Удосконалення методу розрахунку термогазодинамічних процесів у зворотно-напрямних апаратах відцентрових компресорів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сумський державний університет

УДК 621.515: 536.6

05.05.15 - вакуумна та компресорна техніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Удосконалення методу розрахунку термогазодинамічних процесів у зворотно-напрямних апаратах відцентрових компресорів

Калашніков Андрій Миколайович

Суми - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Сумському державному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Калінкевич Микола Васильович, Сумський державний університет, доцент кафедри технічної теплофізики.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Якуба Олександр Родіонович, Сумський національний аграрний університет, професор кафедри технологічного обладнання;

кандидат технічних наук, с.н.с. Довженко Володимир Миколайович, головний науковий співробітник СКБ турбокомпресорних машин ВАТ "Сумське НВО ім. М.В. Фрунзе"

Захист відбудеться 12 жовтня 2007 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.051.03 у Сумському державному університеті за адресою: 40007, м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Сумського державного університету (м. Суми, вул. Римського-Корсакова, 2).

Автореферат розісланий "7" вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Савченко Є.М.

Анотації

Калашніков А.М. Удосконалення методу розрахунку термогазодинамічних процесів у зворотно-напрямних апаратах відцентрових компресорів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.05.15 - вакуумна та компресорна техніка. - Сумський державний університет, Суми, 2007 р.

У дисертаційній роботі представлені математичні моделі течії газу в поворотному коліні та лопатковій решітці зворотно-напрямного апарата та наведені результати чисельного та експериментального досліджень газодинамічних параметрів течії газу у моделі зворотно-напрямного апарата відцентрового компресора.

Основним змістом роботи є створення методу розрахунку течії газу в елементах зворотно-напрямних апаратів з урахуванням нерівномірності потоку газу на вході в ЗНА та отримання експериментальних даних про структуру потоку у поворотному коліні та лопатковій решітці зворотно-напрямного апарата з профільованими лопатками. Створені математична і комп'ютерна моделі течії газу в поворотному коліні зворотно-напрямного апарата відцентрового компресора, що враховують нерівномірність потоку на вході в зворотно-напрямний апарат. Виконані чисельні дослідження течії газу в поворотних колінах з різними геометричними параметрами при різних режимах течії газу. Проведені чисельні дослідження течії газу в лопатковій решітці зворотно-напрямного апарата. Виконано порівняння результатів параметрів потоку з експериментальними даними, яке підтвердило можливість використання пропонованого методу для проведення чисельних досліджень ЗНА відцентрового компресора. газ математичний компресор

Ключові слова: відцентровий компресор, зворотно-напрямний апарат, поворотне коліно, лопаткова решітка, термогазодинамічні процеси, математична модель, метод розрахунку, методика досліджень, модель апарата, чисельні та експериментальні дослідження.

Калашников А.Н. Усовершенствование метода расчета термогазодинамических процессов в обратно-направляющих аппаратах центробежных компрессоров. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.15 - вакуумная и компрессорная техника. - Сумский государственный университет, Сумы, 2007 г.

В диссертационной работе приведены результаты численного и экспериментального исследований газодинамических параметров течения газа в модели обратно-направляющего аппарата центробежного компрессора.

Основным содержанием работы является создание метода расчета течения газа в элементах обратно-направляющих аппаратов с учетом неравномерности потока газа на входе в ОНА и получение экспериментальных данных о структуре потока в поворотном колене и лопаточной решетке обратно-направляющего аппарата с профилированными лопатками. Разработаны математическая и компьютерная модели течения газа в поворотном колене обратно-направляющего аппарата центробежного компрессора, в которых учитывается неравномерность потока на входе в обратно-направляющий аппарат.

Проведены численные исследования поворотных колен с разными геометрическими параметрами при различных режимах течения газа. Проведены численные исследования течения газа в лопаточной решетке обратно-направляющего аппарата. Выполнено сравнение результатов параметров потока с экспериментальными данными, которое подтвердило возможность использования предлагаемого метода для проведения численных исследований ОНА центробежного компрессора.

Ключевые слова: центробежный компрессор, обратно-направляющий аппарат, поворотное колено, лопаточная решетка, термогазодинамические процессы, математическая модель, метод расчета, методика исследований, модель аппарата, численные и экспериментальные исследования.

Kalashnikov A.M. Improvement of thermogasdynamic process calculation methods in the return channel of centrifugal compressors. - The manuscript.

Thesis on completion of a scientific degree of the candidate of engineering science in speciality 05.05.15 - vacuum and compressor equipment. Sumy State University, Sumy, 2007.

The thesis presents the results of numerical and experimental researches of thermogasdynamic parameters of gas flow in the model of centrifugal compressor return channel.

