Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

(ОНМА)

УДК 629.12.03

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вдосконалення газоочисних пристроїв енергетичних установок на основі моделювання гідродинамічних процесів

Спеціальність 05.05.03 - Двигуни та енергетичні установки

Рижков Олександр Сергійович

Одеса 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Сербін Сергій Іванович, директор машинобудівного інституту Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Івановський Валерій Георгійович, завідувач кафедри “Суднові енергетичні установки та технічна експлуатація” Одеського національного морського університету;

доктор технічних наук, професор Федоровський Костянтин Юрієвич, завідувач кафедри «Енергоустановок морських суден та споруд» Севастопольського національного технічного університету.

Захист відбудеться 13 травня 2010 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 1, зал засідань вченої ради

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 2

Автореферат розісланий 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професорТарапата В.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Нове тисячоріччя ставить перед людством питання створення екологічно чистих енергетичних установок (ЕУ) у ряд найбільш актуальних проблем. Це викликано тим, що стаціонарні й транспортні ЕУ є основним джерелом забруднення атмосфери.

Газові викиди енергетичних установок різні за походженням, складом та параметрами. Ряд викидів містить дорогі матеріали, має високо - і низькопотенційну енергію. Високопотенційну енергію використовують шляхом застосування котлів-утилізаторів. Підвищення якості очищення дозволяє не тільки зменшити забруднення навколишнього середовища, але й знизити втрати палива утилізацією низькопотенційної енергії газових викидів, скоротити втрати дорогих матеріалів.

Представляється перспективним створення таких газоочисних пристроїв, у яких енергопотенціал газових викидів використовується для процесів очищення. При цьому дорогі домішки повертаються в технологічний ланцюг елементів ЕУ, а небезпечні направляються в системи нейтралізації. Підвищені потенційні можливості в цьому напрямку мають випускні гази й масляні аерозолі систем суфлювання газотурбінних двигунів (ГТД), вентиляції картера двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ) та ін.

Таким чином, актуальність дисертаційної роботи визначається:

§ інтенсивним розвитком суднового та стаціонарного газотурбобудування в розвинених у технічному відношенні країнах світу, в тому числі й в Україні;

§ необхідністю комплексного вирішення питань екологічного та ресурсозберігаючого вдосконалення суднових і стаціонарних енергетичних установок;

§ необхідністю розробки високоефективного обладнання з уловлювання аерозолів масел в системах суфлювання ГТД останніх поколінь.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Тема дисертації відповідає програмам і планам виконання фундаментальних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України, наказ № 633 від 05.11.2002 р. та Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова на період 2005 - 2010 рр., у рамках яких виконується Держбюджетна комплексна тема «Енергозбереження на основі інтенсифікації струминної утилізації й очищення газових викидів енергетичних установок» (ДР № 0103U001794), в якій автор виступає виконавцем. Тема також відповідає планам НДДКР Державного підприємства «Науково-виробничий комплекс газотурбобудування «Зоря»-«Машпроект», у рамках яких виконані базові для даної дисертаційної роботи «Створення, впровадження масловіддільників для ГТД ДГ 90 і ДН 80 з високою ефективністю й уловлюванням парів масла», «Створення, впровадження масловіддільників для ГТД ДГ 90 і ДН 80 з високою ефективністю й мінімальними масогабаритними показниками» і «Створення й вдосконалення статичного масловіддільника для ГТД ДП 73» (ДР №№ 0103U001789, 0103U001790 і 0103U001791), де автор виступав виконавцем. Тема дисертації також відповідає планам міжнародного співробітництва НУК і Харбінського дослідного інституту суднових котлів і турбін (ХДІСКТ), у рамках яких виконані роботи № 1664/2007/1 «Розробка стенда для дослідження масловіддільників системи суфлювання» і № 1665/2007/2 «Розробка й створення високоефективного малогабаритного масловіддільника».

Мета роботи - розробка та реалізація нового підходу до вдосконалення газоочисних пристроїв на основі моделювання й розрахунку робочих гідродинамічних процесів, а також створення на базі отриманих результатів високоефективних газоочисних пристроїв для очищення випускних газів і вловлювання масляних аерозолів енергетичних установок.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні завдання:

§ обумовлений вибір узагальненої математичної моделі розрахунку гідродинамічних процесів в елементах газоочисних пристроїв ЕУ;

§ обумовлена необхідність введення коефіцієнта гідродинамічної ефективності газоочисного пристрою;

§ виконані теоретичні дослідження очисника випускних газів ДВЗ та виявлені особливості його гідродинаміки;

§ виконані теоретичні дослідження масловіддільника для систем суфлювання сучасних ГТД і встановлені особливості його гідродинаміки;

§ розроблені конструкції високоефективних очисників випускних газів і малогабаритних масловіддільників;

§ розроблена узагальнена схема комплексної інтенсифікації очищення газів від високодисперсних і грубодисперсних часток гідродинамічними методами;

§ розроблені технологічні схеми очищення випускних газів енергетичних установок із використанням гідродинамічних методів;

§ створені експериментальні стенди для відпрацювання конструкцій очисників газів і масловіддільників для систем суфлювання ГТД;

§ розроблені рекомендації для проектування газоочисників;

§ проведені випробування створених газоочисників у стендових умовах і в складі ГТД.

Об'єкт дослідження - процеси очищення випускних газів енергетичних установок під дією гідродинамічних сил.

Предмет дослідження - гідродинамічні характеристики потоку в проточній частині газоочисних пристроїв.

Методи дослідження. Розробка нового підходу щодо створення та вдосконалення газоочисних пристроїв на основі моделювання й розрахунку робочих гідродинамічних процесів проводилася на основі системного підходу. Це дозволило складну аеродинамічну систему у вигляді двофазного середовища, що обтікає проточну частину газоочисних пристроїв, досліджувати поетапно: спочатку як течію в окремих ступенях очищення, а потім - газоочисного пристрою в цілому. Розв'язання диференційних рівнянь математичної моделі турбулентного обтікання проточної частини ступенів очищення й газоочисників виконувалося методом контрольного об'єму. Експериментальні дослідження проведені на спеціально створених стендах у вигляді аеродинамічних труб відкритого типу з використанням методу поверхневої індикації потоку; розрахунок концентрацій дисперсної фази здійснювався ваговим методом за допомогою аналітичних фільтрів та фотоелектричних лічильників і фотометрів аерозолів.

