кромок на потери энергии в РК, обосновывая это тем, что современные сверхзвуковые решетки имеют тонкие входные кромки. Однако обеспечить в

рабочих решетках МРТ малые значения отношения Д1р — 0,01...0,02, что

имело место в используемых результатах опытов на плоских моделях, как правило, не представляется возможным по технологическим и прочностным соображениям. По этим причинам рабочие колеса МРТ характеризуются повышенными значениями параметра Д1р >0,1, а опытные данные свидетельствуют

о значительном влиянии толщины входной кромки на потери энергии в сверхзуковой рабочей решетке и на эффективность МРТ.

Таким образом, представляется целесообразным создание математических моделей для расчета потерь энергии в РК традиционных сверхзвуковых МРТ в широком диапазоне режимов по числу пУтем синтеза уже имеющихся

зависимостей для отдельных составляющих потерь энергии и вновь полученных, которые отражали бы влияние угла атаки и совместное влияние периодической нестационарности, турбулентности и неравномерности потока.

В работе использован известный подход(Дейч М.Е, Самойловнч Г.С., Трояновский Б М и др.) — представление на расчетном режиме профильных потерь энергии в РР в виде суммы потерь трения, кромочных и волновых:

СР — ср + rv + гр Ьпр Ьтр Ькр SjBOhH

Сложность физической картины течения в сверхзвуковой активной решетке,

а также взаимосвязанность процессов в межлопаточном канале указывают на

..Р

некоторую условность представления , так как невозможно в явном виде

Р Р

определить потери трения и волновые <^волн- Однако такое представление

позволяет воспользоваться результатами обобщений по дозвуковым решеткам, а

степень влияния каждого из параметров на потери в до- и сверхзвуковых

Р Р

решетках учесть величиной потерь Свош,- Аналитические выражения для и

<->воли приводятся в виде уравнении регрессии в зависимости от основных параметров, влияющих на потери трения: 02 ,К smPlr/sinP2r ,t2 ,Cmax и на волновые потери ам ,а1;а2 ,Rcn ,RK (рис.4).

Потери трения

С = ЬГ02 + Ь2-е2-К + Ьг02-Стах + Ь4-02Ч2 + Ь5-К2 +

Ьб • к • стах + Ь7 ■ К • \2 + Ь8 • Стах2 + ь9 • Стах • и +

/ Ью ■ Хг +Ь1Г02 + Ь12-К + Ь13-Стах + Ь14Ч2 + Ьо, где ЬД1 = 1,14) —эмпирические коэффициенты уравнения регрессии. Волновые потери

С волн = 0,3492 - 0,6411 • К, + 0,0267 • К2 + 0,2871 • К,2 -

-2,1504 К2 +10,0136-К^, где К1 = (агн/(ага1))-(Ч£*/Ч2,)2,

= 0,595 + 1,3765(ЯСП/ЯК)- 1,6144(Кса/Ек)2 + 0,6429(КспДк)3,

V - \ /т

Ьг —длина канала на участке от входного до минимального сечения. Для определения кромочных потерь, обусловленных конечной толщиной выходных кромок, использовалось известное выражение

0,57 Д2р

ЪкР2 (1+м2р,Г-

а2

Для оценки влияния на профильные потери толщины входных кромок использовались опытные данные МЭИ,- которые в диапазоне чисел {у[т1 = 1,25...1,83 удовлетворительно апроксимируются простым выражением

<4 =0,32-(д1р/а1Г.

Приведенные зависимости могут быть использованы в диапазоне изменения

М2, =1,0...1,85 »(д^/а^ =0...0,35.

На режимах, отличных от расчетного, коэффициент С^ определялся из соотношения:

'зпр — ^пр ' Км — (£зТреи+С5кр1 + ^кр2+'5волн) ' ^м , где коэффициент вычислялся по выражению:

пр _ {а0 + а!• Мц + а2' Мо, + а3' Мз1+ »4' М2, + а5' М2,, есл" °>4 ^ М2! ^ М Км -1 .

[Ьо + Ьг М2[+•• -+Ь5• М2( ] 1 ^ М21 ^ 2,0.

Потери энергии, связанные с конечной длиной лопагки, главным образом, потери на парный вихрь, учитывались коэффициентом концевых потерь ÇK0H4>

который в случае сверхзвуковых активных решеток зависит от числа fy^t н в ласти изменения отношений ам/аг = 0,8...1,076; ах/а2 = 0,975...0,986; ам/а2 = 0,77...0,61 (профили симметричны = 90°) определялись по данным Павлова А.П.:

0ДЗ-Ь2

Çkoî14 (i+M2«)V

которое является результатом обобщения экспериментальных данных, полученных в СПбГТУ в диапазоне изменения числа ]yj2t-0,7...!,5. Однако характер зависимости позволяет экстраполировать значения ÇK0 вплоть до

В итоге суммарные потери в сверхзвуковых активных решетках ç' при расчетном угле натекания и равномерном потоке на входе s решетку

Ç 2 ^пр ''копи '

Как показал анализ расхождение расчетных и экспериментальных значений суммарных и профильных потерь удовлетворительное.

Переменные режимы РР характеризуются нерасчетными углами натекания потока на ее входные кромки. Значительное число экспериментальных работ посвящено исследованию потерь от углов входа, однако, они выполнены, в основном, на дозвуковых плоских решегках при низких дозвуковых скоростях

потока (Jy[2t<0,5). Имеющиеся данные позволили рекомендовать обобщенные зависимости профильных потерь от углов атаки для расчета характеристик дозвуковых турбин на переменных режимах.

Потери энергии ç. от углоз атаки на сверхзвуковых режимах работы решеток МРТ учитывались эмпирическим коэффициентом пропорциональности, определяемым, согласно экспериментальным данным (Дейч М.Е., Самой-лович P.C., Трояновский Б.М. и др.), в диапазоне чисел M2t ! ,5:

= к,. (AW,jw2y = . mJ

smßj smßlr где К; = 0,25, если ßlr - ßt(0 или 0,48, если ßlp - ßx>0.

Режим работь: РР в составе МРТ характеризуется нестацнонарностью, учитываемой коэффициентом ÇHecT.- который получен на основании обработки экспериментальных данных Копелева C.B., Ласкина A.C., Зильбермана A.C.

^пест = 0,5(12/ц)(р1 + Р;)Ха • (и/С0),

_ _ /аг^да!

*Ч = / ,/ -1Р, +Р2)> рад-

(и/С^ -2(и/С1)сова1+1

Таким образом, суммарные потери энергии в РР на переменных- режимах с учетом нестационарности вычислялись по зависимости

^^^„есх-

Аналогичным способом в работе проведено обобщение потерь энергии в решетках с лемннскатными профилями на дозвуковых и сверхзвуковых режимах.