The essence of the thesis is the creation of calculation method for gas flow in the elements of return channel, taking into account the non-constant flow nature of gas stream on entrance in return channel and gaining the experimental data about the flow structure in a return bend and vane cascade of return channel with the profiled vanes. The mathematical and computer model of gas flow in return bend of the return channel is developed, taking into account the flow unevenness at inlet of the return channel. The model was used to perform numerical researches of return bends with different geometrical parameters. Adjustment of calculation model of gas flow in return channel vane cascade is performed with the use of the experimental findings concerning flow pressure and speed distribution on vane cascade steps. Comparison of the flow parameters results and experimental information has confirmed the possibility of the offered method usage for conducting of numerical researches of return channel of centrifugal compressor.

Keywords: centrifugal compressor, return channel, return bend, vane cascade, thermogasdynamic process, mathematical model, calculation method, research method, channel model, numerical and experimental researches.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Відцентрові компресори, які використовуються у багатьох галузях промисловості, є найбільш поширеними серед компресорів динамічної дії. Розвиток існуючих технологічних процесів та створення нових вимагає постійної модернізації відцентрових компресорів. Компресори, які використовуються у газовій, нафтовій та хімічній галузях промисловості, у холодильних установках, мають значну одиничну потужність (десятки МВт), а загальна потужність машин становить мільйони кіловат. За даними РАТ "Газпром" щорічні витрати на паливний газ становлять 3,5 мільярда доларів. До того ж енерговитрати на привід компресорів під час транспортування газу територією України є значними.

Не викликає сумніву, що завдання зменшення енерговитрат відцентрових компресорів є актуальним.

Як відомо, енергія, що перетворюється в тепло у процесі стискування газу, розподіляється приблизно в рівних частках між робочим колесом, дифузором і зворотно-напрямним апаратом (ЗНА). У середньому на оптимальному режимі роботи витрати енергії у ЗНА становлять десь 5 % від енергії, яка передається до ротора компресора. Але дослідженням робочих коліс і дифузорів приділяється значно більша увага, ніж дослідженням зворотно-напрямних апаратів. Крім того, наведена у науково-технічній літературі інформація щодо експериментальних досліджень ЗНА з профільованими лопатками не містить відомостей про структуру потоку газу. Це означає, що дослідження структури потоку у ЗНА відцентрових компресорів та удосконалення методу розрахунку термогазодинамічних процесів у зворотно-напрямних апаратах дозволить вже на початкових етапах проектування машин здійснити пошук раціональної форми елементів проточної частини.

Розвиток обчислювальної техніки та створення нових програмних комплексів (ANSYS CFX, Flower, FlowVision), у яких розрахунок течії газу виконується з використанням рівняння Нав'є-Стокса, а моделювання турбулентності здійснюється за допомогою диференціальних моделей, дозволяє отримувати дані про структуру потоку у проточній частині компресора, але для цього потребує значних витрат часу. Розв'язання системи диференціальних рівнянь газодинаміки, термодинаміки, збереження енергії з урахуванням внутрішнього і зовнішнього теплообміну як для елементів відцентрового компресора, так і для компресора загалом на разі є нездійсненним. Саме тому залишаються затребуваними методи розрахунку елементів ступеня, що ґрунтуються на інтегральних методах розв'язання рівняння Ейлера та використанні напівемпіричних теорій примежового шару. Під час розрахунків проточної частини відцентрового компресора (ВК) подібний підхід дозволяє значно збільшити швидкість отримання інформації про структуру потоку, а також може забезпечити урахування таких важливих факторів, як нерівномірність параметрів потоку на вході в елемент, який розглядається, і зміну термодинамічних властивостей газу вздовж проточної частини.

Таким чином, задача удосконалення методу розрахунку течії газу в зворотно-напрямних апаратах відцентрових компресорів є актуальною та практично значущою.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота була виконана згідно із планом науково-дослідних робіт кафедри технічної теплофізики Сумського державного університету і реалізована при виконанні науково дослідної роботи "Удосконалення робочих процесів відцентрових компресорних машин" (номер державної реєстрації 0107U001281).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є удосконалення методу розрахунку течії газу в зворотно-напрямних апаратах відцентрових компресорів з урахуванням нерівномірності параметрів потоку газу на вході в ЗНА; в одержанні інформації про структуру потоку газу в ЗНА шляхом експериментальних та розрахунково-теоретичних досліджень;

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі задачі:

- створення математичної моделі для розрахунку течії газу у поворотному коліні і лопатковій решітці ЗНА;

- створення програмного забезпечення для виконання розрахунків на комп'ютері;

- проведення чисельного дослідження;

- проведення експериментального дослідження течії газу в моделі ЗНА відцентрового компресора на аеродинамічному стенді.

Об'єкт дослідження - термогазодінамічні процеси стиснення газів у зворотно-напрямному апараті відцентрового компресора.