Наукова новизна отриманих результатів.

§ Уперше для оцінки ефективності газоочисних пристроїв енергетичних установок на основі моделювання та розрахунку робочих гідродинамічних процесів в окремих ступенях очищення й проточній частини в цілому запропоновано коефіцієнт гідродинамічної ефективності, який дозволяє кількісно оцінювати ефективність процесів очищення і дає змогу корегувати конструктивні рішення з визначенням раціональних параметрів проточної частини.

§ Розроблені нові технологічні схеми очищення в ступенях гідродинамічних газоочисників для двигунів, які базуються на використанні наступного: - струминних технологій уловлювання грубодисперсних і високодисперсних крапель за рахунок сил інерції, турбофорезу; - гідродинамічних коагуляторів високодисперсних крапель на основі труб Вентурі, зрошуваних робочою рідиною; - механічних сіткових багаторядних коагуляторів для вловлювання високодисперсних часток з наступною їх коагуляцією за рахунок капілярних сил; - сепараційних профілів МКІ для вловлювання грубодисперсних крапель за рахунок сил інерції.

§ Одержало подальший розвиток моделювання гідродинаміки газоочисників для енергетичних установок різних типів на основі узагальненої математичної моделі з використанням диференційних рівнянь безперервності, переносу імпульсу, збереження енергії, а також рівняння для кінетичної енергії турбулентності й ступеня дисипації турбулентної енергії. Достовірність результатів моделювання підтверджена експериментально.

§ Уперше розроблено узагальнену схему комплексної інтенсифікації очищення газів від високодисперсних і грубодисперсних часток гідродинамічними методами, що включає в себе наступне: - осадження при обтіканні поверхонь початковою ділянкою струменя (струменів) під дією сил інерції, турбулентної дифузії, турбофорезу, дифузіофорезу, а також у відривних зонах у першому ступені; - осадження низько-інерційних часток у механічних коагуляторах під дією сил інерції, турбулентної дифузії, турбофорезу й коагуляції часток у механічних коагуляторах з виносом потоку з організованим їх осадженням під дією сил тяжіння й інерції на поверхні сепаруючих профілів у другому ступені; - видалення вловленої рідини й відведення очищеного газу з корпусу газоочисника у третьому ступені.

§ За результатами дослідження гідродинамічних характеристик проточної частини газоочисників продуктивністю 50, 450 і 2000 м³/год виявлено особливості гідродинаміки потоку, зокрема встановлено, що він формується рівномірно перед надходженням у газоперепускні кільця та перед сітковим коагулятором, а основний опір потоку обумовлений обтіканням багатоструменевого ступеня очисника.

§ Отримані поля розподілу гідродинамічних параметрів систем осадження з використанням труб Вентурі з горизонтальним і вертикальним розташуваннями для інтервалу початкових швидкостей потоку 3...50 м/с і відстаней до поверхонь 0,5...2,0 початкового діаметру дозволили створити високоефективну ступінь очищення для очисника випускних газів ДВЗ; принципова новизна методу очищення підтверджена патентом України № 10747 на корисну модель.

На основі отриманих наукових теоретичних і експериментальних результатів сформульоване наступне нове наукове положення:

удосконалення й розробку газоочисних пристроїв можна здійснити на основі порівняння коефіцієнтів гідродинамічної ефективності при різних геометричних параметрах проточної частини, що дозволяє вносити зміни в конструктивні рішення.

Наукове значення отриманих результатів полягає в розробці комплексного підходу до вдосконалення та створення високоефективних газоочисних пристроїв нового покоління для енергетичних установок різних типів на основі моделювання гідродинамічних процесів уловлювання грубодисперсних і високодисперсних крапель у всіх елементах проточної частині газоочисників, що забезпечує інтенсифікацією гідродинамічних процесів уздовж усієї проточної частини газоочисників. Розроблений комплексний підхід у сукупності з реалізуючою його узагальненою математичною моделлю процесів осадження під дією сил інерції, турбулентної дифузії, турбофорезу, дифузіофорезу, коагуляції часток, видалення рідини й відведення очищеного газу в ступенях очищення газоочисного пристрою становлять суттєвий внесок у наукові засади створення гідродинамічно вдосконалених газоочисних пристроїв для енергетичних установок.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено схемно-конструктивні рішення високоефективних гідродинамічних газоочисних пристроїв енергетичних установок: конструктивна схема високоефективного газоочисника зі скидним вхідним багатоструменевим ступенем і механічним сітковим коагулятором; конструктивна схема високоефективного газоочисника з трубою Вентурі, скидним вхідним багатоструменевим ступенем, механічним сітковим коагулятором; комбінований очисник випускних газів суден із двома паралельними ступенями очищення.

Розроблено:

§ пристрій очищення випускних газів ДВЗ, захищений патентом України на корисну модель;

§ конструкції малогабаритних високоефективних масловіддільників для систем суфлювання газотурбінних двигунів ДГ 90, ДН 80, ДП 73;

§ конструкції малогабаритного високоефективного масловіддільника для ХДІСКТ;

§ рекомендації з проектування очисників випускних газів і малогабаритних статичних масловіддільників для сучасних ГТД;

§ універсальний стенд для досліджень газоочисників різних типів.

Впровадження результатів роботи. Результати роботи впроваджено на Державному підприємстві «Науково-виробничий комплекс газотурбобудування «Зоря»-«Машпроект» - розпочато серійне виробництво малогабаритних масловіддільників для ГТД нового покоління ДП 73, ДГ 90 та ДН 80. Харбінському дослідному інституту суднових котлів і турбін передана науково-технічна документація на універсальний автоматизований стенд для випробування масловіддільників систем суфлювання.