В результате экспериментальных исследований свыше 50 рабочих решеток конструкции ЛПИ, выполненных при участии автора[26], отличающихся относительным шагом Ц = 1,12...2,30; относительной высотой 12 = 0,65...1,67; геометрическими углами (31г = [32[. = 6...20°; различными соотношениями а2/аэ и ам/а2 =0,4...1,8, предложен для интервата = 0,6...2,0 ряд частных полиномиальных моделей, разработанных на ■ основе теории планирования эксперимента и позволяющих определить суммарные, профильные

и концевые потери в функции параметров Ц Д2,ам/а1 ,Я2/а1 ,М2Г

Сравнение результатов численного эксперимента, использующего полиномиальные модели, с экспериментальными данными выявило близкое совпадение расчетных величин потерь с экспериментальными в области центральной точки композиционного плана. Однако на границах варьирования погрешность возрастает до 3...4% абсолютной величины как для профильных, так и для концевых потерь. Адаптация математической модели осуществлялась с помощью двумерной квадратичной шперполяции-апрокеимацин [10], для повышения ее достоверности были сужены границы варьирования: ^= 1,20. ..2,20;

Р^ = р:г = 7,7...8,7°; а2/а1 = 0,9...1,2; ам/ах = 0.95...1Д; М21 =1,0...1,8.

На рнс. 10,а представлены результаты обобщения профильных потерь РР при а2/ах = СОП81 и Ц (варьируемым параметром принято суженне-

уширение в среднем сечении канала), на рнс. 10,6 — при ам/а1 = СОП51 и t

(варьируемым параметром принята конфузорность-диффузорность канала на выходе из межлопаточного канала (МЛК)).

При проведении экспериментальных исследований особое внимание уделялось определению оптимального относительного шага для МЛК различного вида. Получена зависимость коэффициента профильных потерь энергии для РР с

фиксированными значениями а2/ах = 1,0;аМ;/а1 = 0,935 и варьировании

Ин и-

Рис. 10. Профильные потери С^ в рабочих решетках с большим относительным шагом t2 с местным уширением (а) и днффузорных (б) при

t2 =1,5: а) - a2/a¡ = 1,0; б) -ам/а, =1,0

Оптимальное значение -J- практически не меняется с изменением режима в расматриваемом диапазоне чисел М7..

Рис. 11. Концевые потери в рабочих решетках с большим относительным

шагом 12 с местным уширением (а) и днффузорных (б) при

12 = 1,5Д2 = 1,0: а) - а2/а, = 1,0; б) - ам/а, = 1,0

На рис. И,а представлены концевые потери энергии для решеток с а2/а1 = 1,0, а на рис. 11,6 с ам/а} = 1,0 при «- . Недостаток эксперимен-

2ор[

тальных данных не позволяет провести обобщение концевых потерь при измеие-20

нин 12 от оптимального значения, поэтому при определении концевых потерь энергии использовалось выражение:

''конц — 'эконц

где ^ ко^!11 — экспериментальные данные по рис. 11. полученные при ]2 = 1. Принято, что концевые потери энергии зависят линейно от относительной высоты ]2.

Дополнительные потери энергии от утла атаки выделены путем сопоставления потерь энергии в кольцевой решетке в составе ступени и плоской решетке при идентичных геометрических параметрах. Исследование одновенечных ступеней и плоских решеток позволили выявить дополнительные потери от ударного входа в решетку при одновременном изменении относительного утла атаки в

диапазоне 1 = = —0,8...0,8 и при изменении числа 8 диапазоне

Р1Г

0,6... 1,5. Увеличение суммарных потерь в рабочей решетке от }гла атаки определялось :

Si К'(('пр+<'ко1щ). •

•пр -iwi.M"

Зависимость = —коэффициента, учитывающего увеличение потерь

энергия от углов атаки, представлена на рис. 12 и апроксимирована полиномом

К, = 0,005277 + 0,7767i + 0,38052Г2 + 0,09209Г3.

Ki

Рис. 12. Коэффициент К;, учитывающий влияние относительного утла атаки 1 на суммарные потери энергии в РР с большим относительным шагом

Как видно из приведенных зависимостей, отличительной особенностью РР конструкции ЛПИ является снижение профильных потерь при отрицательных углах атаки по сравнению с традиционными PP.

Суммарные потери в РР с большим углом поворота потока определялись:

С=С +С + С + С

~2 =пр ~конц ^ пест

Потери от нестационарности определялялись по зависимостям, приведен-

ным выше.

Анализ выполненных исследований по потерям энергии от парциальное™ (потери энергии от трения, вентиляции и на краях активных дуг) в малорасходных турбинах и экспериментальная апробация методик их расчета позволили выбрать эмпирические зависимости, дающие достоверные данные для МРТ рассматриваемого класса, которые были использованы в математических моделях многорежимной оптимизации МРТ.

Третья глава посвящена разработке математических моделей многорежимной оптимизации (МО) малорасходных турбин. Системный подход к проектированию автономной энергетической установки [1. 2, 4, 21], предназначенной лля работы на ряде режимов, требует выделить МРТ из состава АЭУ в самостоятельный объект оптимизации (нижний иерархический уровень многорежимной оптимизации АЭУ). При решении задач многорежимной оптимизации МРТ был определен состав параметров, которыми математическая модель МРТ обменивается с внешней моделью многорежимной оптимизации АЭУ и моделями, входящими в состав общей модели АЭУ (рис. 13). Вся информация, которая использовалась в процессе решения задачи многорежимной оптимизации МРТ, была разделена на исходную, промежуточную и искомую.

Исходная информация формировалась из промежуточной, получаемой на предшествующих стадиях МО элементов АЭУ, и внешней информации (внешняя прямая связь), которая поступает с верхнего иерархического уровня многорежимной оптимизации АЭУ и входит в техническое задание на проектирование МРТ. Основной исходной информацией, определяющей условия многорежимной оптимизации МРТ, являлся график нагрузок турбины, который формировался с учетом графика нагрузок и затрат мощности на привод элементов АЭУ (движитель, механический редуктор и др.), Использование в качестве исходной информации графика нагрузок АЭУ является новым подходом при решении задачи многорежимной оптимизации МРТ автономной энергетической установки, который предъявляет свои требования к составу оптимизируемых переменных и отличается от подходов, предложенных другими авторами.

Промежуточная информация получалась в процессе решения задачи многорежимной оптимизации МРТ и служила исходной для последующих стадий МО элементов АЭУ (парогенератор, конденсатор).

Искомая информация подразделялась на внутреннюю (результаты оптимизации геометрических и термодинамических параметров) и внешнюю, осуществляющую связь с общей моделью многорежимной оптимизации АЭУ (внешняя обратная связь).