Предмет дослідження - зворотно-напрямний апарат відцентрового компресора.

Методи дослідження: аналіз науково-технічної інформації; математичне моделювання; чисельні дослідження за допомогою комп'ютерної моделі течії газу в ЗНА, експериментальні дослідження течії газу в моделі ЗНА відцентрового компресора на аеродинамічному стенді.

Математичне моделювання виконувалось на основі класичних законів механіки рідини і газу.

Експериментальні дослідження складаються з вимірювання параметрів потоку газу за різних режимів течії та обробку результатів вимірювань відповідно до розробленої методики досліджень.

Достовірність отриманих експериментальних даних було досягнуто шляхом використання загальновизнаної у практиці досліджень відцентрових компресорів методики проведення газодинамічних випробувань, яка забезпечує припустиму похибку визначення параметрів потоку газу.

Наукова новизна отриманих результатів:

- запропоновано новий метод розрахунку течії газу у поворотному коліні з урахуванням нерівномірності параметрів потоку газу на вході в ЗНА;

- експериментально визначена структура потоку у поворотному коліні ЗНА ВК, встановлено характер зміни тисків та швидкостей за шириною поворотного коліна та вздовж втулкової та периферійної поверхонь;

- експериментально визначена структура потоку у лопатковій решітці ЗНА, встановлено характер зміни тисків та швидкостей за кроком лопаткової решітки, вздовж опуклої та увігнутої поверхонь лопаток.

Практичне значення отриманих результатів:

- створено експериментальну установку, що дозволяє проводити випробування моделей проточних частин ступеня відцентрового компресора проміжного типу з можливістю регулювання кута потоку на вході у дифузор та проводити дослідження ЗНА з поворотними колінами різної геометричної форми (такими, що розширюються або звужуються та із сталою шириною);

- розроблені комп'ютерні моделі течії газу в ЗНА ВК, які дозволяють виконувати чисельні розрахунки під час проектування ЗНА;

- отримані експериментальні дані про структуру потоку у поворотному коліні та лопатковій решітці ЗНА, які можна використовувати під час корекцій розрахункових моделей ЗНА;

- результати дисертаційної роботи запроваджені на промислових підприємствах України (ВАТ СНВП "Технокомпресормаш", ВАТ ВЕК "Сумигазмаш", м. Суми) та у навчальному процесі СумДУ.

Особистий внесок здобувача

У наукових публікаціях, які відображають основні результати, отримані у процесі виконання дисертаційної роботи, здобувачеві належить: [1] - обґрунтування доцільності проведення досліджень в ЗНА, спрямованих на визначення структури потоку в поворотному коліні та лопаткових решітках; [2] - розроблення методу розрахунку течії газу у ЗНА для рівномірного розподілу параметрів потоку на вході в поворотне коліно, проведення чисельних досліджень; [3] - літературний пошук застосування теорії передвідривної течії газу у вісесиметричних каналах і лопаткових решітках турбомашин, аналіз можливості застосування даного методу до нерухомих елементів відцентрового компресора; [5] - розроблення методики проектування поворотного коліна з урахуванням нерівномірності потоку за шириною каналу, отримання експериментальних даних про розподіл швидкостей потоку на вході в поворотне коліно.

Поставлення задач, вибір методів дослідження та аналіз отриманих результатів виконані спільно з науковим керівником, канд. техн. наук, доц. Калінкевичем М.В.

Апробація роботи

Основні положення і результати дисертації доповідалися й обговорювалися на таких наукових конференціях:

- ХІІІ Міжнародній науково-технічній конференції з компресоробудування (м. Суми, Україна, 2004);

- X ювілейній, XI і XII Міжнародних науково-практичних конференціях "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці" (м. Краматорськ, 2005, м. Київ, 2006 і м. Луганськ, 2007, Україна);

- Міжнародній науково-технічній конференції "Технічні і технологічні гази. Компресорне устаткування в технологічних процесах" (м. Суми, Україна 2007);

- науково-технічних конференціях викладачів, співробітників, аспірантів і студентів СумДУ (щорічно з 2001 по 2007 роки включно).

Публікації

За матеріалами дисертації опубліковано 5 наукових робіт, з них 4 - у виданнях, затверджених ВАКом України.

Структура і обсяг дисертаційної роботи

Робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації - 158 сторінки, у тому числі 63 рисунки, з яких 22 - на окремих аркушах,3 таблиці, бібліографія з 101 джерела на 10 сторінках, 3 додатки на 21 сторінці.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність робіт, спрямованих на підвищення економічності відцентрових компресорів, у тому числі актуальність дослідження течії газу у зворотно - напрямних апаратах ВК. Зазначено зв'язок роботи з науковими програмами, формулюються мета проведення дослідження та задачі, які вирішувалися для її досягнення. Відзначаються наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, надана інформація про апробацію роботи та публікації за темою дисертації.