Результати впроваджено в навчальний процес при викладанні дисциплін «Системи турбінних агрегатів» за спеціальністю 8.090506 «Турбіни»; «Методи та засоби очищення повітря від забруднень», «Природоохоронні технології» за спеціальністю 8.070801 «Екологія та охорона навколишнього середовища» та при підготовці дипломних і магістерських робіт на факультеті механіки та екології Машинобудівного інституту НУК за останні три роки.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати і розробки, які наведені у дисертації та виносяться на захист, автором одержані самостійно.

Апробація результатів дисертації здійснена на 33 наукових, науково-технічних та науково-практичних конференціях, у тому числі:

§ Міжнародній науково-технічній конференції «Безпека мореплавства та її забезпечення при проектуванні та побудові суден», Миколаїв, 2004 р.;

§ Міжнародній конференції «Когенерація в промисловості та комунальній енергетиці», Київ, 2004 р.;

§ Міжнародній науково-прикладній конференції «Проблеми тепло- масообміну в промисловості і комунальній енергетиці», Київ, 2005 р.;

§ Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів, молодих вчених і спеціалістів «Суднова енергетика: стан і проблеми», Миколаїв, 2005, 2007 рр.;

§ Всеукраїнській науковій конференції студентів і аспірантів «Екологічна безпека держави», Київ, 2007, 2008, 2009 рр.;

§ Другій міжнародній науково-технічній конференції «Муніципальна енергетика: проблеми, рішення», Миколаїв, 2007 р.;

§ I Міжнародній науково-технічній конференції «Холод в енергетиці і на транспорті: сучасні проблеми кондиціювання та рефрижерації», Миколаїв, 2008 р.

§ XI Всеукраїнській II Міжнародній наукової конференції студентів, магістрантів та аспірантів «Екологічні проблеми регіонів України», Одеса, 2009 р.;

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 статей (з них 4 - без співавторів) у наукових виданнях, що входять до Переліку ВАК, а також 33 доповіді у збірниках матеріалів міжнародних і всеукраїнських науково-технічних конференцій. Одержано деклараційний патент України на корисну модель.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'ятьох розділів і висновків. У додатках наведено акти та інші матеріали, що підтверджують впровадження результатів досліджень. Загальний обсяг дисертації становить 217 сторінок, серед яких 133 стор. основного машинописного тексту, 68 рисунків, 7 додатків і 16 таблиць. Список літератури містить 140 найменувань..

Основний зміст роботи

У першому розділі розглянута актуальність проблеми очищення газів енергетичних установок. Виконано аналіз сучасних пристроїв очищення газів ЕУ за рахунок гідродинамічних методів. Показана перспектива вирішення завдань розробки й удосконалення газоочисних пристроїв за рахунок застосування нового підходу на основі моделювання й розрахунку робочих гідродинамічних процесів у їх проточній частині. Розробка моделей, що дозволяють здійснювати розрахунки газодинамічної обстановки в проточній частині газоочисного обладнання, дозволяє визначити напрямки підвищення їх ефективності при економії ресурсів на експериментальне відпрацювання конструкцій. гідродинамічний газоочисний грубодисперсний

Другий розділ присвячений теоретичним основам і аналізу можливих технологічних схем ступенів очищення. Розглянуті основні механізми осадження часток і сформульовані перспективні принципи інтенсифікації осадження грубодисперсних часток (більше 20 мкм) і високодисперсних часток (менше 20 мкм) у ступенях гідродинамічних очисних пристроїв. Для очищення грубодисперсних часток перспективно використовувати струминний ступінь (зону удару та розвороту) й жалюзійний ступінь очищення; для очищення дрібних часток - сіткові або гідродинамічні коагулятори.

На основі проведеного аналізу розроблені перспективні технологічні схеми ступенів очищення газів гідродинамічними методами. Для їх реалізації необхідно послідовне виконання ряду фізичних процесів. В області удару й розвороту струменя відбувається інерційне вловлювання грубодисперсних часток. Для його інтенсифікації пропонується збільшувати швидкість витікання струменя із сопла до 25...50 м/с. Неосаджені частки та частки діаметром менше 4 мкм направляються на багатофункціональні поверхні, що генерують відривні зони, в яких осаджені частки коагулюються у великі краплі. Для вловлювання грубодисперсних часток, що виносяться з коагуляторів, пропонується використовувати однохвильові профілі. Для очищення від твердих домішок і коагуляції дрібних часток також пропонуються гідродинамічні коагулятори у вигляді труб Вентурі. Наведені методи теоретичних і експериментальних досліджень.

У третьому розділі виконаний розрахунок гідродинамічних характеристик у ступенях очищення. Базова система при вирішенні завдання газоочищення включає у себе рівняння нерозривності (змінна величина густина суміші ), три рівняння переносу імпульсу (змінні u_xf, u_yf, u_zf), рівняння збереження енергії (змінна величина ентальпія гальмування h_s), а також рівняння для кінетичної енергії турбулентності K і ступені дисипації турбулентної енергії е. У роботі використовується математична модель розрахунку газодинамічних характеристик потоку на основі загального транспортного рівняння переносу, яка має вигляд:

(1)

де ф час; б, в коефіцієнти; x, y, z декартові координати (для циліндричної системи координати відповідно); u_xf, u_yf, u_zf - компоненти швидкості в напрямках x, y, z; r радіус у циліндричній системі (для декартових координат r = 1); Г_e^F - тензор переносу; m_inj маса рідини, що інжектується в одиниці об'єму за одиницю часу; F_inj кількість переносної величини F в масі, що інжектується; S_F ключовий член для величини F; s_F член, що характеризує швидкість виведення величини F.

Початковими й граничними умовами для створення розрахункових сіток є геометричні розміри проточної частини ступенів очищення на основі їх масштабного моделювання. Розмір сітки варіювався відповідно до геометрії проектованого об'єкта, й сама вона будувалася методами прямокутного розбиття пристінного слою і трикутного сегментування. Передбачалося, що профіль осьової швидкості рівномірний (швидкість u_xf = U у розрахунках змінювалася від 3 до 50 м/с, компоненти u_yf = V = 0; u_zf = W = 0, кінетична енергія турбулентності 0,1 м²/с², ступінь дисипації турбулентної енергії е = 1,11 Дж/(кгс)).

