Совершенствование противообледенительной системы воздухозаборного очистительного устройства газотурбинной установки типа ПС-90, эксплуатируемой в наземных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность: 05.02.13

«Машины, агрегаты и процессы (машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Совершенствование противообледенительной системы воздухозаборного очистительного устройства газотурбинной установки типа ПС-90, эксплуатируемой в наземных условиях

Словиков Станислав Васильевич

Ижевск - 2008

Работа выполнена на кафедре «Ракетно-космическая техника и энергетические установки» Пермского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, кафедра «Ракетно-космической техники и энергетических установок (РКТ и ЭУ)» Пермского ГТУ, Сальников Алексей Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, кафедра «Технология, конструирование и автоматизация в специальном машиностроении (ТКА)» Пермского ГТУ Ярушин Станислав Геннадьевич

кандидат технических наук, докторант, Институт прикладной механики УрО РАН, Корепанов Михаил Александрович

Ведущая организация: НПО «ИСКРА»

Защита состоится 19.12.08 в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Ижевском государственном техническом университете по адресу: Удмуртская Республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.48-а (7 учебный корпус ИжГТУ),4 этаж, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Автореферат разослан 12.11.2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

д-р техн.наук, профессор Ю. В. Турыгин

Реферируемая диссертация посвящена исследованию процесса обледенения воздухозаборного очистительного устройства (ВОУ) газотурбинной установки и усовершенствованию её противообледенительной системы.

Впервые проблема обледенения остро встала с развитием авиации в начале прошлого века. Обледенение элементов самолётов представляло собой абсолютно неизученную, сложную проблему, негативно влияющую на безопасность полета и лётно-тактические характеристики. Начало изучения процесса обледенения положили в 30-х гг. И.П.Мазин, В.Е.Минервин, Н.П.Фомин, А.Х.Хргиан. Они внесли вклад в разработку физико-метеорологических основ процесса обледенения самолетов, выделив основную причину - переохлажденные капли облаков.

Дальнейшим изучением вопроса занимались такие ученые, как Р.Х. Тенишев, А.И. Тесленко, О.К. Трунов и др., разработавшие методы расчета интенсивности обледенения различных частей летательных аппаратов. Данные методы носили упрощенный характер, применялись к телам с простой формой и стационарным полем обтекания и требовали проведения физического эксперимента.

Опираясь на теорию обледенения летательных аппаратов (ЛА), исследованием проблемы обледенения при эксплуатации газотурбинных установок (ГТУ) занимался А.Л. Кузнецова. В 80-х гг. 20 в. им был предложен упрощенный метод расчета противообледенительной системы (ПОС) для стационарных, монтируемых в закрытых помещениях, ГТУ. Однако рассматриваемые ГТУ были не авиационного типа.

В последние годы в связи с широким распространением газопроводной сети резко возросло количество создаваемых компрессорных станций, использующих быстромонтируемые газоперекачивающие агрегаты на базе ГТУ авиационного типа, в частности ПС-90. Использование ГТУ в стационарных режимах существенно изменило условия их работы. Появились дополнительные устройства - ВОУ, обеспечивающие очистку воздуха от жидких и твердых фракций.

Использование ГТУ в регионах с высоким уровнем влажности и водности приводит к возникновению интенсивного обледенения ВОУ при отрицательных температурах, несмотря на применение противообледенительных систем (ПОС), т.е. применяемая ПОС зачастую не справляется с увеличением обледенения элементов ВОУ, что приводит к вынужденной остановке ГТУ или даже аварии. В качестве решения проблемы производится вынужденная остановка ГТУ для ликвидации обледенения, при этом приходится использовать дублирующие ГТУ, что представляется экономически невыгодным.

Таким образом, исследование процессов обледенения ВОУ ГТУ является не до конца изученной проблемой. Без внимания остаются вопросы моделирования данных процессов. Не рассмотрен вопрос численного моделирования процесса обледенения элементов ВОУ, который отличается от процесса обледенения элементов ЛА режимом течения воздушного потока, малыми скоростями, турбулентностью течения.

Помимо совершенствования уже существующей ПОС необходимо рассмотреть возможности использования дополнительных средств борьбы с обледенением на входе в ВОУ, разработать достаточно простой математический аппарат экспертных оценок, позволяющий значительно сократить время оценки эффективности ПОС.