У першому розділі викладені результати огляду науково-технічної інформації, пов'язаної з дослідженням, проектуванням та розрахунком елементів ЗНА.

Течія в'язкого газу в проточних частинах відцентрових компресорних машин у загальному випадку характеризується диференціальними рівняннями, отриманими з основних законів збереження механіки. Моделювання потоку газу пов'язано з низкою труднощів, спричинених як складністю фізичних процесів, що відбуваються в досліджуваних апаратах, так і проблемами адекватності математичних моделей. У загальному випадку подібну систему диференціальних рівнянь газодинаміки та термодинаміки з урахуванням зовнішнього теплообміну не можна розв'язати навіть чисельно.

Виконаний аналіз підкреслює необхідність комплексного дослідження ЗНА - експериментального та розрахунково-аналітичного.

Значна кількість наявних експериментальних даних відносно поворотного коліна та лопаткової решітки ЗНА стосується тільки входу та виходу із цих елементів, а рекомендації для проектування торкаються вибору значень деяких величин b5/b4, Rвт/b5, а також визначення оптимальної кількості лопаток ЗНА. Наявні розходження в рекомендаціях різних дослідників ВК (Гальоркіна Ю.Б., Дена Г.М., Ріса В.Ф.,Стрижака Л.Я.) з вибору оптимальних значень зазначених параметрів свідчать, що такі рекомендації для різних умов роботи компресора сформулювати не можна.

У науково-технічній літературі відсутні експериментальні дані про розподіл тисків та швидкостей потоку у поворотному коліні та лопатковій решітці зворотно-напрямних апаратів із профільованими лопатками. Методи розрахунку зворотно-напрямних апаратів, у яких визначаються тільки середні значення параметрів потоку на вході та виході елементів ЗНА (одновимірна схема), не забезпечують визначення структури потоку у поворотному коліні та лопатковій решітці.

Очевидно, що для проектування економічних відцентрових компресорів необхідно мати інформацію про структуру потоку у проточній частині, у тому числі у поворотному коліні та лопатковій решітці ЗНА. Використання для розрахунку течії газу в зворотно-напрямних апаратах програмних комплексів, таких, як ANSYS CFX та ін., дозволяє отримувати дані про структуру потоку в каналах компресора, але вимагає для цього значних витрат часу. Створення методу розрахунку термогазодинамічних параметрів потоку газу в зворотно-напрямних апаратах на основі інтегральних залежностей дозволить значно знизити час, необхідний для проведення розрахунків. Потрібно також урахувати, що такі моделі течії газу дозволять визначати структуру потоку в елементах проточної частини з урахуванням нерівномірності параметрів потоку на вході в елементи та з урахуванням зміни термодинамічних властивостей реальних газів.

У другому розділі наведені диференціальні рівняння, отримані з основних законів збереження механіки, а також рівняння, необхідні для урахування реальних термодинамічних властивостей газу.

Фізичною моделлю течії, яка була прийнята для створення математичних моделей, є стаціонарна течія газу без теплообміну із зовнішнім середовищем. Для поворотного коліна (рис. 1) розглядалася течія газу у вісесимметричному криволінійному каналі із закрученням потоку на вході. Для лопаткової решітки (рис. 2) розглядалася течія газу в криволінійному міжлопатковому каналі у шарі змінної товщини.



Поворотне коліно. Для розрахунку течії газу у поворотному коліні було висунуте припущення, що течія газу у ядрі потоку є нев'язкою, а у примежовому шарі - в'язкою.

Для виведення розрахункових залежностей використовуються диференціальні рівняння руху, які у випадку нев'язкої рідини набувають вигляду:

(1)

При створенні математичної моделі використовується криволінійна система координат s, n, де s - координата вздовж квазілінії струменя,

n - координата вздовж нормалі до лінії струменя.

Для нерівномірної течії розглядався потік з нерівномірним розподілом повного тиску вздовж нормалі:

. (2)

Зміну повного тиску вздовж нормалі візьмемо у вигляді

. (3)

Коефіцієнти а, k, m знаходимо з граничних умов:

при ni=0,

,

при n=b,

, .

Після диференціювання рівняння (3) отримаємо

. (4)

Рівняння (2) диференціюється по и з урахуванням, що в ЗНА відцентрових компресорів величина густини газу мало змінюється:

, (5)

. (6)

У системі рівнянь (1) виконаємо заміну компонентів, які містять частинні похідні від тиску і , використовуючи рівняння (5) і (6). Тоді

, (7)

. (8)

Після перетворення рівняння (7) отримаємо залежність для визначення меридіональної проекції швидкості

. (9)

Значення меридіональної складової швидкості визначається за допомогою чисельного розв'язання рівняння (9), наприклад, методом Рунге-Кутта четвертого порядку.