Виконано розрахунки газодинамічної обстановки в ступенях очищення: - із системами з двох і трьох струменів, що обтікають плоску й вигнуту поверхні; - із трубами Вентурі з горизонтальним і вертикальним розташуванням; - із сітковим коагулятором; - з однорядними і дворядними пакетами однохвильових профілів МКІ й коагулятором. Отримані для них розподіли швидкості потоку, кінетичної енергії турбулентності й статичного тиску. Визначені місця найбільшого осадження часток. Розрахунки показали ефективність застосування обраної узагальненої математичної моделі й працездатність створених розрахункових сіток для оцінки гідродинамічної обстановки в ступенях очищення газів.

Четвертий розділ присвячено розробці конструктивних схем газоочисників і розрахунку їх гідродинамічних характеристик. На основі розглянутих механізмів очищення газів запропонована узагальнена технологічна послідовність очищення газів газодинамічними методами. Уперше розроблена узагальнена схема комплексної інтенсифікації очищення газів від високодисперсних і грубодисперсних часток гідродинамічними методами. Вона містить три послідовні ступені очищення.

У першому скидному ступені відбувається інтенсифікація осадження високоінерційних і низькоінерційних крапель при обтіканні поверхонь початковою ділянкою струменя (струменів) за рахунок сил інерції, турбулентної дифузії, турбофорезу, дифузіофорезу й у відривних зонах. Тут також протікає стадія утворення плівки рідини, що утворюється з уловлених крапель на поверхні осадження з наступним її відведення за рахунок капілярних сил і сил тяжіння. У другому ступені тонкого очищення відбувається інтенсифікація осадження низькоінерційних часток у механічних коагуляторах за рахунок сил інерції, турбулентної дифузії, турбофорезу й коагуляції часток. Тут також існує стадія виносу коагульованих крапель з механічних коагуляторів потоком з організованим осадженням за рахунок сил тяжіння й інерції на поверхні профілів, що сепарують. На третьому вихідному ступені очищення відбувається інтенсифікація видалення вловленої рідини й відведення очищеного газу з корпусу газоочисника. Для очищення від газоподібних складових й часток передбачена також попередня обробка газів у гідродинамічному коагуляторі типу труба Вентурі. При цьому здійснюється інтенсифікація осадження часток на краплях зрошуваної робочої рідини за рахунок сил інерції, турбулентної дифузії, турбофорезу, дифузіофорезу. Послідовність стадій з вловлювання крапель може змінюватися залежно від конструктивного виконання газоочисників.

На основі створених схем комплексної інтенсифікації робочих процесів розроблені конструктивні рішення для високоефективних гідродинамічних газоочисних пристроїв: - конструктивна схема високоефективного газоочисника зі скидним вхідним багатоструменевим ступенем і механічним сітковим коагулятором; - конструктивна схема високоефективного газоочисника з трубою Вентурі, скидним вхідним багатоструменевим ступенем, механічним сітковим коагулятором; - комбінований очисник випускних газів суден із двома паралельними ступенями очищення, захищений патентом України.

Розроблена методика інженерного розрахунку газоочисника зі скидним вхідним багатоструменевим ступенем і механічним сітковим коагулятором, із трубою Вентурі й комбінованого очисника випускних газів суден із двома паралельними ступенями очищення, що дозволило побудувати розрахункові сітки, близькі до практичної реалізації. Для дослідження робочих процесів в проточних частинах газоочисників різної продуктивності (50...2000 м³/год) на основі рекомендацій запропонованої методики інженерних розрахунків побудовані комплексні сітки з пакетами із 6, 10 й 20 профілів відповідно.

Розрахунок гідродинамічної обстановки в проточній частині газоочисників дозволяє за розподілом складових компонентів швидкості, ступенем дисипації турбулентної енергії, кінетичної енергії турбулентності, статичним тиском якісно оцінювати ефективність робочих процесів окремих стадій - від інерційного й турбофоретичного осадження до ступеня розкриття потоку та обтікання ступенів очищення, підведення й відведення потоку. Це дозволяє вносити корегування в конструктивні рішення з визначенням раціональних розмірів - відстаней до поверхонь осадження, входу в наступні ступені очищення, розташування пропускних отворів, профілів МКІ без додаткових експериментальних досліджень, що істотно заощаджує часові, матеріальні й енергетичні ресурси.

Для числового вираження теоретичних розрахунків уперше введений коефіцієнт гідродинамічної ефективності, що являє собою відношення гідродинамічно-ефективної площі проточної частини до загальної площі проточної частини в перерізах газоочисних пристроїв:

К_ге = S_кор./S_заг. 100 %,

де S_кор. - корисна площа перерізу проточної частини газоочисного пристрою, де спостерігаються раціональні значення гідродинамічних характеристик потоку: складових швидкостей, ступеня дисипації турбулентної енергії, кінетичної енергії турбулентності, статичного тиску та ін.; S_заг. - загальна площа перерізу проточної частини газоочисного пристрою.

Раціональні значення швидкості визначаються на основі експериментальних і розрахункових даних для вловлювання часток різного діаметра за рахунок гідродинамічних сил. Швидкість потоку повинна лежати в інтервалі 20-50 м/с із метою осадження часток більше 20 мкм. Швидкість потоку повинна становити 3...7 м/с для вловлювання мікрокрапель (менше 5 мкм) на циліндрах сіткових коагуляторів. При проходженні потоку в однохвильових профілях МКІ швидкість потоку повинна становити не більше 5 м/с, що необхідно для виключення вторинного віднесення краплі.

При проведенні теоретичних розрахунків під корисною площею приймаються перерізи до меж струминного шару або початку примежового шару. Запропоновано вважати гідродинамічно досконалими газоочисні пристрої з К_ге понад 85 %.

Коефіцієнт гідродинамічної ефективності Кге = 94 % для газоочисника із 6 профілями та Кге = 92 % для газоочисника з 10 профілями. Отримані результати відповідають умовам високоефективних газоочисних пристроїв.