При многорежимнон оптимизации МРТ в составе АЭУ важно правильно определить состав оптимизируемых параметров, основные ограничения и критерий оптимальности (функцию цели).

млтв*мт«<носкАА иаделк МНСГОР»ии4МгСИ ОЛТУМПАЦСМ (МО) АЭУ

L МКГМСврлъ МО Турбины

мят медаль МО Ап=егктсв и

мчмдедое ссопдоммй ¿3/

— ПРОМв ШУТОЧКА*

»»сходили

ыо *fmvetm * *

ww«iin WW М9 г

Рис. 13. Принципиальная схема потоков информации при многорежимнон оптимизации МРТ в составе АЭУ

Для МРТ в АЭУ замкнутого никла функция цели

где на i-м режиме: JSJC- эффективная мощность турбины; Gn- расход рабочего

тела; h^, h - соответственно энтальпия рабочего тела на входе в турбину и конденсата на входе в парогенератор; At - продолжительность работы.

В процессе решения задачи многорежимной оптимизации МРТ необходимо учитывать системы ограничений в форме равенств и неравенств. Оптимизация с учетом ограничений позволила получить характеристики МРТ, в полной мере учитывающие специфику ее производства и функционирования. Система ограничений складывалась из ограничений в виде границ, накладываемых на каждый оптимизируемый параметр, и функциональных ограничений. Основное функциональное ограничение в виде равенства при решении задачи многорежимной оптн-

мизации MPT — это соответствие мощности, развиваемой МРТ и заданной графиком нагрузок турбины (уравнение баланса мощностей). Ограничения накладывались и на внутренние (зависимые) переменные, циркулирующие в модели и не использующиеся в качестве оптимизируемых переменных. Такие ограничения обуславливались системой допущений, принимаемых в модели, и адекватностью эмпирических данных в заданном интервале изменения этих величин.

Оптимизируемые параметры были разделены на 2 группы: множество общережнмных параметров и множество векторов режимных параметров.

Множество векторов режимных параметров формирует программу регулирования МРТ (под регулированием турбины понимаем тепловое регулирование), поэтому различные сочегания режимных параметров представляют собой разные программы регулирования. Из множества варьируемых переменных в качестве

режимных параметров были выбраны P0*,Tj,Zc (количество полностью открытых сопел). Рассматривались шесть различных программ регулирования МРТ, полученных различным сочетанием режимных параметров:

1){Ptt,Ta,Zci,i = l,n}; 4){pa,U,i = 1,п};

г j. . -—1 г , . —т

2)iToi>Zd,i = М/; 5)\poi,i = l,nf;

3){Po;:Zci,i = 1,п}; б){тш,1 = l,n}.

Множество общережимных параметров состояло из переменных a)r,fc,12 ,Plr ,D2k ,t2 ,п™х (максимальная частота вращения ротора турбины) и в зависимости от программы регулирования дополнялось соответствующим параметром из сформированного множества переменных: 2) р*; 3) "J"*; 4)

5)To-zc;6) PQ'ZC •

Анализ разработанной математической модели алгоритмического типа многорежимной оптимизации МРТ показал нелинейный характер зависимости характеристик МРТ и их ограничений от множества термодинамических и геометрических параметров, а также нелинейность зависимости функции цели от того же множества параметров. Следовательно, решаемая задача многорежимной оптимизации относится к классу задач нелинейного программирования в наиболее общей их постановке. Тогда с учетом связей с задачей многорежнмной оптимизации АЭУ н в соответствии с подходом, развиваемым в данной работе, и методологией, развитой для автономных энергетических установок, задача многорежимной оптимизации МРТ в наиболее общем виде формулируется следующим образом:

необходимо максимизировать нелинейную функцию цели

tlu=rllt(x,Z{l,)...)Z(n),Xr,Z(rl),...,ztn);Y,r,A)

с учетом нелинейных ограничений в виде равенств

и в виде неравенств

(х ,г(1),...,г(п),хг,2^1),...,г!-п),у,г,А )<отах.

^ш^^О^^тах^д =Ао>

где X = (Х1,Х2, — ,Хт) — вектор независимых переменных, значения которых не изменяются при переходе от режима к режиму и имеют непрерывный характер изменения;

М 7Ы) = ((7(1) 7(,)) (уЫ уШ

\£-1 ) ■!•••■)¿-¡у. //

множество векторов независимых переменных, значения которых изменяются при переходе от режима к режиму и имеют непрерывный характер изменения (п — количество режимов);

Хг = (Хг| ,Хг2• ••Хгр) —вектор независимых переменных, значения которых

не изменяются при переходе от режима к режиму и имеют дискретный характер изменения;

торов независимых переменных, значения которых изменяются при переходе от режима к режиму и имеют дискретный характер изменения;

У = Уг5Уз ?Уо—множество внутренних зависимых параметров.

Вектор X характеризует, в основном, конструктивные и некоторые термодинамические параметры, например, диаметры, высоты лопаток, утлы,

относительные шаги и, например, у*, который не изменяется от режима к

режиму в соответствии с выбранной пршраммой регулирования (программа

регулирования при постоянной уо и скользящем начальном давлении ро).

Множество векторов определяет термодинамические и

конструктивные параметры, изменяющие свои значения при переходе от режима к режиму и тем самым обеспечивающие выполнение заданного графика нагрузок

турбины. Это, например, начальное давление и температура перед турбиной р*, У*, конечное давление за турбиной Р2 , а также геометрический утол 0С1г н геометрическая степень расширения £ соплового аппарата, если сопловой аппарат выполнен регулируемым. Таким образом, при помощи множества векторов =1,11 формируется программа регулирования турбины.

К множеству векторов Д = 1,п можно, например, отнести число сопел соплового аппарата, если используется сопловое парораспределение .

В качестве примера множества внутренних зависимых параметров Y можно привести скорости C|,Wj,C2,W2, степень реактивности ступени, коэффициенты скорости соплового аппарата и рабочего колеса и другие характеристики ступени.

Параметры и признаки МРТ, имеющие конструктивный характер и изменяющиеся дискретно, характеризуются множеством Г. К ним можно отнести тип турбины (одно-, двух- и многоступенчатая, осевая, радиальная и др.).

лчО)' ( '0 (0 (0^ „ Множество 4J = ,ф2 • > ф f J объединяет балансовые уравнения,

прежде всего, баланс на каждом режиме мощности, развиваемой турбиной, и мощности, задаваемой графиком нагрузок.

Область допустимых значений переменных в математических моделях многорежимных МРТ определялась с помощью функций

о'ЧМ.-.«?')-

Независимые внешние и внутренние факторы, которые не являются оптимизируемыми переменными и считаются заданными, т.е. А = АС, где A = (a1,a2,...,ai). К внешним независимым факторам относятся параметры,

поступающие с верхнего иерархического уровня многорежимной оптимизации АЭУ (внешняя исходная информация); к внутренним факторам относятся параметры, определяющие конструктивное оформление проточной части МРТ, например, величины зазоров, ширина решетки профиля и толщины кромок рабочего колеса, число гребней бандажа и др. (внутренняя исходная информация).