Окружна проекція швидкості обчислюється за відомою формулою

,

швидкість потоку газу

,

а кут потоку

.

На основі наведеної математичної моделі розроблене комп'ютерне забезпечення для виконання розрахунків течії газу в поворотному коліні. Проведені розрахунки з дослідження впливу режимних і геометричних факторів на структуру потоку. Розрахунки параметрів потоку в поворотному коліні були виконані для різних значень b5/b4, Rвт/b4, масової витрати та закрутки потоку cu (кута потоку б).

Розподіли швидкостей уздовж втулкової й периферійної поверхонь поворотного коліна для різних значень b5/b4 для одного режиму течії показані на рис. 3. Аналіз результатів розрахунків для різних режимів показав, що якісний характер зміни швидкостей є однаковим для всіх варіантів - швидкість потоку спочатку зменшується, а потім зростає. Величина масової витрати газу на характер розподілу швидкостей впливає мало, дифузорність потоку для поворотних колін з відношеннями b5/b4? 1 є практично однаковою при різних витратах як на втулковій, так і на периферійній поверхнях.

У поворотних колін з відношенням b5/b4 =1,4 є певне збільшення значень коефіцієнта дифузорності при збільшенні витрати.

Значення коефіцієнтів дифузорності на втулковій поверхні коліна більші, ніж на периферійній, і помітно зростають при збільшенні відношення b5/b4.

Був проведений аналіз впливу закрутки потоку сu4 (кути потоку б4) на вході в поворотне коліно на розподіли швидкостей за довжиною поворотного коліна. Якісна картина течії відрізняється для розрахованих варіантів на перший погляд небагато.

Однак отримані внаслідок аналізу залежності коефіцієнтів дифузорності від величини закрутки потоку показують різний вплив закрутки потоку на течію газу уздовж втулкової та периферійної поверхонь. При збільшенні закрутки дифузорність течії поблизу втулкової поверхні зменшується, тоді як біля периферійної поверхні - зростає.

Аналіз результатів розрахунку показує неоднозначність впливу геометричних параметрів поворотного коліна на структуру потоку при різних режимах течії, що підтверджує необхідність визначення термогазодинамічних параметрів потоку з урахуванням конкретних умов течії. Розроблений комплекс програм дозволяє виконувати такі розрахунки та отримувати, таким чином, інформацію для вибору оптимального конструктивного варіанта.

Лопаткова решітка. Для розрахунку течії газу в лопатковій решітці ЗНА використовується система рівнянь, складена з рівняння нерозривності, рівняння збереження моменту імпульсу, рівняння стану, рівняння процесу та рівняння збереження енергії:

(10)

Використовуючи газодинамічні функції, рівняння нерозривності для трубки течії шириною Дn можна записати у такому вигляді:

. (11)

Рівняння збереження моменту імпульсу набуде вигляду

. (12)

Товщина витиснення визначається за розрахованим значенням товщини втрати імпульсу примежового шару методом послідовних наближень. Розрахунок параметрів примежового шару виконувався з використанням напівемпіричної теорії турбулентного примежового шару Л.Г. Лойцянського.

На рис. 4 наведені розподіли зведених швидкостей на поверхнях лопаток ЗНА. Розрахунки виконані для кількості лопаток z=19, масової витрати =1,5 кг/с.

На вході в решітку на увігнутій поверхні лопатки швидкість різко зменшується, а на опуклій поверхні лопатки швидкість збільшується. Далі швидкості на обох поверхнях монотонно зменшуються. На вході в лопаткову решітку біля увігнутої поверхні лопатки при деяких режимах роботи може відбутися відрив потоку, але відривна зона, очевидно, не буде розвиватися.

На рис. 5 показана зміна значень формпараметра вздовж лопатки. Значення формпараметра значно відрізняються від критичного (fкр=-0,02), крім вхідної ділянки, на опуклій поверхні лопатки. Як відзначалося вище, в цьому місці міжлопаткового каналу можливий відрив потоку.

На рис. 6 показана залежність максимальних за модулем значень формпараметра від кількості лопаток. При зменшенні кількості лопаток значення формпараметра збільшуються (за модулем). Також впливає на величини формпараметров величина витрати газу - при зменшенні витрати значення формпараметра збільшуються (за модулем), зростає ймовірність відриву потоку. Це потрібно враховувати при проектуванні відцентрових компресорів: для забезпечення більш широкої зони ефективної роботи компресора потрібно визначати оптимальне значення густоти решітки не для номінального режиму роботи за витратою, а для режиму з мінімальною витратою. Як бачимо, для даних умов не слід брати кількість лопаток меншим за 17.

Проведене чисельне дослідження впливу геометричних параметрів лопаткових решіток ЗНА, а також режимних параметрів течії на структуру потоку в міжлопаткових каналах показує можливість використання розробленого комплексу програм для визначення оптимальних конструктивних параметрів решітки, які забезпечують сприятливу структура потоку для конкретних умов течії.