Виконано розрахунок гідродинамічних характеристик потоку в запропонованому комбінованому очиснику випускних газів суден для витрат газу 600 м³/год. Як пакет профілів МКІ в сітці застосовано хвилеподібний аналог через їх вертикальне розташування.

За результатами теоретичного аналізу отримані розподіли гідродинамічних характеристик потоку в комбінованому очиснику випускних газів суден для різних режимів роботи.

Отримані результати показали, що при підвищенні потужності та витраті газу додатково задіюється другий ступінь очищення у вигляді барботажного апарата, що підвищує процес уловлювання як низькодисперсних, так і високодисперсних часток. Газовий потік рухається також у кільцевому просторі паралельно трубі Вентурі. У штатному очиснику виявлені робочі області, що недостатньо використовуються. Це зони під горизонтально розташованою трубою Вентурі - у кільцевому просторі в правій частині очисника і на виході з пакета профілів.

Розрахунок гідродинамічної обстановки в проточній частині газоочисників дозволяє вносити корегування в конструктивні рішення та визначати раціональні геометричні співвідношення.

П'ятий розділ присвячено розробці й дослідженню ефективності газоочисних пристроїв і впровадженню результатів дисертаційної роботи. Розроблено новий універсальний стенд для досліджень газоочисників у вигляді напірної аеродинамічної труби відкритого типу, що дозволяє проводити дослідження в широкому інтервалі можливих витрат двофазного середовища й концентрації дисперсної фази. Універсальність і новизна стенда полягає в тому, що як нагнітачі використовуються високонапірні вентилятори продуктивністю 100...2000 м³/год. Стенд містить три генератори масляного аерозолю у вигляді барботажної камери з підігрівом повітря й масла, генератор грубодисперсного аерозолю й генератор високодисперсного аерозолю. Розроблені методики й програми проведення експериментальних досліджень, оцінена похибка вимірювань.

Розроблено типорозмірний ряд газоочисників для вловлювання масляних аерозолів систем суфлювання сучасних ГТД і систем вентиляції картера ДВЗ. Дослідження масловіддільників на експериментальному стенді показали, що коефіцієнт сумарної ефективності перевищує 99,99 %. Аеродинамічний опір складає 1,0...5,0 кПа.

Розроблені робочі креслення на масловіддільник продуктивністю 450 м³/год для газотурбінного двигуна UGT 25000 потужністю 25 МВт для Харбінського дослідного інституту суднових котлів і турбін (КНР). Виконані експериментальні дослідження масловіддільника з трубою Вентурі для систем суфлювання українських ГТД 4 покоління. Установлено, що коефіцієнт сумарної ефективності перевищує 99,9 %. Вихідна концентрація масляного аерозолю на режимах витрат повітря 90...140 м³/год знизилася в три рази й склала 1,7...2,2 мг/м³. Аеродинамічний опір - 2,0...4,0 кПа. На основі результатів проведених досліджень розроблені робочі креслення на трубу Вентурі: УКФА ГО-МАРНОТРАТ-ТВ 80-90-01СБ.

Розроблена програма й методика випробувань масловіддільників у складі газотурбінних двигунів. Виконані контрольні дослідження масловіддільників у складі ГТД ДГ 90, ДН 80 та ДП 73 на стенді НВКГ «Зоря»-«Машпроект» (м. Миколаїв) у період випробувань двигунів відповідно до НДДКР № 1425, 1426, 1487. Випробування дослідно-промислового зразка масловіддільника в складі ГТД ДГ 90 і ДН 80 показали, що коефіцієнт сумарної ефективності дорівнює 99,99 %, втрати масла на ГТД знизилися до 0,05...0,10 кг/год замість 0,3...0,5 кг/год у штатного. Ухвалене рішення про впровадження розроблених масловіддільників у складі ГТД ДГ 90 і ДН 80. Випробування масловіддільника з трубою Вентурі в складі ГТД показали результати, аналогічні стендовим випробуванням.

На основі виконаних розрахунків масловіддільника з пакетом з 10 профілів розроблені робочі креслення на масловіддільник продуктивністю 450 м³/год для UGT 25000. Виготовлений промисловий зразок масловіддільника. Виконано випробування промислового зразка на експериментальному стенді відповідно до розробленої програми в діапазоні витрат повітря 180...450 м³/год. Результати випробувань показали, що коефіцієнт сумарної ефективності склав 99,99 %. Втрати масла на різних режимах витрат повітря не перевищили 2,0 г/год, аеродинамічний опір не перевищив значення 3,2 кПа при витраті 300 м³/год.

Для ГТД ДП 73 у відповідності до результатів дисертаційної роботи виготовлено дослідно-промисловий зразок масловіддільника продуктивністю 1500...2000 м³/год. Його контрольні випробування, проведені на двигуні ГТД ДП 73-2 на стендах цеху № 100 Центру НДДКР НВКГ «Зоря»-«Машпроект», показали, що коефіцієнт сумарної ефективності очищення на всіх режимах перевищив 99,99 %. Втрати масла на двигун склали 135...400 г/год при припустимих 1000 г/год. Аеродинамічний опір масловіддільника дорівнював 8 кПа. Ухвалено рішення про впровадження масловіддільника в складі ГТД ДП 73 для проекту «Сінгапур».

Для досліджень комбінованого очисника випускних газів розроблено спеціальний експериментальний стенд, який являє собою аеродинамічну трубу відкритого типу з генератором газових викидів. Модельне середовище (випускні гази) готувалося за допомогою теплогенератора, в якому спалювалося дизельне паливо. Виготовлено дослідний зразок очисника, розрахований на витрату газів 700 м³/год. Він базується на виконаних розрахунках і за габаритами відповідає шумоглушнику-іскрогаснику для ДВЗ потужністю 150 кВт. Виконані дослідження комбінованого очисника випускних газів для суден. Ефективність очищення від газоподібних складових досягала: SO₂ - 95 %; вуглеводнів С_nH_y - 20...30 %. Температура газів знижувалася від 140...149°С до 30...35°С, при цьому ступінь зрошування труби Вентурі становив до 0,5 кг/м³.