Режимные параметры представляют множество непрерывно и дискретно измс-

7(i) 7(i) „(¡)\ /7(0 -ОЙ ,,, „

няющихся параметров ,Z2 , ..,ZK }; \Z,rl ,Zr2 ,...,ZrQ | (k, Q —

соответственно количество векторов непрерывно и дискретно изменяющихся параметров), которыми осуществляется регулирование мощности турбины при переходе от одного режима к другому. Таким образом, значения

(7d) 7d) /V>) 7(0\ .

, Z, ,..., ZK J ; ,Zr2Zfg у для i-го режима должны оыть такими,

чтобы мощность, развиваемая турбиной на этом режиме, соответствовала мощности, задаваемой графиком нагрузок, т.е. должно быть выполнено i-тое

ограничение в виде равенства ф^ = 0.

Общережимные параметры представляют вектор непрерывно и дискретно изменяющихся параметров X = (Xj,X2 ,...,Xm),Xr = (Хг1,Хг2 ^.^Х^),

(m, р — соответственно количество векторов непрерывно и дискретно изменяющихся параметров), которые не изменяются при переходе от режима к режиму, т.е. являются общими для всех режимов, задаваемых графиком нагрузок.

Для решения поставленной задачи на основе анализа методов оптимизации с учетом сложности функции цели и ограничений был выбран меюд покоординатного спуска, адаптированный к условиям задачи оптимизации.

Для повышения эффективности решения сформулированной выше задачи многорежимной оптимизации МРТ методом покоординатного спуска ее необходимо модифицировать с целью уменьшения размерности н количества нелинейных ограничений типа равенств. Модель мнсгорежнмной оптимизации можно также упростить с помощью преобразования функции цели и ограничений, при этом решение задачи получается более наглядным.

Так как числитель выражения функции цели — величина, заданная графиком нагрузок, то максимум функции цели достигался путем определения минимума знаменателя. Следовательно, задача максимизации функции цели сводится к задаче минимизации суммарного количества подведенного тепла

Qr = Z(Gn(h; - h;)At)i -» min.

i-l

Схема алгоритма математической модели многорежимной оптимизации МРТ приведена на рис. 14. Поиск минимума Q^, осуществлялся на двух уровнях:

первый уровень — это оптимизация общережимных параметров; второй — оптимизация режимных параметров при фиксированных значениях общережимных параметров. Таким образом, оптимизация общережимных параметров осуществлялась в пространстве точек, в каждой из которых достигался минимум Q2 по режимным параметрам.

Математические модели, разработанные в диссертации для одновенечных и двухвенечных МРТ как традиционного типа, так и конструкции ЛПИ, представлены в виде математических моделей алгоритмического типа для процессов в МРТ в одномерной постановке. Уравнения, описывающие процессы в МРТ, группируются в отдельные блоки. Блочная модель элемента проточной части содержит в себе основные уравнения, описывающие термогазедннамические процессы, подмодели определения потерь энергии на основании результатов физического моделирования и вычислительные процедуры такие, как решение уравнений, аппроксимации и логического разветвления.

Потери энергии и коэффициенты расхода определялись в зависимости от геометрических и режимных параметров, циркулирующих в модели, и представлены в виде аппрокснмационных зависимостей, удобных для расчета на ЭВМ. В общем виде зависимость для определения потерь энергии в элементе проточной части МРТ представлена в следующем виде:

(^(X^X^Z^yjaI

В связи с принятыми принципами построения математической модели МРТ расчет по одномерной теории проводился не в трех, а в шести характерных сечениях. Математическая модель МРТ представлена пятью основными блоками: модели СА и РК, для которых выполнялось условие постоянства расхода от входного до выходного расчетного сечения; модель межвенцового осевого зазора, в котором расход изменяется от входа к выходу и происходит процесс смешения; модель протечек через периферийный и корневой зазоры; модель процессов на неактивной части дуги подвода РК, а также двух блоков, необходимых для определения геометрических характеристик ступени и

внутренних потерь энергии от трения диска, бандажа и от иарциальности [7, 8, ¡8, 19,20, 25].

ЬвВД О МйС*С ШОПЧ

Iи*«mj tenpor.» псдалмоиг СЛГИМАЯМ^ИИ

с МОЛА ТОЛЛАИИЙ

no or и

МИ* С V^CiCM СГЯАЫНОИИИ

> с_

j ) )

2

MHTOFM^ tWUTO

aw с учетом oraNwaw -«fr > с

_rrtStft-*J II

ч"""""" «»»«»чип 1« ».

LU- йЫ-JJ

oiwwwow» iHnnww xvwt

с учетом orwy wяма

U-gaua^ n

z

«шпиюмиишю/

II

T

ННК.Г r-IAl'liKW ((НКИ ROW?

UiWXnwMIA IOOOH«

X, (Xmcw* Xminj/tl

^k о и e ц ^

Рис. 14. Схема алгоритма математической модели миогорежимиой оптимизации МРТ (программа регулирования р*. ,гр*. И = 1»п)

Анализ адекватности математических моделей и результатов экспериментальных модельных и натурных исследований, выполненных различными авторами, в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров (9-ти МРТ традиционного типа, 5-ти конструкции ЛПИ и 7 двухвенечных ступеней), показал удовлетворительное совпадение, что позволило использовать их с достаточной степенью достоверности при многорежимной оптимизации МРТ разного типа.

Четвертая глава посвящена разработке математических моделей многорежимной оптимизации основных элементов паротурбинной АЭУ.

Показана целесообразность применения прямоточных парогенераторов для автономных транспортабельных энергетических установок. На основании исследований методов сжигания топлива, интенсификации процессов горения и теплообмена, выполненных в СПбГТУ, были рекомендованы для применения в АЭУ унифицированные по топливу парогенераторы, которые обеспечивают одно из основных требований (многотопливность) рассматриваемого класса установок. Созданная математическая модель парогенератора построена на основе известных и хорошо апробированных методов расчета его отдельных элементов, разработанных в ЦКТИ им. И.И.Ползунова.

С целью снижения массогабаритных показателей и упрощения условий эксплуатации предложена конструкция конденсатора в виде горизонтального гладкотрубного пучка кольцевого типа, продольно обтекаемого водяным паром, конденсация которого осуществляется при давлении, близком к атмосферному.