Оптимизация работы ПОС ВОУ ГТУ возможна лишь на основе изучения и моделирования газодинамических процессов в данном устройстве. В то время как проведение экспериментальных работ требует специального оборудования, установок, имитирующих водность, т.е. является затратным, применение математического моделирования как альтернатива представляется весьма перспективным. Поскольку в имеющихся на сегодня методах расчета обледенения рассматриваются только траектории движения капель и интенсивность обледенения, а изменения геометрии обледеневающей детали и поля скоростей несущего потока остаются без учета, это не позволяет адекватным образом описать процесс обледенения ВОУ ГТУ. В ГТУ многофазный влажный воздух движется в закрытых каналах со сложной геометрией и перепадами температур поверхностей элементов ВОУ. Поэтому учет физико-механических и термодинамических процессов в математической модели просто необходим. Углубление разработки математической модели позволит создать достаточно корректные методы инженерной оценки ПОС.

Актуальность исследования определяется, таким образом, недостаточной изученностью процессов обледенения устройств подготовки воздуха ГТУ стационарного размещения, выполненных на основе ГТУ летательных аппаратов, а также необходимостью моделирования процессов, происходящих в воздухозаборных очистительных устройствах ГТУ для усовершенствования противообледенительной системы ГТУ наземного размещения.

Объектом исследования диссертационной работы является воздухозаборное очистительное устройство ГТУ.

Цель исследования - изучить процесс обледенения воздухозаборного очистительного устройства ГТУ и разработать перечень рекомендаций по созданию условий, исключающих обледенение элементов конструкции тракта всаса ГТУ.

На основе изучения теории движения многофазной вязкой среды, теории фазовых переходов и методов расчета обледенения элементов самолета в работе была выдвинута гипотеза о том, что базовыми при обледенении являются термо- и газодинамические процессы, протекающие по определенным законам, которые могут быть описаны и смоделированы как закономерное взаимодействие.

В процессе работы проводились теоретические исследования отдельных составляющих ВОУ газотурбинной установки.

Диссертационное исследование проводилось на основе ВОУ газотурбинной установки ПС - 90А производства НПО «Искра».

Цель исследования определила постановку следующих задач:

- определить основные газо - и термодинамические характеристики всасывающего тракта и системы предотвращающей обледенение;

- охарактеризовать условия обледенения и разработать перечень параметров, необходимых для изучения обледенения ВОУ ГТУ;

- смоделировать процесс обледенения ВОУ ГТУ и разработать методику экспериментального исследования;

- провести численный эксперимент и предложить решения для предотвращения случаев обледенения ВОУ.

Теоретическую базу исследования составили работы известных представителей науки Ю.М Давыдова, М.Е. Дейча, А.Л Кузнецова, Л.Г Лойцанского, И.П. Мазина, Л.Т. Матвеева, М.А. Михеева, Р.И Нигматулина, В.П. Скрипова, О.К Трунова, Я.И Френкеля.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- впервые применительно к ВОУ ГТУ исследована и решена задача динамики обледенения конструктивных элементов воздушного тракта;

- разработана и реализована физико-математическая модель газодинамики многофазной вязкой среды с фазовыми переходами при обледенении элементов ВОУ ГТУ.

- разработан новый метод оценки эффективности ПОС ВОУ, полученный путем проведения численного эксперимента процесса обледенения. газотурбинный многофазный обледенение очистительный

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается общей методологической и теоретической базой исследования. В зависимости от поставленных задач в работе использовались общенаучный индуктивный метод анализа, метод математического моделирования. Для исследования процесса течения влажного воздуха с фазовыми переходами в конструктивных элементах ВОУ ГТУ используются метод подобия, проведение вычислительного эксперимента по методу «крупных частиц». В работе осуществляется привязка модели к конкретным условиям, а также определение граничных условий моделирования. Используется критерий подобия инерционного движения капли.

Теоретическая значимость проводимого исследования состоит в том, что оно вносит определенный вклад в изучение динамики процессов обледенения. Разработанная математическая модель и полученные данные об определении граничных условий моделирования газодинамических процессов в ВОУ ГТУ дополняют существующие представления о возможностях моделирования данных процессов. Процесс вычислительного эксперимента способствует дальнейшему уточнению физической модели процесса обледенения.

Практическая ценность определяется тем, что:

- экспериментально-теоретическое исследование позволило уточнить границы температурного режима работы ПОС ВОУ.

- разработанный метод оценки эффективности позволяет провести оценку конструктивного решения при проектировании ПОС ВОУ ГТУ.