У третьому розділі наведена інформація про експериментальну установку та умови проведення дослідів, обґрунтовується вибір параметрів оцінки роботи окремих елементів з погляду поставленої мети роботи. Описано програму дослідження, комплекс вимірювальної апаратури, розміщення контрольних перерізів для установки вимірювальних приладів, методика обробки експериментальних даних і обчислення похибок експерименту.

Спроектована експериментальна установка (рис. 7) складається з вхідного конфузора 9, закручувального пристрою 10, дифузора 11, поворотного коліна 12, лопаткової решітки ЗНА 13, вихідного патрубка 14.

Експериментально були досліджені поворотне коліно, розміщене за безлопатковим дифузором, і лопаткова решітка ЗНА з профільованими лопатками для різних значень масової продуктивності та кутів потоку.

Рис. 7. Схема експериментальної установки

У зв'язку з більшою кількістю точок вимірювання параметрів потоку газу (більше, ніж 150) експериментальні дослідження ЗНА виконувалися кількома етапами: 1) досліджувалася структура потоку у поворотному коліні ЗНА з кутом потоку б4=350 на виході із дифузора; 2) у лопатковій решітці ЗНА з кутом потоку б4=350 на виході із дифузора; 3) у поворотному коліні ЗНА з кутом потоку б4=170 на виході із дифузора; 4) у лопатковій решітці ЗНА з кутом потоку б4=170 на виході із дифузора.

Вимірювальні пристрої, які використовувалися на експериментальному стенді, пройшли атестацію та перевірку у встановленому порядку. Розрахунки похибок показали, що використана методика експериментального дослідження забезпечує отримання достовірних експериментальних даних з припустимою для газодинамічних досліджень точністю.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень поворотного коліна й лопаткових решіток ЗНА, а також проведений порівняльний аналіз результатів чисельних розрахунків з експериментальними даними.

Експериментальні дослідження були проведені для 6 режимів роботи установки, які відрізнялися витратою газу та кутом потоку на вході в модель ЗНА. Експерименти проводилися у діапазоні значень чисел Маха М = (0, 5-0,6) і Рейнольдса Re = (2, 2-3,1)·105.

За результатами експериментальних вимірювань були розраховані параметри потоку та побудовані розподіли статичних і повних тисків та швидкостей.

На рис. 8 наведені розподіли відносних повних тисків за шириною поворотного коліна у 5 перерізах: на вході у поворотне коліно нерівномірність повного тиску для різних режимів течії помітно відрізняється, але нерівномірність повного тиску за шириною каналу зменшується до виходу із ПК для всіх режимів течії, а характер зміни повного тиску наближається до лінійного.

Розподіли відносних повних надлишкових тисків уздовж ПК побудовані для 6 трубок течії - від периферійної поверхні до втулкової. Характер зміни повних тисків для всіх трубок течії однаковий, отримані залежності є близькими до лінійних, тобто дисипація енергії під час течії газу у ПК відбувається майже рівномірно за довжиною.

Біля втулкової поверхні дисипація енергії трохи менша, ніж біля периферійної, що можливо пов'язане з меншою довжиною трубки течії біля втулкової поверхні в порівнянні з довжиною трубки течії біля периферійної поверхні.

Зміна відносних абсолютних повних тисків уздовж ПК наведена на рис. 9. Для всіх досліджених режимів залежність зміни абсолютних повних тисків уздовж ПК є практично лінійною. Оскільки вимірювання повних тисків виконувалися на деякій відстані від поверхонь ПК, тобто не в примежовому шарі, тому наведені на рисунку 9 дані характеризують процес турбулентної дисипації енергії. Середнє значення падіння повного тиску у ПК внаслідок турбулентної дисипації енергії становить приблизно 1%, поблизу периферійної поверхні значення падіння повного тиску є трохи більшим - 1,5 %, біля втулкової - трохи меншим. Отримані залежності можуть бути використані для вдосконалення математичної моделі з розрахунку течії газу в поворотному коліні відцентрового компресора.

У лопаткових решітках ЗНА були виконані вимірювання параметрів потоку газу для різних режимів течії газу, на підставі яких були побудовані розподіли тисків і швидкостей уздовж обтічних поверхонь і за кроком решітки. Отримані залежності були використані для виконання аналізу впливу режимних параметрів течії газу на структуру потоку.

Увігнута поверхня Опукла поверхня

Рис. 10. Розподіл статистичних тисків за довжиною лопатки ЗНА при б4 = 170, =1,46 кг/с

На рисунку 10 показані розподіли статичних тисків уздовж опуклої та увігнутої поверхонь лопаток у решітці ЗНА. Бачимо, що масова витрата не впливає на структуру потоку газу на лопатках ЗНА.