По условиям работы системы конденсатный и циркуляционный насосы должны при дискретно изменяемых частотах п вращения роторов, различных давлениях Pjc перед их входными патрубками и различных температурах Т перекачиваемых жидкостей обеспечить определенные графиком нагрузок АЭУ массовые расходы Gc в системе и давления Р2С на выходе. Поскольку схемы работы рассматриваемых насосов одинаковы, условия их регулирования аналогичны друг другу, то можно вести оптимизацию выбора конденсатного и циркуляционного насосов по одному и тому же алгоритму.

Традиционные методы повышения к.п.д. элементов АЭУ недостаточны для создания оптимальной установки в целом. Они должны быть дополнены выбором оптимальных параметров рабочего процесса и геометрических характеристик в результате многорежимных оптимизационных расчетов АЭУ на заданные режимы работы. Такой подход обеспечивает минимальных расход топлива в случае оптимального регулирования при полном обеспечении необходимого графика нагрузок.

Реализация разработанного подхода позволила при решении ряда конкретных задач оптимизации элементов АЭУ выработать рекомендации по выбору конструктивных, термодинамических и режимных параметров АЭУ при их проектировании.

Для реализации горизонтальной иерархической структуры математической модели многорежимной АЭУ [2] были созданы математические модели многорежимной оптимизации отдельных элементов ее тепловой схемы (МРТ, парогенератор, конденсатор, конденсатный и циркуляционный насосы), в которых учитывалось достаточно большое количество термодинамических, режимных и конструктивных параметров. Эта система математических моделей позволила рассчитать характеристики рабочих процессов всех элементов

установки и учесть основные ограничения, налагаемые на оптимизируемые параметры.

Математическая модель парогенератора (ПГ) АЭУ формировалась по иерархическому принципу. На нижнем уровне модель ПГ представлена системой нелинейных алгебраическких уравнений, описывающих баланс парового котла, теплообмен и гидродинамику в камере сгорания (КС) и в поверхностях нагрева ПГ (камера охлаждения).

Модель теплообмена в КС позволила для заданных значений параметров среды, расходов горючего и окислителя определить количество теплоты, переданной продуктами сгорания излучением и конвекцией

тегоювосприиимающим поверхностям нагрева, и:

• при поверочном расчете — температуру продуктов сгорания на выходе из КС при заданной ее геометрии и конструктивных характеристиках;

• при конструкторском расчете — необходимую поверхность нагрева КС по заданной температуре продуктов сгорания на выходе из нее.

На следующем уровне на основании информации о соединении теплообменников сформирована математическая модель ПГ в виде линейной алгебраической системы, описывающей процессы в трактах. Решение этой системы позволило получить (с учетом того, что расходы средь трактах остаются неизменными как на предыдущем, так и на данном уровне):

• при поверочном расчете — распределение энтальпий среды в . контрольных сечениях выделенных расчетных участков;

• при конструкторском расчете — необходимую поверхность нагрева (а при задании требуемых конструктивных характеристик — и размеры пакета) по заданным значениям энтальпий на выходе нз каждого теплообменника.

Обеспечение заданных значений температур рабочей среды в указанных сечениях трактов или на выходе из них осуществлялось на третьем уровне с помощью управляющих воздействий на "регуляторы". В качестве "регуляторов" использовались расходы топлива или питательной воды (конденсата).

Математическая модель конденсатора, определяемая общей постановкой задачи многорежимной оптимизации энергетической утановки, сформирована на двух иерархических уровнях:

1. Верхний иерархический уровень, на котором для конденсатора задавались параметры охлаждающей воды, габариты, режимы работы, конструктивные ограничения.

2. Нижний иерархический уровень — режимные и теплофизическне параметры поступающего из турбины парового потока.

При этом расход, давление и температура пара, температура и скорость движения охлаждающей воды принимались для каждого из режимов работы, то есть являлись массивами. Массивами задавались и диаметры охлаждающих трубок.

Задавались габариты конденсатора, т.е. минимальный внутренний и максимальный наружный диаметры и длина его трубок, количество типоразмеров охлаждающих трубок, способ крепления их к трубной доске, тип конденсатора, число ходов охлаждающей воды, начальное переохлаждение конденсата, начальное паровое сопротивление, степень загрязнения поверхности трубок.

Все исходные данные как с верхнего, так и с нижнего иерархического уровня сформированы в единый блок исходных данных. Расчет конденсатора основан на идее структурного программирования на базе использования комплекса программных модулей.

Для заданного графика нагрузок АЭУ проводился в соответствии с информацией, передаваемой из турбины (Сп^Л^)^ расчет конденсатора при Рк=соп!й и определялись значения затрат мощности на привод

циркуляционного насоса для каждого ¡-того режима. Эта информация передается в схему математической модели многорежимной оптимизации циркуляционного насоса.

С целью проверки адекватности математической модели конденсатора АЭУ были проведены расчеты тепловых характеристик модели натурного трубчатого конденсатора с диаметром трубок ¿Н/<1ВИ =10/8, длиной трубок 1=190 мм, числом трубок пТр=27 и поверхностью теплообменника Рк=0,365 м^. Экспериментальные данные по теплоте и массе пара, сконденсированного в модели трубчатого конденсатора подтвердили правомерность принятой методики, что позволяет использовать се в математической модели.

Математические модели конденсатного н циркуляционного насосов основаны на использовании созданного банка данных энергетических и кавитационных характеристик большого количества реальных центробежных насосов, пересчета этих характеристик на заданный график режимов и выбора конкретного насоса, обеспечивающего минимальные затраты мощности с учетом комбинированного регулирования насоса в системе по минимальному значению целевой функции

£(N„■¿0,

М - -1=1___

- п

>=1

В алгоритм Еыбора насоса вводятся исходные данные, характеризующие график нагрузок насоса. С предыдущего уровня проектирования передаются

зависимости ((^(^РьРг Д\Пн)- - гДе на '"ом режиме: —объемный

расход рабочей среды, Р. — давление на выходе из элемента перед насосом

■ч

(конденсатора), Р. — давление на входе в следующий за насосом элемент

(парогенератор), Т; — температура среды на выходе из предыдущего элемента,

п — частота вращения ротора насоса, »и

Пятая глава содержит описание и реализацию программного комплекса многорежимной оптимизации АЭУ.

Задача многорежимной оптимизации паротурбинной автономной энергетической установки относится к классу экстремальных задач с ограничениями. Применение классических методов аналитического и численного решения задач математического программирования к решению задачи оптимизации АЭУ приводит, ввиду ее высокой размерности (большого

количества оптимизируемых переменных), к значительным затратам машинного времени и жестким требованиям к вычислительным ресурсам используемых ЭВМ, а в некоторых случаях к невозможности решения поставленной задачи.

Математическая модель иерархического типа многрежимной оптимизации АЭУ состоит из математических моделей многорежимной оптимизации элементов тепловой схемы (нагрузочное устройство, редуктор, турбина, парогенератор, конденсатор, циркуляционный и конденсатный насосы), которые характеризуются большим количеством термодинамических и конструктивных параметров [2, 3].