Для верифікації теоретичних і експериментальних даних було проведено порівняння результатів теоретичних й експериментальних розрахунків. Порівняння здійснювалося за показником перепаду статичного тиску в масловіддільниках при однаковому значенні швидкості потоку газу в проточній частині газоочисних пристроїв.

Як показали порівняння, похибка теоретичних досліджень лежить в інтервалі 0,624...6,4 %.

Виконано розрахунок економічного ефекту від впровадження запропонованих масловіддільників на суднах на повітряній подушці з двома сучасними ГТД. Він показав, що впровадження масловіддільників на два ГТД дасть економічний ефект від зниження експлуатаційних витрат у розмірі до 261,5 тис. дол. США за п'ять років експлуатації.

Висновки

У дисертації наведені результати теоретичних і експериментальних досліджень, які дозволили розробити новий підхід до створення й удосконалення газоочисних пристроїв на основі моделювання й розрахунку робочих гідродинамічних процесів і створити на базі отриманих результатів високоефективні газоочисні пристрої для очищення випускних газів і вловлювання масляних аерозолів енергетичних установок. Це виражається в наступному:

1. Розроблено узагальнену схему комплексної інтенсифікації очищення газів від високодисперсних і грубодисперсних часток гідродинамічними методами.

2. На основі створених схем комплексної інтенсифікації робочих процесів розроблені конструктивні рішення для високоефективних гідродинамічних газоочисних пристроїв:

§ схема високоефективного газоочисника зі скидним вхідним багатоструменевим ступенем і механічним сітковим коагулятором;

§ схема високоефективного газоочисника з трубою Вентурі, скидним вхідним багатоструменевим ступенем, механічним сітковим коагулятором;

§ комбінований очисник випускних газів суден із двома паралельними ступенями очищення, захищений патентом України.

3. Розроблено методики інженерного розрахунку газоочисника зі скидним вхідним багатоструменевим ступенем і механічним сітковим коагулятором та комбінованого очисника випускних газів суден із двома паралельними ступенями очищення.

4. Уперше в практику проектування для кількісного вираження теоретичних даних з аеродинаміки потоків у проточній частині газоочисних пристроїв уведений коефіцієнт гідродинамічної ефективності, який відображає загальний рівень їх корисної роботи. Запропоновано вважати високоефективними газоочисні пристрої з коефіцієнтом гідродинамічної ефективності понад 85 %.

5. Розраховано гідродинамічні характеристики проточної частини масловіддільників з пакетами з 6-ти, 10-ти та 20-ти профілів продуктивністю від 50, 450 і до 2000 м³/год відповідно. Результати розрахунків у повній мірі відображають гідродинаміку потоку в проточній частині й свідчать про раціональність обрання геометричних розмірів ступенів очищення.

6. Отримано розподіли гідродинамічних характеристик потоку в комбінованому очиснику випускних газів суден (витрата газу до 600 м³/год) для різних ступенів очистки: при роботі тільки труби Вентурі й для випадку її спільної роботи з пінним шаром (для навантажень більше 0,1 від номінального).

7. Розроблено новий універсальний стенд для досліджень газоочисників у вигляді напірної аеродинамічної труби відкритого типу, що дозволяє проводити дослідження в широкому інтервалі можливих витрат двофазного середовища й концентрації дисперсної фази.

8. На основі розробленої методики й виконаних теоретичних розрахунків розроблено типорозмірний ряд газоочисників для вловлювання масляних аерозолів систем суфлювання ГТД і систем вентиляції картера ДВЗ. Дослідження масловіддільників на експериментальному стенді показали, що коефіцієнт сумарної ефективності перевищує 99,99 % при аеродинамічному опорі 1,0...5,0 кПа.

9. Проведено експериментальні дослідження масловіддільника із трубою Вентурі для системи суфлювання ГТД 4 покоління. Установлено, що коефіцієнт сумарної ефективності перевищує 99,9 %. Вихідна концентрація масляного аерозолю на режимах витрат повітря 90...140 м³/год знизилася в три рази й склала 1,7...2,2 мг/м³ при аеродинамічному опорі 2,0...4,0 кПа. На основі результатів проведених досліджень розроблені робочі креслення труби Вентурі: УКФА ГО-МОТ-ТВ 80-90-01СБ.

10. Випробування дослідно-промислового зразка масловіддільника в складі ГТД ДГ 90 і ДН 80 показали, що коефіцієнт сумарної ефективності склав 99,99 %, втрати масла на ГТД знизилися до 0,05...0,1 кг/год замість 0,3...0,5 кг/год у штатного. Ухвалено рішення про впровадження розроблених масловіддільників у ГТД ДГ 90 і ДН 80.

11. На основі виконаних розрахунків для масловіддільника з пакетом з 10 профілів розроблені робочі креслення на масловіддільник продуктивністю 450 м³/год для газотурбінного двигуна UGT 25000. Роботи виконані для Харбінського дослідного інституту суднових котлів і турбін. Проведені випробування масловіддільника на експериментальному стенді в діапазоні витрат повітря 180...450 м³/год. Результати випробувань показали, що коефіцієнт сумарної ефективності склав 99,99 %. Втрати масла на різних режимах витрат повітря не перевищили 2,0 г/год, аеродинамічний опір не перевищив 3,2 кПа при витраті повітря 300 м³/год.

12. Для ГТД ДП 73 виготовлено дослідно-промисловий зразок масловіддільника продуктивністю 1500...2000 м³/год. Його контрольні випробування показали, що коефіцієнт сумарної ефективності очищення на всіх режимах перевищив 99,99 %. Втрати масла на двигун склали 135...400 г/год при припустимих 1000 г/год. Аеродинамічний опір масловіддільника не перевищив 8 кПа. Ухвалено рішення про впровадження масловіддільника в складі ГТД ДП 73 для проекту «Сінгапур».

13. Для досліджень комбінованого очисника випускних газів розроблено спеціальний експериментальний стенд, що являє собою аеродинамічну трубу відкритого типу з генератором газових викидів. Модельне середовище (випускні гази) готувалося за допомогою теплогенератора, у якому спалювалося дизельне паливо.