- использование методики позволяет повысить эффективность ВОУ ГТУ за счет уточнения температурных режимов работы.

- использование методики позволяет выбрать и оценить эффективность конструкторских решения по совершенствованию ПОС ВОУ.

ее теоретические положения и практические результаты позволят производить инженерную оценку эффективности ПОС, разработать конструкторские мероприятия по снижению обледенения, а значит повысить работоспособность агрегата в реальных условиях эксплуатации, выполнить привязку конкретного ГТУ к географической точке местности. Намеченное направление исследования и созданная модель обледенения могут служить базой для разработки новых конструкций как ПОС, так и ВОУ ГТУ.

На защиту выносятся:

1.Результаты решения задач проблемы обледенения конструктивных элементов ВОУ ГТУ.

2. Программы и методы решения задач обледенения на входе в воздушный фильтр входного устройства ВОУ, в области после камеры фильтров тонкой очистки, камере всасывания ВОУ ГТУ.

3. Методика инженерной оценки ПОС ВОУ ГТУ, направленная на совершенствование ПОС ВОУ ГТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования отражены в 11 публикациях из них 3 в журналах рекомендованных ВАК, а также в докладах на научных и научно-практических конференциях: научной конференции аспирантов «Система подготовки научных кадров в области математического моделирования в естественных науках» в рамках ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки РФ Институт механики сплошных сред УрО РАН (Пермь, 2005), международной научной конференции «Проблемы баллистики - 2006» (Санкт-Петербург 2006), областной научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Молодежная наука Прикамья - 2007» (Пермь, 2006), в научно-технической конференции молодых специалистов НПО «ИСКРА» (Пермь,2007) и научных семинарах кафедры РКТ и ЭУ Пермского государственного технического университета.

Диссертационное исследование выполнено на базе работ по хоз. договорной тематике с НПО «ИСКРА» в период с 2004 по 2008 г. по договорам: №2004/261, дополнительному соглашению №1 к договору №2004/261, №2006/59, №2007/89, кроме того по внутривузовскому гранту в рамках инновационной образовательной программы «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета» (2007-2008 гг.).

Структура и объем исследования определены поставленной целью и задачами. Настоящая диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 112 наименований. Общий объем работы составляет 192 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определяется общее направление исследования, его актуальность, формулируются основные проблемы, цель, задачи, гипотеза работы, характеризуется материал и методы исследования, дается обоснование его научной новизны, теоретической и практической значимости.

В первой главе «Анализ причин обледенения воздухозаборного очистительного устройства газотурбинной установки» изучается характеристика атмосферного воздуха, как среды, в которой возникает обледенение, и воды, изменение фазового состояния которой и есть процесс обледенения. Рассматриваются факторы возникновения обледенения. С этой целью анализируются теоретические положения и результаты исследований разных авторов (А.Л Кузнецова, И.П. Мазина, Л.Т. Матвеева, М.А. Михеева, Р.И Нигматулина, В.П. Скрипова, О.К Трунова, Я.И Френкеля и др.).

Факторами, влияющими на возникновение обледенения, являются температура, влажность и водность атмосферного воздуха (климатические факторы), а также термо- газодинамические процессы в воздушном потоке по тракту входного устройства ГТУ.

Изучение условий существования воды в разных фазовых состояниях, показало, что в наземных условиях, основным видом осадков, вызывающим при отрицательной температуре опасное по своей интенсивности обледенение ВОУ ГТУ, когда переохлажденные капли воды, соприкасаясь с холодной поверхностью, превращаются в лед, являются туманы.

Для изучения возможности и частоты возникновения туманов при отрицательных температурах воздуха были выбраны такие регионы как: Пермский край, Саратовская, Волгоградская и Тюменская области. Выбор которых был определен фактом расположения энергетических установок на основе ПС-90 и случаями возникновения обледенения их ВОУ.

Было определено, что в зимние месяцы при отрицательных температурах среднее число дней с туманом колеблется в северных регионах (Пермь, Сургут, Уренгой) в диапазоне от 2 до 7 туманов в месяц, в южных регионах (Саратов, Волгоград) 10-15 туманов в месяц в зависимости от года наблюдения.