Зі збільшенням витрати газу, що проходить через установку, відбувається збільшення статичних тисків на поверхнях лопаток без зміни характеру розподілу тисків.

Від'ємні значення статичних тисків на опуклій поверхні лопатки на вході свідчать про значне збільшення швидкості на вході в лопаткові решітки ЗНА на опуклій поверхні.

Значна різниця тисків на увігнутій та опуклій поверхнях лопаток на вході в решітку, тобто більше навантаження вхідної ділянки, характерне для течії газу з позитивними кутами атаки, що має місце при цьому режимі роботи. При збільшенні кута потоку до 350 спостерігається зміна розподілів статичних тисків, особливо на опуклій поверхні.

Порівняння розрахункових і експериментальних даних за структурою потоку в поворотному коліні та лопатковій решітці ЗНА виконувалося для відповідних режимів течії газу.

Розрахунок параметрів потоку, виконаний при заданому рівномірному розподілі швидкостей і тисків на вході в поворотне коліно (крива 1 на рис. 11), дає результати, які навіть якісно не узгоджуються з експериментальними даними. Криві 2 і 4 на цьому рисунку побудовані за результатами розрахунку течії газу з урахуванням нерівномірності повного тиску на вході в поворотне коліно.

Крива 2 отримана за припущенням лінійного закону зміни повного тиску за шириною каналу. Як бачимо, у цьому випадку забезпечується якісне узгодження розрахункових і експериментальних даних.

У припущенні нелінійної нерівномірності повного тиску на вході у ПК розрахункові значення наведених швидкостей потоку (крива 4) ще краще узгоджуються з відповідними експериментальними значеннями швидкостей.



а) , б) ,

Рис. 11. Розподіли зведених швидкостей за шириною каналу на вході у ПК: 1 - без урахування нерівномірності потоку; 2 - з урахуванням нерівномірності потоку, заданої за лінійним законом; 3 - згідно з методикою розрахунку за Рісом В.Ф., Селезньовим К.П.; 4 - з урахуванням нерівномірності потоку, заданої за нелінійним законом.

На рисунку 12 показані значення зведених швидкостей уздовж периферійної поверхні поворотного коліна, отримані розрахунковим і експериментальним шляхом. Відхилення розрахункових і експериментальних даних незначні і у середньому становлять приблизно 4%.



а) б)

Рис. 12. Розподіл зведених швидкостей за довжиною поворотного коліна

Виконаний порівняльний аналіз розрахункових і експериментальних параметрів потоку дає можливість зробити висновок, що запропонований метод розрахунку течії газу у ПК із урахуванням нерівномірності тиску на вході у ПК дає досить точну відповідність отриманих результатів реальній течії газу у даному елементі. Це доводить, що математична та комп'ютерна моделі адекватно описують справдішній процес течії газу у ПК ЗНА.

Зіставлення результатів розрахункових і експериментальних досліджень у лопатковій решітці у цілому показує прийнятну відповідність параметрів потоку, визначених за допомогою розрахунку й експерименту.

На рис.13 наведені графіки розподілу швидкостей за кроком та довжиною лопаткової решітки ЗНА.

При всіх витратах є добре узгодження розрахункових і експериментальних значень швидкостей для середньовитратних швидкостей і для швидкостей на увігнутій поверхні лопаток. На опуклій поверхні лопаток розрахункові значення швидкостей перевищують експериментальні на 3-4%. Це, можливо, спричиняється фактом, що при розрахунку не враховувався різний вплив кривини на параметри течії газу поблизу увігнутої і опуклої поверхонь.

Експериментальні та розрахункові значення швидкостей добре узгоджуються на вході та у середній частині лопаткової решітки. На виході з лопаткової решітки експериментальні і розрахункові значення швидкостей значно відрізняються, що, швидше за все, пов'язане з підвищеною похибкою вимірювань у цьому перерізі.

Виконане порівняння розрахункових і експериментальних даних за структурою потоку в лопатковій решітці зворотно-напрямного апарата, як і для поворотного коліна, підтверджує адекватність математичної й комп'ютерної моделей дійсним термогазодинамічним процесам течії газу в лопатковій решітці ЗНА.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено наукова задача удосконалення методу розрахунку течії газу у зворотно-напрямних апаратах відцентрових компресорів.