14. Виготовлено і досліджено промисловий зразок комбінованого очисника випускних газів для суден, розрахований на витрату газів 600 м³/год (ДВЗ потужністю 150 кВт). Ефективність очищення від газоподібних складових досягала: від SO₂ - 95 %; від вуглеводнів С_nH_y - 20...30 %, температура газів знижувалася від 140...149°С до 30...35°С, а ступінь зрошення труби Вентурі становила до 0,5 кг/м³.

15. Виконано розрахунок економічного ефекту від впровадження масловіддільників на суднах на повітряній подушці з двома сучасними ГТД. Він показав, що впровадження масловіддільників на двох ГТД дасть економічний ефект від зниження експлуатаційних витрат у розмірі до 261,5 тис. дол. США за п'ять років експлуатації.

16. Результати досліджень були впроваджені:

§ на Державному підприємстві «Науково-виробничий комплекс газотурбобудування «Зоря»-«Машпроект» - розпочато серійне виробництво малогабаритних масловіддільників для ГТД ДП 73 з економічним ефектом на один двигун 10 тис. грн у рік, а також серійне виробництво масловіддільників для ГТД ДГ 90 і ДН 80;

§ у навчальному процесі Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова при виконанні дипломного й курсового проектування;

§ у рамках планів міжнародного співробітництва в Харбінському дослідному інституті суднових котлів і турбін.

Список основних публікацій за темою дисертації

1. Рыжков А.С. Исследование улавливания аэрозолей в неизотермических гидродинамических коагуляторах типа труба Вентури / А.С. Рыжков // Промышленная теплотехника: Международный научно-прикладной журнал. - К., 2004. - Т. 26. - № 6. - С. 65-69.

2. Рыжков А.С. Расчет гидродинамических характеристик потока в аппаратах на основе труб Вентури / А.С. Рыжков // Зб. наук. пр. НУК. - Миколаїв: НУК, 2006. - № 6 (411). - С. 121-130.

3. Рыжков А.С. Принципиальная схема стенда для исследований маслоотделителя / А.С. Рыжков, Р.С. Рыжков // Зб. наук. пр. НУК. - Миколаїв: НУК, 2008. - № 6 (423).- С. 90-96 (здобувачу належить розробка основних структурних компонентів стенда для дослідження масловіддільників).

4. Рыжков С.С. Повышение экологической чистоты судов за счёт комбинированного очистителя выпускных газов / С.С. Рыжков, А.С. Рыжков // Зб. наук. пр. НУК. - Миколаїв: НУК, 2007. - № 2. - С. 132-138 (здобувачу належить проведення експериментальних досліджень комбінованого очисника відпрацьованих газів, аналізі отриманих даних, розробці рекомендацій з використання).

5. Сербин С.И. Совершенствование газоочистных устройств на основе моделирования газодинамических процессов / С.И. Сербин, А.С. Рыжков // Зб. наук. пр. НУК. - Миколаїв: НУК, 2008. - № 5 (422). - С. 72-81 (здобувачу належать дослідження зон турбофоретичного осадження часток на основі розрахунків і експериментів, дослідження сіткових коагуляторів і розробці методів інтенсифікації турбофоретичного переносу).

6. Рыжков А.С. Создание газоочистных устройств с использованием коэффициента гидродинамической эффективности / А.С. Рыжков // Зб. наук. Праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2009. - № 5 (428).- С. 116-121.

7. Рыжков А.С. Технологические схемы очистки в ступенях гидродинамических газоочистителей / А.С. Рыжков // Ел. видання Віснику НУК. - Миколаїв: НУК, 2010. - № 1. - С. 54-60.

8. Рыжков А.С. Комбинированный очиститель выпускных газов для судов / А.С. Рыжков: Матеріали IX Всеукраїнської наук. конф. студентів, магістрантів та аспірантів [«Екологічні проблеми регіонів України»]. - Одеса, 2007. - С. 258-259.

9. Рыжков А.С. Принципиальная схема стенда для исследований газоочистных устройств / А.С. Рыжков, Р.С. Рыжков: Матеріали XI Всеукраїнської II Міжнар. наук. конф. студентів, магістрантів та аспірантів [«Екологічні проблеми регіонів України»]. - Одеса, 2009. - С. 269-270 (здобувачу належать методики експериментальних досліджень газоочисних пристроїв, оцінка похибок вимірювання).

10. Деклараційний патент України на корисну модель № 10747. Пристрій для рідинного очищення відпрацьованих газів теплового двигуна | С.С. Рижков, О.С. Рижков; заявл. 13.06.2005; опубл. 15.11.05, Бюл. № 11 (здобувачу належить. теоретичне обґрунтування раціональних режимів роботи пристрою для рідинного очищення відпрацьованих газів теплового двигуна)

11. Рыжков А.С. Проектирование маслоотделителей на основе теоретических расчётов газодинамики потока в проточной части / А.С. Рыжков: Матеріали XI Всеукраїнської II Міжнар. наук. конф. студентів, магістрантів та аспірантів [«Екологічні проблеми регіонів України»]. - Одеса, 2009. - С. 266-268.

12. Рыжков А.С. Расчёт гидродинамических характеристик потока в газоочистных аппаратах на основе труб Вентури / А.С. Рыжков: Матеріали Всеукраїнської наук. конф. студентів та аспірантів [«Екологічна безпека держави»]. - К., 2007. - С. 131-133.

13. Рыжков А.С. Расчёт гидродинамических характеристик потока струйных ступеней газоочистных устройств / А.С. Рыжков: Матеріали Всеукраїнської наук. конф. студентів та аспірантів [«Екологічна безпека держави»]. - К., 2008. - С. 121-123.

14. Рыжков А.С. Разработка модели и расчёт гидродинамических характеристик потока в газоочистителях на основе труб Вентури / А.С. Рыжков: Матеріали 3-ї Міжнар. наук.- техн. конф. студентів, аспірантів, науковців та фахівців. - Миколаїв, 2007. - С. 170-172.