Структура иерархической модели многорежимной оптимизации АЭУ приведена на рис. 15. Функционирование каждой математической модели осуществляется следующим образом. Из блока Б (верхний иерархический

уровень) внешняя исходная информация поступает с соответствующие блоки 1,7 математических моделей элементов АЭУ. Внешняя исходная информация включает в себя график нагрузок и тип нагрузочного устройства, газодинамические н конструктивные характеристики, а также банки данных элементов АЭУ, схемы регулирования, термодинамические характеристики рабочего тела, топлива, ограничения и т.д.

В результате многорежимной оптимизации каждого элемента схемы формируются:

« внутренняя искомая информация (массогабаригные и геометрические характеристики, характеристики регулирующих органов в зависимости от графика нагрузок, показатели эффективности на каждом из заданных режимов), которая аккумулируется в блоках сбора внутренней искомой информации;

• внешняя искомая информация (вырабатываемая или потребляемая мощность, потери мощности, расход топлива) передается в блок С для формирования целевой функции и блок В (блок баланса мощностей).

Реализация структуры математической модели многорежимной оптимизации АЭУ осуществляется в формировании промежуточной внутренней информации каждого элемента схемы и передачи этой информации в виде промежуточной внешней информации к последующему элементу схемы, начиная с нагрузочного устройства.

К промежуточной информации относятся сведения о мощности и частотах вращения (для нагрузочного устройства, механического редуктора, турбины и насосов) и параметрах рабочего процесса (для парогенератора, турбины, конденсатора, насосов) каждого элемента на i-том режиме.

Структура блока 3 многорежимной оптимизации МРТ позволяет выбрать

. . li

тип турбины по комплексу пропускной способности А = 4—— ESiriCXj (при

А>0,02 - традиционная МРТ, при А<0,02 - МРТ конструкции ЛИИ) и ее кинематическую схему (одно- или двухвенечную), исходя из обеспечения минимального количества подведенного тепла Q£min-

Рис. 15. Формализованная структурная схема многорежимной оптимизации АЭУ для вычислительного процесса: Б — блок ввода информации, 1 — нагрузочное устройство, 2 — механический редуктор, 3 — турбина, 4 — парогенератор, 5 — конденсатор, 6 — конденсатный насос, 7 — циркуляционный насос, В — блок баланса мощностей, С — блок формирования целевой функции

Блок В баланса мощностей обеспечивает равенство:

^ - Н1у. - Мкн. - МЦН; - А Пред, = А Н,

где на ¡-том режиме: N .— эффективная мощность турбины; N ,1ч} ,М.„.

КН]

— мощности, подведенные соответственно к нагрузочному устройству, конденсатному и циркуляционному насосам; ЛЭДрец. — потерн мощности в

механическом редукторе.

При организуется цикл итераций.

71■ и /Куприна МНОГОТ^ЖЧМЧОЧ А!г]»'ч >ч гI'п' Л'"1\ н'''М '1 а Т! Гл

С:

Лаэу = й >

н^СОт-'и-лО,

1=1

где Ни — низшая теплотворная способность топлива;

на ¡-том режиме: Д Кну. — потери мощности в нагрузочном устройстве; (5Т. — массовый расход топлива; Г|пг— к.п.д. парогенератора; Л ^—

продолжительность работы.

Итерационный процесс многорежимной оптимизации АЭУ в целом осуществляется изменением передаточного числа 1 механического редуктора от 1 до 22 и изменением противодавления за турбиной. Более высокий уровень оптимизации достигается дополнительно организацией итерационного процесса

изменением частоты вращения нагрузочного устройства и параметров Ро,То рабочего тела на >тых режимах.

Для разрешимости задачи многорежимной оптимизации АЭУ предложено использовать функционально-структурную декомпозицию задачи, позволяющую достичь компромисс между степенью оптимальности получаемых решений и затратами на их вычисление [3]. Использование функционально-структурной декомпозиции в проектировании АЭУ подразумевает декомпозицию

математической модели в виде векторного алгебраического уравнения (3 (х) = О на систему уравнений, соответствующих математическому описанию отдельных элементов установки = (),] = 1,7. Здесь xj е —векторы, компоненты

которых являются параметрами и физическими величинами, характеризующими поведение элементов АЭУ, функции, описывающие процессы в }-

том элементе с учетом действия на него других элементов, С(х) — векторная функция, описывающая связь параметров и величин АЭУ в целом.

Проводится также декомпозиция вычислительного процесса оптимизации, представленного б виде динамической модели с дискретным временем в конечномерном пространстве Х(к+1)=Ф(Х(к)} на ряд взаимодействующих

подпроцессов Х^к + 1) = \|/;(Х(к)), 1 = 1,7, отражающих оптимизацию

входящих в АЭУ отдельных функциональных элементов. Здесь ^л(-) —

процедуры (алгоритмы) оптимизации_)-того элемента.

Решение оптимизационных задач, полученных при условии постоянства на данном шаге вычислительного процесса связывающих переменных, корректируется на основе выполнения уравнения баланса мощностей н изменения связывающих переменных.

Исследование сходимости используемой итерационной процедуры оптимизации проводится на базе векторных функций Ляпунова

У(к,х(к)) = (у1(к,х1(к)),...,у7(к,х7(к))), у](к,х3(к)) = |х](к)-х;(к)|,3 = 1?7

и систем сравнения, построенных в виде конечно-разностных неравенств вида

+ 1,х(к +1)) < н(у(к,Х(к +1))) с использованием теорем сравнения.

Для корректности используемых оптимизационных процедур необходимо выполнение требований монотонности убывания функционала и выпуклости множеств, выделяемых в пространстве параметров и переменных физическими ограничениями на их изменение.

Реализация разработанного программного комплекса осуществлялась для ряда паротурбинных установок, создаваемых в С.П6ГТУ. В частности,в работе приводятся результаты численного эксперимента многорежимной оптимизации

АЭУ в целом для заданного графика нагрузок N = N. /М. = Г(А1;)

/ Стах 1

(режим 1 — Nei=0,2; режим 2 — Ne =1,0; режим 3 — Nej=0,6 при Atj = At2 = At3) автономной паротурбинной \тстановки с максимальной мощностью Ne =0,2МВт. При проведении численного эксперимента в соответствии со структурой иерархической модели многорежимной оптимизации АЭУ задавалась внешняя исходная инфомация: график нагрузок, теплофизичес-кие характеристики топлива, габаритные ограничения и другая. Обеспечение необходимой мощности на каждом режиме в соответствии с графиком нагрузок осуществлялось изменением режимных параметров, для этих целей была принята

схема регулирования, обеспечивающая программу (ро ,Т0*) = f ( At;).