За результатами роботи можна зробити такі висновки:

- більшість наявних у науково-технічній літературі експериментальних даних щодо поворотних колін і лопаткових решіток ЗНА стосуються тільки входу і виходу цих елементів, а рекомендації для проектування торкаються вибору значень деяких величин b5/b4, Rвт/b5, а також визначення оптимальної кількості лопаток ЗНА;

- у науково-технічній літературі відсутні експериментальні дані про розподіл тисків та швидкостей потоку у поворотному коліні і лопатковій решітці зворотно-напрямних апаратів з профільованими лопатками;

- методи розрахунку зворотно-напрямних апаратів, у яких визначаються тільки усереднені значення параметрів потоку на вході та виході елементів ЗНА (одновимірна схема), не забезпечують визначення структури потоку у поворотному коліні та лопатковій решітці;

- проектування економічних відцентрових компресорів припускає визначення структури потоку у проточній частині, зокрема у поворотному коліні і лопатковій решітці ЗНА;

- використання для розрахунку течії газу у зворотно-напрямних апаратах програмних комплексів, таких, як ANSYS CFX, Flower, FlowVision, дозволяє отримувати дані про структуру потоку у каналах компресора, але потребує для цього значних витрат часу;

- створені математичні моделі течії газу у поворотному коліні та в лопатковій решітці зворотно-напрямних апаратів відцентрових компресорів, які дозволяють визначати термогазодинамічні параметри потоку газу в зворотно-напрямних апаратах з урахуванням нерівномірності потоку газу за шириною каналу;

- розроблені комп'ютерні моделі течії газу у поворотному коліні та у лопатковій решітці зворотно-напрямних апаратів відцентрових компресорів, з використанням яких виконані чисельні дослідження елементів ЗНА з різними геометричними параметрами, при різних режимах роботи;

- аналіз результатів розрахунку показує неоднозначність впливу геометричних параметрів поворотного коліна на структуру потоку при різних режимах течії, що підтверджує необхідність визначення термогазодинамічних параметрів потоку з урахуванням конкретних умов течії. Отримані результати розрахунку підтверджують можливість використання розробленого комплексу програм для визначення оптимальних конструктивних параметрів ЗНА, при яких забезпечується сприятлива структура потоку для конкретних умов течії;

- отримані експериментальні дані про структуру потоку у поворотному коліні і лопатковій решітці зворотно-напрямних апаратів із профільованими лопатками;

- використана методика експериментального дослідження забезпечила отримання достовірних експериментальних даних із допустимою для газодинамічних досліджень точністю;

- експериментальні дослідження структури потоку газу показали, що нерівномірність потоку на вході в зворотно-напрямний апарат є значною, та підтвердили необхідність її урахування під час розрахунків термогазодинамічних параметрів потоку газу;

- визначений характер зміни повного тиску уздовж втулкової та периферійної поверхонь поворотного коліна. Отримані залежності можна використовувати для удосконалювання математичної моделі під час розрахунку течії газу у поворотному коліні відцентрового компресора;

- проведено порівняння розрахункових та експериментальних даних за структурою потоку у поворотному коліні та лопатковій решітці зворотно-напрямного апарата, яке підтвердило адекватність математичної та комп'ютерної моделей справжнім термогазодинамічним процесам у зворотно-напрямних апаратах відцентрових компресорів;

- рекомендується використання даних моделей під час проектування зворотно-напрямних апаратів відцентрових компресорів;

- результати виконаних досліджень впроваджені на науково-промислових підприємствах ТОВ СНВП "Технокомпресормаш", ВАТ ВЕК"Сумигазмаш", м. Суми і у навчальному процесі СумДУ.

Список опублікованих праць здобувача

1. Калинкевич Н.В., Бобров А.Н., Калашников А.Н. Повышение экономичности центробежных компрессоров за счет улучшения газодинамических характеристик неподвижных элементов ступени // Вісник Сумського державного університету. Серія Технічні науки (Машинобудування). - 2002. - №9(42). - С. 34-39.

2. Калашников А.Н., Калинкевич Н.В. К вопросу о проектировании обратно-направляющих аппаратов центробежных компрессоров // Вестник НТУУ "КПИ". Машиностроение. - 2002. - Вып. 42. - Т.2. - С. 158-160.

3. Калинкевич Н.В., Бобров А.Н., Калашников А.Н. Проектирование неподвижных элементов ступени центробежного компрессора с улучшенными газодинамическими характеристиками // Труды ХIII Международной научно-технической конференции по компрессоростроению "Компрессорная техника и пневматика в ХХI веке".- - Том 1.- Сумы: Изд-во СумГУ, 2004. - С. 197-200.

4. Калашников А.Н.. Экспериментальные исследования структуры потока газа в обратном направляющем аппарате центробежного компрессора // Вісник Сумського державного університету. Серія Технічні науки (Машинобудування). - 2006. - №12(96). - С. 70-75.

5. Калашников А.Н., Калинкевич Н.В. Расчет неизоэнтальпийного течения газа в обратно-направляющих аппаратах центробежных компрессоров // Вісник Східноукр. нац. ун-ту ім. В. Даля: У 2 ч. - 2007. - №3(109). Ч. 1. - C. 109-113.

Размещено на Allbest.ru

...