15. Рыжков А.С. Экспериментальный стенд для исследования комбинированного судового очистителя выпускных газов / А.С. Рыжков: Матеріали 3-ї Міжнар. наук.-техн. конф. студентів, аспірантів, науковців та фахівців. - Миколаїв, 2007. - С. 172-174.

Анотація

Рижков О.С. Вдосконалення газоочисних пристроїв енергетичних установок на основі моделювання гідродинамічних процесів. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 «Двигуни й енергетичні установки». - Одеська національна морська академія. - Одеса, 2010.

Розроблено узагальнену схему комплексної інтенсифікації очищення газів від високодисперсних і грубодисперсних часток гідродинамічними методами.

Для числового вираження теоретичних розрахунків уперше введений коефіцієнт гідродинамічної ефективності, що відображає загальний рівень корисної роботи газоочисних пристроїв. Коефіцієнт запропоновано використовувати для числового вираження теоретичних розрахунків потоку газу в проточній частині газоочисного обладнання. Запропоновано вважати високоефективними газоочисні пристрої з коефіцієнтом гідродинамічної ефективності понад 85 %.

Розроблено новий універсальний стенд для досліджень газоочисників у вигляді напірної аеродинамічної труби відкритого типу, що дозволяє проводити дослідження в широкому інтервалі можливих витрат двофазного середовища й концентрації дисперсної фази.

На основі запропонованої методики й виконаних теоретичних розрахунків розроблено типорозмірний ряд газоочисників для вловлювання масляних аерозолів систем суфлювання ГТД і систем вентиляції картера ДВЗ. Дослідження масловіддільників на експериментальному стенді показали, що коефіцієнт сумарної ефективності перевищує 99,99 %, аеродинамічний опір складає 1,0...5,0 кПа.

Ключові слова: гідродинаміка потоку, газоочисник, коефіцієнт гідродинамічної ефективності, ефективність очищення.

Аннотация

Рыжков А.С. Совершенствование газоочистных устройств энергетических установок на основе моделирования гидродинамических процессов. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 «Двигатели и энергетические установки». - Одесская национальная морская академия. - Одесса, 2010.

Цель работы состоит в разработке нового подхода в создании и совершенствовании газоочистных устройств на основе моделирования и расчета рабочих гидродинамических процессов, а также создании на базе полученных результатов высокоэффективных газоочистных устройств для очистки выпускных газов и улавливания масляных аэрозолей энергетических установок.

Разработка нового подхода в создании и совершенствовании газоочистных устройств на основе моделирования и расчета рабочих гидродинамических процессов проводилась на основе системного подхода. Это позволило сложную аэродинамическую систему в виде двухфазной среды, обтекающей проточную часть газоочистных устройств, исследовать поэтапно: вначале как течение в отдельных ступенях очистки, а затем газоочистного устройства в целом. Решение дифференциальных уравнений математической модели турбулентного обтекания проточной части ступеней очистки и газоочистителей производилось методом контрольного объёма. Экспериментальные исследования выполнены на специально созданных стендах в виде аэродинамических труб открытого типа с использованием метода поверхностной индикации потока; расчет концентраций дисперсной фазы осуществлялся весовым методом при помощи аналитических фильтров и фотоэлектрических счетчиков и фотометров аэрозолей.

Разработана обобщенная схема комплексной интенсификации очистки газов от высокодисперсных и грубодисперсных частиц гидродинамическими методами.

На основе созданных схем комплексной интенсификации рабочих процессов разработаны конструктивные решения для высокоэффективных гидродинамических газоочистных устройств:

- конструктивная схема высокоэффективного газоочистителя со сбросовой входной многоструйной ступенью и механическим сеточным коагулятором;

- конструктивная схема высокоэффективного газоочистителя с трубой Вентури, сбросовой входной многоструйной ступенью, механическим сеточным коагулятором;

- комбинированный очиститель выпускных газов судов с двумя параллельными ступенями очистки, защищенный патентом Украины.

Для численного выражения теоретических расчётов впервые введён коэффициент гидродинамической эффективности, отражающий общий уровень полезной работы газоочистного оборудования. Коэффициент предложено использовать для численного обобщения теоретических расчётов потока газа в проточной части газоочистного оборудования. Предложено считать высокоэффективным газоочистное оборудование с коэффициентом гидродинамической эффективности выше 85 %.

Рассчитаны гидродинамические характеристики проточной части маслоотделителей с пакетами из 6, 10 и 20 профилей производительностью от 50, 450 и до 2000 м³/ч соответственно. Проведен теоретический анализ гидродинамики потока в комбинированном очистителе выпускных газов с расходом 600 м³/ч. Расчёты в полной мере отображают гидродинамику потока в проточной части и свидетельствуют о том, что геометрические пропорции ступеней очистки выбраны рационально.

Разработан новый универсальный стенд для исследований газоочистителей в виде напорной аэродинамической трубы открытого типа, позволяющий проводить исследования в широком интервале возможных расходов двухфазной среды и концентрации дисперсной фазы.

На основе предложенной методики и выполненных теоретических расчетов разработан типоразмерный ряд газоочистителей для улавливания масляных аэрозолей систем суфлирования ГТД и систем вентиляции картера ДВС. Исследования маслоотделителей на экспериментальном стенде показали, что коэффициент суммарной эффективности превышает 99,99 %. Аэродинамическое сопротивление - 1,0...5,0 кПа.

На основе выполненных расчётов для маслоотделителя с пакетом из 10 профилей разработаны рабочие чертежи на маслоотделитель производительностью 450 м³/ч для UGT 25000. Работы выполнены в соответствии с договором № 1665 для Харбинского исследовательского института судовых котлов турбин.

Выполнены исследования маслоотделителя на экспериментальном стенде в соответствии с разработанной программой в диапазоне расходов воздуха 180...450 м³/ч. Результаты испытаний показали, что коэффициент суммарной эффективности составил 99,99 %. Потери масла на различных режимах расходов воздуха не превысили 2,0 г/час, аэродинамическое сопротивление не превысило значения 3,2 кПа при расходе 300 м³/ч.

Практическое значение полученных результатов работы состоит в разработке следующего:

...