Основными характеристиками тумана являются водность и плотность распределения капель. Попадая в ВОУ ГТУ воздух всегда, в той или иной степени, имеет влажность, а так же может быть обводнен, то есть может содержать капли воды. Обводненный атмосферный воздух является многофазной средой, состоящей из газообразной, жидкой и твердых фаз. В этой среде происходят фазовые переходы, которые сопровождаются выделением тепла (конденсация паров, образование кристаллов льда) или его поглощением (испарение воды и таяние льда). В воздушном пространстве в момент конденсации из ядер конденсации в термодинамическом равновесии будут находиться те из них, которые имеют определенный размер. Капли с радиусом меньше этого размера будут окружены паром, который по отношению к ним ненасыщен, и, следовательно, будут испаряться. Наоборот, капли с большим радиусом будут находиться в среде перенасыщенного пара, и на их поверхности пар будет конденсироваться. Следовательно, только такие капли служат центрами конденсации и растут, а мелкие капли исчезают.

Водность туманов при отрицательной температуре находится в диапазоне от 0.02 до 0.1 г/м3. Для описания плотности распределения радиусов капель в тумане наиболее широкое распространение получила логарифмически нормальная формула, подтвержденная экспериментальными данными:

, (1)

где - средний радиус капель,

2 - дисперсия ln r .

Основным средством борьбы с обледенением в ВОУ является противообледенительная система (ПОС). ПОС осуществляет подогрев атмосферного воздуха за счет подачи горячего воздуха от компрессора ГТУ.

Как показало исследование и практика эксплуатации ПОС ВОУ ГТУ ПС-90 выпускаемая НПО «Искра» требует доработки, так как условия ее включения не всегда соответствуют условиям возникновения обледенения, при этом подаётся чрезмерно горячий воздух снижая КПД ГТУ, а так же не обеспечен необходимый обогрев всех обледеневающих элементов воздушного тракта

В целом в зависимости от производителя и модификаций конструкция ВОУ (рис. 1) может видоизменяться, но не принципиально.

Рис.1 ВОУ

Обледенение в воздушном тракте ВОУ возникает в следующих районах:

А - вход в фильтры грубой очистки

Б - байпасные клапаны

В шумоглушители

Г - углы основной камеры ВОУ

Д - вход в ГТУ.

Недостатками рассматриваемой конструкции ВОУ является:

- низкая эффективность козырька над входным устройством,

- отсутствие обогрева фильтров грубой очистки,

- низкий уровень фильтрации в фильтрах грубой очитки.

- неэффективная противобледенительная система.

Таким образом, необходимо разработать инженерные мероприятия для повышения эффективности противообледенительной системы и способы борьбы с возникновением обледенения на элементах воздушного тракта ВОУ.

Во второй главе «Особенности процесса обледенения воздухозаборного очистительного устройства газотурбинной установки стационарного размещения» для изучения процессов обледенения определяются основные уравнения, описывающие параметры воздушного потока и движущейся в нем водности, описывается и объясняется обледенение конструктивных элементов воздухозаборного очистительного устройства, определяются основные температурно-влажностные условия обледенения мультициклонов ВОУ ГТУ.

Наиболее полно динамику воздушного потока описывают уравнения движения вязкого газа Навье-Стокса. Динамику движения водности задает уравнение движения капли. Для моделирования процесса обледенения необходимо четко представлять особенности физического процесса и начальные и граничные условия. Для этого на основе данных эксплуатации ВОУ были выделены пять основных зон обледенения. Это зона «А» - на входе в фильтры грубой очистки, из-за оседания капель водности. Зона «Б» - это байпасные клапана, из-за негерметичности их закрытия. Зона «В» - шумоглушители, из-за конденсации влаги на их поверхности. Зона «Г», «Д» - углы камер ВОУ, из-за возникающих турбулентных течений и осаждения капель водности на холодных поверхностях.

Как показало изучение особенностей процесса обледенения ВОУ:

- обледенение элементов пылеочистки или влагоулавливания происходит при тех же атмосферных условиях, что и обычная гололедица на земной поверхности, т. е. при выпадении осадков в виде переохлажденного дождя или тумана, а также мокрого снега при температуре +0,5- 00С и ниже.

- конструкция ВОУ, предотвращает попадание капель большого (> 500 мкм) размера. Капли размером до 15 - 20 мкм улавливаются инерционными фильтрами, а более мелкие капли фильтрами тонкой очистки. Это может приводить к обледенению фильтров ВОУ. Капли оседают и в шумоглушителе, что так же приводит к его обледенению.

- критическим значением водности, при котором будет происходить интенсивное обледенение «циклонов» можно считать 0,02 г/м3, что характерно для слабого тумана. В этом случае обледенение приблизительно через 1 час или чуть более, в зависимости от интенсивности тумана, приведет к критичному зарастанию льдом воздушного тракта в мультициклонах.