Сравнение суммарного значения Т|дЭу (целевой функции), полученного в

результате многорежимной оптимизации, с суммарным Т|д^у автономной

энергетической установки, спроектированной на параметры режима 2

(N32 = 1,0) (при этом режимы 1 и 3 рассчитывались традиционно как

переменные режимы АЭУ) показало, что предложенный в работе подход к многорежимным АЭУ позволяет в рассматриваемом случае уменьшить расход топлива на 5...7% при работе АЭУ в пределах заданного графика нагрузок.

Разработанные принципы построения и созданная научно-техническая основа для проектирования многорежимных АЭУ были использованы для разработки ряда турбинных двигателей с учетом жестких массогабарнтных ограничений, обеспечивающих автономность, транспортабельность и многоцелевое назначение. Конструктивное исполнение некоторых из них приведено в диссертационной работе.

Приложение содержит обзор конструкций и характеристик тепловых двигателей малой мощности (ПТУ, ГТУ, ДВС), приведены экспериментальные стенды для исследования аэродинамических характеристик МРТ и их элементов, методики обработки экспериментальных данных [5, 9, 11, 14, 22, 23, 26, 27], с помощью которых при участии автора получены экспериментальные характеристики, обобщенные в настоящей работе, а также представлены разработанные математические модели многорежимной оптимизации различных на!рузочных устройств (электрооборудовние, насосы, компрессоры, движители судов и морских подводных аппаратов, механические редукторы).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. В результате выполнения настоящей работы создана концепция, обоснована перспективность и разработаны принципы построения экономичных, многорежимных, многоцелевых АЭУ мощностью от нескольких киловатт до 3 ... 5 МВт, обеспечивающих заданные графики нагрузок. Улучшение экономичности АЭУ достигается не только за счет применения традиционных методов повышения к.п.д. отдельных элементов АЭУ, но и за счет выбора оптимальных геометрических характеристик и параметров рабочего процесса в результате оптимизационных расчетов как отдельных элементов, так и АЭУ в целом и поддержанием их системой регулирования для различных режимов, определяемых графиком нагрузок.

2. Выполненный анализ конструкций и характеристик тепловых двигателей (двигатель внутреннего сгорания, газо- и паротурбинные установки) позволили обосновать выбор как наиболее перспективной тепловой схемы АЭУ с паротурбинной установкой, обеспечивающей принцип многотопливности. Для получения требуемых массогабаритных показателей, обеспечивающих автономность и транспортабельность АЭУ, обосновано применение малорасходных турбин (МРТ), широко применяемых в космической и подводной технике и позволяющих получить максимальную удельную мощность.

3. Создана научно-техническая основа для проектирования турбинных многорежимных автономных энергетических установок нового класса, предназначенных для работы в широком диапазоне графиков нагрузок и использования в различных областях народного хозяйства.

4. Проведен комплекс экспериментальных исследований газодинамических характеристик различных типов малорасходных турбин и их элементов на номинальном и переменном режимах в широком диапазоне изменения начальных параметров. Сформулированы методы построения обобщенных характеристик МРТ, представленных в виде полиномиальных зависимостей, что позволило создать современные методики расчета их экономичности (математические модели). Выполнены обобщения характеристик малорасходных турбин традиционных конструкций и конструкций ЛПИ на основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований, проведенных как в СПбГТУ при непосредственном участии автора, так и по данным других авторов. Эти обобщения легли в основу математических моделей многорежимной оптимизации МРТ.

5. Разработан комплексный подход к многорежимной оптимизации АЭУ, обеспечивающий выбор оптимальных параметров как отдельных элементов, так и АЭУ в целом. Выделены совокупности критериев оптимальности и параметров оптимизации. Сформулированы целевые функции и разработана обобщенная структура их расчета. Реализация разработанного подхода при решении рада конкретных задач оптимизации элементов АЭУ позволила получить наивыгоднейшие конструктивные, термодинамические и режимные параметры АЭУ при их проектировании. Для реализации горизонтальной иерархической структуры математической модели многорежимной АЭУ были созданы математические модели многорежимной оптимизации отдельных элементов ее тепловой схемы ( МРТ, парогенератор, конденсатор, конденсатный и циркуляционный насосы), в которых учитывается большое количество термодинамических, режимных и конструктивных параметров. Эта система математических моделей позволяет рассчитать

арактеристики рабочих процессов всех элементов установки и учесть основные ■граничения, налагаемые на оптимизируемые н варьируемые параметры.

6. Математические модели многорежимной оптимизации МРТ сгруппированы в юдули, описывающие работу отдельных элементов МРТ (сопловой аппарат, осевой азор, утечки рабочего тела, активная и неактивная дуги подвода рабочего тела, юдуль внутренних потерь МРТ). Каждый модуль независим от других, содержит «утренние вычислительные процедуры такие, как решение уравнений, шпроксимация или процедуры логическог о разветвления. Множество варьируемых в ipoцессе многорежимной оптимизации МРТ векторов режимных параметров юзволяег сформулировать различные программы регулирования МРТ, выбор согорых обусловлен конкретной задачей проектирования МРТ.

7. Выполненный анализ адекватности математических моделей МРТ и зезультатов экспериментальных и натурных исследований показал 1'довлетворительное совпадение, что позволяет использовать их с достаточной ггепенью достоверности для многорежимной оптимизации МРТ разного типа 'одновенечная традиционная МРТ, одиовенечная МРТ конструкции ЛПИ и дзухвенечные МРТ).

8. Впервые предложен и реализован программный комплекс многорежимной оптимизации АЭУ, представляющий собой горизонтальную структуру, состоящий из взаимосвязанных математических моделей разного иерархического уровня многорежимнон оптимизации элементов тепловой схемы и нагрузочных устройств, позволяющий получить наивыгоднейшие конструктивные, массогабаритные и режимные параметры с учетом принятых ограничений и обеспечивающий минимальный расход топлива АЭУ при реализации заданного графика нагрузок. Разработаны структура, алгоритмы и пакеты программ расчета и оптимизации.

9. С целью снижения массогабаритных показателей и упрощения условий эксплуатации обосновано применение прямоточных парогенераторов для автономных транспортабельных энергетических установок и предложена конструкция конденсатора в виде горизонтального гладкотрубного пучка кольцевого типа, продольно обтекаемого водяным паром, работающего при давлении, близком к атмосферному. Математические модели конденсатного и циркуляционного насосов были составлены на основе использования банка данных характеристик реальных центробежных насосов, пересчета этих характеристик на заданный график режимов и выбора кошфетного насоса, обеспечивающего минимальные затраты мощности с учетом комбинированного регулирования насоса в системе.