В третьей главе «Моделирование процесса обледенения элементов воздухозаборного очистительного устройства газотурбинной установки» производится численное моделирование процесса обледенения элементов воздушного тракта ВОУ ГТУ.

Воздушный поток в ВОУ представляет собой многофазную систему, состоящую из непрерывной газообразной несущей фазы и несомых дискретных твердой (частички пыли, льда, снега) и жидкой (капли воды) фаз.

Как известно, основной задачей ВОУ является удаление дискретных фаз из циклового воздуха ГТУ для снижения износа и загрязнения проточной части газотурбинной установки. Таким образом, моделирование этих процессов, представляется важной задачей.

На современном этапе очистка воздуха от твердой фазы успешно решается применением мультициклонов и систем очистки из фильтрующих материалов.

До сих пор не решена проблема очистки воздуха от жидкой фазы при отрицательных температурах. Либо осушение воздуха требует значительных затрат энергии, что ведет к большому снижению КПД ГТУ, либо возникает обледенение элементов ВОУ, что приводит как минимум к остановке ГТУ, вплоть до поломки ГТУ при несвоевременном обнаружении наростов льда в ВОУ.

Моделирование движения твердой и жидкой фазы можно объединить, так как их движения будут описываться одинаковыми математическими зависимостями, при некоторых допущениях, различие будет в постановке граничных условий.

Для решения задачи моделирования, необходимо принять следующие допущения:

воздух моделируется как Ван-дер-ваальсовский газ;

при рассмотрении силового взаимодействия несущей и дискретной фаз учитываются только силы вязкости и силы, обусловленные продольными градиентами в потоке;

температура в объеме частиц распределена равномерно;

рассматриваемая среда является смесью пара и жидких капель равномерно распределенных в объеме паровой фазы;

реальное распределение капель по размерам описываемое нормально-логарифмическим распределением, задается через объемное содержание жидкой фазы для заданного диапазона размеров капель;

взаимодействие частиц жидкой фазы между собой не учитывается;

сжимаемостью дискретной фазы можно пренебречь.

Расчетная область задачи модифицируется с учетом реальной геометрии конструкции ВОУ ГТУ: рассматривается проекция реальной трехмерной области на двумерную расчетную область с сохранением основных особенностей геометрии конструкции, а, следовательно, и характера течения воздуха в ней.

Для решения задачи моделирования процесса обледенения используется метод крупных частиц с параметрической конечно-разностной схемой, как реализующий наиболее адекватный подход при решении полных уравнений газовой динамики и хорошо зарекомендовавший себя при решении различных задач.

Математическое моделирование движения двухфазной среды связано с упрощением реальной картины среды. Исходная разрывная среда превращается в фиктивную неразрывную среду. В этом случае предполагается, что каждая из фаз равномерно распределена в выделенном объеме и является сплошной.

Каждой точке смеси поставим в соответствие приведенные плотности фаз:

i=iiи, (2)

где iи- истинная плотность i - ой фазы, i - объемное содержание i - ой фазы.

Объемное содержание жидкой фазы (2) определяется, во-первых, водностью поступающего воздуха (В), во-вторых, логарифмически нормальным распределением капель по размерам, характерным для туманов при отрицательной температуре.

, (3)

где f(rmax ,rmin )- логонормальная плотность распределения радиусов капель в диапазоне от rmax до rmin.

В результате эксплуатации ВОУ ГТУ, было выявлено основное место возникновения наледи в воздушном тракте, где наиболее быстро происходит образование льда и зарастание сечения воздушного тракта, это вход в воздушный фильтр типа «циклон». Таким образом, основной областью моделирования обледенения стало именно вход в «циклон». Проекция входа в «циклон» на расчетную область представлена на рис. 2

Рис. 2 Расчетная область проекции входа в «циклон»

На границах AB,BC,AH создаются фиктивные области для исключения влияния границ на непосредственно течение на входе. В свою очередь на границах областей находящейся за АВ и АН задается условие массового прихода. На границе области находящейся за ВС задается условие непротекания. На границах HG,GF,FE,CD задается условие прилипания. На границе ED задается условие массового расхода воздуха.

Для учета обледенения, на соответствующих поверхностях выставлялись условия прилипания и велся учет накопления объемной доли воды . При заполнении ячейки водой, определяемого размером капли, текущая расчетная ячейка превращалась в фиктивную.

При образовании льда, краевые условия на данной границе выставлялись по потоку, т.е. из соседних ячеек выбиралась та, направление потока, в которой наименее отклоняется от направления к центру фиктивной ячейки, и далее характеристики из этой расчетной ячейки использовались для занесения условий в фиктивную ячейку.

Следующей рассматриваемой областью является область после фильтров тонкой очистки представленная на рис.3.

Рис. 3 Область камеры фильтров тонкой очистки

В данной области предполагается отсутствие непосредственно капель водности, но из-за понижения температуры может происходить конденсация воды и десублимация льда на поверхностях камеры.

Следующая область исследования - это основная камера всасывания ВОУ. Начальные данные для нее брались из результатов полученных для камеры фильтров тонкой очистки.

Вешний вид и параметры расчетной области представлен на рис 4.

Рис. 4 Камера всасывания

Физико-математическая модель процесса реализована в трех программах на языке программирования Си++. Программы откомпилированы для расчета на персональном компьютере под управлением операционной системы «Windows XP». Каждая программа относится к наиболее опасным с точки зрения обледенения районам воздушного тракта ВОУ ГТУ.

Первая программа “Сiklon” реализует физико-математическую модель газо- термодинамических процессов на входе в фильтр воздушной очистки типа «циклон».

Вычислительный алгоритм модуля реализует модель двухфазного течения с моделированием обледенения на поверхностях обтекаемых воздушным потокам элементов. Устойчивость счета достигается созданием фиктивных областей, использованием постоянных шагов по пространству, малым шагом по времени, обезразмериванием параметров.

Вторая программа «Filtr» имеет алгоритм аналогичный приведенному выше, за исключением особенностей задания начальных условий, определяемых конструкцией фильтров из фильтрующего материала.

Третья программа «Camera», так же построена по аналогичному алгоритму и реализует физико-математическую модель процессов в камере всасывания.

Результаты работы программ представляют собой массивы данных, сохраненных в виде отдельных файлов для каждого параметра каждой фазы. Данные из этих файлов в дальнейшем могут быть обработаны и представлены в графическом виде.

В четвертой главе «Повышение эффективности противообледенительной системы воздухозаборного очистительного устройства газотурбинной установки» путем разработки инженерных мероприятий предлагаются способы повышения эффективности противообледнительной системы и исключения случаев обледенения ВОУ ГТУ ПС-90.

Было проведено исследование входного устройства с использованием программы «Ciklon» для последующего совершенствования уже существующих ВОУ для ГТУ ПС - 90.

Для водности (В), чаще всего присутствующей при отрицательных температурах, на уровне 0.1 г/м3 получены следующие результаты моделирования (рис. 5). Отсюда следует, что во влажном воздухе с содержанием водности 0,1 г/м3 образование льда начинается через 7 минут на внутренней стенке «циклона», через 10 минут происходит зарастание проходного сечения приблизительно на 50 % и к 12 минутам вход в «циклон» практически полностью зарастает.

Рис.5 Результаты моделирования обледенения входа в фильтр типа «циклон»

Таким образом, проведенное моделирование подтвердило необходимость создания эффективного средства осаждения водности при наличии тумана в атмосфере, иначе в условиях возникновения обледенения будет происходить аварийная остановка ГТУ. Это особенно актуально вследствие отсутствия каких-либо средств обогрева мультициклонных блоков.

Численное исследование области камеры фильтров тонкой очистки проводилось с использованием программы «Filter».

Для фильтров камеры тонкой очистки ВОУ предполагается отсутствие непосредственно капель водности, но из-за понижения температуры может происходить конденсация воды и десублимация льда на поверхностях камеры. Таким образом, интерес в данной области представляют поле скоростей (рис.6) и температур (рис.7).

Рис.6 Поле скоростей для камеры фильтров тонкой очистки

Рис. 7 Поле температур (К) камеры фильтров тонкой очистки при температуре атмосферного воздуха -100С.

По результатам моделирования мы можем сделать вывод, о понижении температуры воздуха в данной области на 20С и появления вероятности возникновения наледи в углах камеры, где низкая скорость воздушного потока.

Численное исследование области основной камеры всасывания проводилось с использованием программы «Camеrа». Здесь использовалась проекция реальной камеры на плоскость (рис.8)

Рис.8 Поле скоростей и температур камеры всасывания

Понижение температуры в камере всасывания относительно температуры атмосферного воздуха(-100С) составляет в центре и на поверхности порядка 5 0С и на входе в ГТУ достигает 8 0С, что так же, как и в камере фильтров тонкой очистки, может при высокой влажности воздуха привести к возникновению фазовых переходов и образованию льда, особенно в углах камеры, где скорость воздуха относительно основного потока ниже.