10. Разработанные математические модели элементов АЭУ и различных на1рузочных устройств могут быть использованы как при решении задачи многорежимной оптимизации АЭУ в целом, так и при проектировании и создании конструкций рассмотренных отдельных ее элементов.

П. Выполненный численный эксперимент на основе программного комплекса показал, что предложенный в работе подход к многорежимной оптимизации АЭУ позволяет существенно ( до 10% ) снизить расход топлива при условии обеспечения заданного графика нагрузок по сравнению с традиционными методами проектирования АЭУ на номинальный режим с последующим их расчетом на переменные режимы.

12. Разработанный комплексный подход к многорежимной оптимизации АЭУ можег быть попользован при проектировании энергетических установок, турбинных двигателей, турбоприводов различных тепловых схем.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бусурин В.Н., Иванов В.А., Рассохин В.А. Многоцелевые автономные энергетические установки малой мощности. // Теплоэнергетика. 1993 №3. с. 65-68.

2. Бусурин В.Н., Козлов В.Н., Рассохин В.А. и др. Конструктивное моделирование автономных энергетических установок // Тез. докл. Российской научно-технической конференции "Повышение надежности и маневренности оборудования тепловых и атомных электростанций". Санкт-Петербург, СПбГТУ. 1994. с. 16.

3. Бусурин B.IL, Козлов В.Н., Рассохин В.А. и др. Функционально-структурная декомпозиция в задачах оптимизации автономных энергетических установок // Тез. докл. Российской научно-технической конференции "Повышение надежности и маневренности оборудования тепловых и атомных электростанций". Санкт-Петербург, СПбГТУ. 1994. с. 17.

4. Бусурин В.Н., Шемагин А.К. САПР малорасходных турбин // Тез. докл. науч.-техн. конференции. 1988 г. Владивосток. с. 14-15.

5 Бусурин В.Н, Кириллов ЛИ , Лапшин К.-Л. и др. Аэродинамически? характеристики ступеней тепловых турбин. Л.. Машиностроение. ¡980. 263 с.

6. A.c. 261395 СССР. Лопаточная решетка безбандажного рабочего колеса / Бусурин В.Н., Кириллов И.И., Черников В.Н. 1969.

7. Бусурин В.Н., Кириллов А.И., Лапшин К.Л., Черников В.А. К вопросу о повышении эффективности турбшшой ступени. // Энергомашиностроение. 1970 г., №10.

8. Бусурин В.Н., Кириллов А.И., Черников В.А., Попков В.И. Влияние радиального зазора над рабочим колесом необандаженной турбинной ступени на характеристики двухступенчатого отсека. II Известия ВУЗов, Энергетика 1972 г., № 10. с. 135-139!

9. Бусурин В.Н., Биржаков М.Б. Алгоритм и программа обработки экспериментальных данных для получения суммарных характеристик турбинных ступеней. МЦНТИ 1974 г., № 934-74. с. 1-2.

10. Бусурин В.Н., Биржаков М.Б. Процедуры для аппроксимации кубическими сплайнами функций, заданных таблично. //МЦНТИ. 1974 г., №988-74. с. 1-3.

11. Бусурин В.Н., Кириллов А.И., Черников В.А., Лапшин К.Л. Исследование агрегатов газотурбинного наддува судовых дизелей. Брянск. Приокское книжное издательство. Брянское отделение. 1974 г. с. 239.

12. A.c. 485230 СССР. Паровая турбина / Бусурин В.Н., Кириллов А.И., Биржаков М.Б. 1975.

13. A.c. 515889 СССР. Многоступенчатая осевая турбина / Бусурин В.Н., Кириллов И.И., Кириллов А.И. 1976.

14. Бусурин В.Н., Раков Г.Л., Родин К.Г. Новый метод исследования микротурбнн.

МЦНТИ. 1981, № 16-81. с. 1-4.

15. A.c. 1076603 СССР. Сопловой аппарат осевой турбины / Бусурин В.Н., Раков ГЛ., Кириллов И.И. 1983.

16. Бусурин В.Н., Раков Г.Л. Влияние взаимодействия сверхзвуковых струй за CA на эффективность односпупенчатой турбины. // Тез. докл. Всесоюзной межвузовской конф., 1983 г. М., МВТУ им. Баумана.

17. Бусурин В.Н., Кириллов И.И., Рассохин В.А., Раков Г.Л. Влияние шага осесимметричных сопел па эффективность соплового аппарата и турбинной ступени. //Изв. ВУЗов, Авиационная техника. 1985. № 1. с. 28-32.

18. Бусурин В.Н., Раков Г.Л., Кузнецов С.Е. Метод проектирования входных патрубков и сопловых аппаратов турбин для привода вспомогательных агрегатов // Тез. докл. отраслевой науч.-техн. конф. "Вопросы повышения надежности и эффекгпвности судовых энергетических установок". 1985 г. Владивосток. с. 65-66.

19. Бусурин В.Н., Родин К.Г. Газодинамический расчет сверхзвуковой турбинной ступени, работающей в переменном режиме // Тез. докл. краевой науч.-техн. конф. 1990 г. Владивосток. с. 21.

20. Бусурин В.Н., Родин К.Г., Раков Г.Л. Соотношение площадей сопловой и рабочей решеток в парциальной сверхзвуковой турбине // Тез. докл. краевой науч.-техн. конф. 1990 г. Владивосток. с. 24.

21. Бусурин В.Н., Иванов В.А. Теоретические основы анализа энергетических агрегатов переменной структуры. //Известия ВУЗов, Энергетика. 1991, № 6.

22. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Родин К.Г. и др. Новый экспериментальный стенд. //"Инф. листок ЛенЦНТИ" № 85-80 п. с. 1-4.

23. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Кузнецов С.Е. и др. Комплексный сгенд для исследований и разделения потерь моделей одноступенчатых и биротативных турбин. "Информац. листок ЛенЦНТИ", № 1100-86, с. 1-3.

24. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Шемагин А.К. Система графического сопровождения расчета и конструирования МРТ в курсовом проектировании // Тезисы республиканск. научн. методической конференции "Основные направления повышения качества подготовки инженерных кадров". 1988 г. ЛПИ,

С. ¿О

25. Бусурин В.Н., Рассохин В.А. Выбор параметров малорасходных турбин. Методическое пособие. 1989 г. ЛПИ. 22 с.

26. Бусурин В.Н., Куприянов O.E., Гринкруг Л.С. Сверхзвуковой стенд для исследований плоских решеток профилен. // "Инф. листок ЛенЦНТИ", 1988 г., № 351-88, с. 1-4.

27. Бусурин В.Н., Кириллов А.И. и др. Экспериментальное исследование двухступенчатых турбинных отсеков. //Энергомашиностроение. 1972 № 10. с. 3-5.

Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре СПбГТУ Подписано к печати 10.03.95. Заказ 704. Тираж 120.