Математическое исследование уже существующего ВОУ, показало, что при поступлении атмосферного воздуха в ВОУ ГТУ и его движении по входному тракту при отрицательных температурах наблюдается возникновение наростов льда и снега в различных местах ВОУ, что приводит к изменению проходного сечения воздушных каналов. Нарастающий лед со временем будет отламываться и попадать в компрессор ГТУ, что ведет к его повреждению. Использование при проектировании ГТУ разработанной математической модели позволит создавать более совершенные ВОУ, учитывать тип ГТУ и климатические условия региона расположения.

Одним из возможных способов уменьшения водности воздуха перед входом в ВОУ ГТУ является установка нескольких уровней мелкоячеистых решеток.

Для решеток предложены следующие размеры:

1 уровень - проволока ? = 0,8 мм с размером ячеек х = 3 мм

2 уровень - проволока ? = 0,5 мм с размером ячеек x =2 мм

3 уровень - проволока ? = 0,1мм с размером ячеек x = 1 мм

При расположении решеток по уровням следует руководствоваться следующими положениями:

- минимальное расстояние между уровнями должно быть больше размера звена решетки, чтобы лед максимально нарастал вдоль направления воздушного потока;

- расстояние между уровнями должно обеспечивать ламинарность потока воздуха для снижения аэродинамического сопротивления решеток;

- максимальное расстояние между уровнями определяется удобством монтажа.

На основании расчетов был построен график снижения водности с использованием предложенных решеток (рис. 9).

1 - водность тумана 0.09 г/м3, 2 - водность тумана 0.05 г/м3, 3 - водность после решеток при тумане с водностью 0.09 г/м3, 4 - водность после решеток при тумане с водностью 0.05 г/м3.

Рис. 9 График зависимости снижения водности от размеров капель

Данный способ представляется наиболее экономически выгодным и достаточно эффективным первоначальным способом снижения водности воздуха, с последующим комбинированным осушением воздуха с использованием как механической очистки воздуха от капель, так и осушения воздуха путем его подогрева.

Нами предложена методика инженерной оценки эффективности ПОС выполняемая по следующим этапам:

Этап I. Перед оценкой эффективности ПОС, необходимо оценить с противообледенительной точки зрения непосредственно конструкцию ВОУ. Данная оценка включает в себя следующие шаги:

Проверить наличие средств защиты от обледенения всех элементов воздушного тракта ВОУ.

Оценить теплозащищенность стенок ВОУ.

При конструировании необходимо обеспечить тепловую изоляцию стенок воздушного тракта ВОУ. Важным параметром в этом случае является термическое сопротивление теплопроводности стенки. Если она менее 0.002 Вт/м2, то необходимо признать низкую противообледенительную эффективность самой конструкции ВОУ.

3. Оценить эффективности распределения горячего воздуха в ВОУ

Введем kg - коэффициент отбора воздуха в систему ПОС, определяемый по формуле:

, (4)

где gg - расход горячего воздуха; G - расход воздуха ГТУ.

Для оценки неравномерности используем коэффициент, определяемый по формуле:

, (5)

где gN номинальный расход горячего воздуха; gi фактический расход горячего воздуха i-ым соплом; M - общее количество сопел.

Чем больше кn тем больше kg должен быть для достижения необходимой величины T. Отсюда расход для реализации T на заданном расстоянии должен быть увеличен на значение кn:

kgf = kg(кn +1), (6)

tг=f(ta).

Таким образом, данный коэффициент поможет определить неэффективность конструкции ВОУ. С учетом того что температура подаваемого горячего воздуха является функцией от температуры атмосферного воздуха tг=f(ta) получаем следующую плоскость представленную на рис.10.

Границы плоскости определяются температурным диапазонном включения ПОС, например как представлено на рис.10 от 0 до 200С с одной стороны. и значениями кg полученными при идеальном случае, то есть при kn = 0 и фактическим knf для рассматриваемой ПОС например kn = 1 как показано на рис.10. Оценкой неэффективности будет площадь проекции плоскости представленной на рис.10. на плоскость кg

Она определится путем вычисления определенного интеграла

, (7)

При I не равном 0 в таком ВОУ будут возникать места, где будет образовываться наледь. Это в основном самые удаленные от ввода горячего воздуха в ПОС места в ВОУ. Проведенное математическое моделирование показало, что для предотвращения обледенения и эффективного использования горячего воздуха I должно быть не более 0.1.

Рис.10 Плоскость реализации заданного повышения температуры воздуха (?T=60С) в ВОУ при различной коэффициенте неравномерности распределения

Этап II. Оценка эффективности непосредственно самой противообледенительной системы. Характеризуют ПОС два основных коэффициента: kB,k%.

1. Эффективность снижения водности

, (8)

где B0 -- водность атмосферного воздуха(г/м3);Bk - водность в ВОУ(г/м3).

2. Эффективность снижения влажности с учетом скорости воздуха на входе в ГТД и наличия внутри ГТД собственных средств защиты от обледенения. Эффективность снижения влажности может быть определена по формуле:

, (9)

где 0 относительная влажность на входе в ВОУ; k - относительная влажность на входе в ГТД.

Также следует оценить максимальный размер капель попадающих в ВОУ, то есть эффективность входного устройства, как средства борьбы с водностью присутствующей в атмосфере.

Эффективность входного устройства определится кривизной воздушного потока на входе и размерами козырьков входного устройства ВОУ.

Максимальный размер капель может быть определен из формулы полученной путем аппроксимации уравнения движения капли.

, (10)

где Y - расстояние от центра входа воздушного потока в ВОУ до центра плоскости входа под козырек; w - скорость воздушного потока, (м/с),

угол между плоскостью входа под козырек и линей проведенной от центра данной плоскости до центра входа воздушного потока внутрь ВОУ.

Из (10) можем определить минимально необходимую температуру подогрева Tmin

, (11)

где L - средняя длина воздушного тракта от места ввода горячего воздуха до воздушных фильтров, м,

h=B/0.22 - среднее расстояние перемешивания горячего и холодного воздуха.

rmax радиус капли полученный из (6), мкм;

К коэффициент, характеризующий тепло- и массообмен капли с окружающей средой, в нашем случае примерно равный 0,001 с°С/мкм 2.

Отсюда мы видим, что необходимо обеспечить как можно меньшее размер капель попадающих в ВОУ

Так как основная задача ПОС это эффективная борьба с обледенением при минимальных затратах энергии, то необходимо рассмотреть влияние ПОС на к.п.д. ГТД.

Коэффициент полезного действия для нашего случая зависит, в конечном итоге, от разности температур, которую обеспечивает ПОС при осушении воздуха.

Температура фактического подогрева определится как:

Tр =Tсм - Тs , (12)

где Tсм-- температура смеси атмосферного воздуха и горячего воздуха, K;

Тs-- температура атмосферного воздуха, K;

Если Тр<Тmin такая температура недостаточна и будет происходить обледенение фильтров.

Тр>Тmin - такая температура избыточна и ведет к неэффективному расходу горячего воздуха.

Отсюда коэффициент эффективности расхода горячего воздуха определится как:

, при (Тр<Тn); ,при (Тр>Тn). (13)

Случай, когда Тр<Т, является недопустимым, так как ведет к быстрому засорению воздушных фильтров льдом.

Введем kg - коэффициент отбора воздуха в систему ПОС:

, (14)

где gg - расход горячего воздуха; GB - расход воздуха ГТУ.

Для оценки эффективности ПОС ВОУ введем величину снижения к.п.д. при использовании ПОС и без включения ПОС:

,

ig=i kg, (15)

Tg3=T3+Тр,

где - внутренний относительный к.п.д. ГТУ

Итак, порядок определения эффективности ПОС следующий:

1) строим график функции k%(Т), используя (9) (рис.11);

2) строим график функции (Т), применяя (14) (15) (рис.11);

3) определяем Тmin , применяя (8) и (9), представляем результаты на графике.

4) оцениваем эффективность ПОС по данным графика.

Если Т пресекает график k%(Т) ниже значения 0.2, то возможно говорить об эффективности ПОС.

Если Т пресекает график k%(Т) выше значения 0.2, то тогда необходимо признать неэффективность конструкции ВОУ и необходимость внедрения средств снижения размера попадающих в ВОУ капель.

Рис. 11 Оценка эффективности ПОС ВОУ

5) выбор средств снижения размеров капель среди следующих:

- изменение конструкции козырька;

-установка дополнительных противообледенительных решеток;

- возможное изменение организации подогрева.

6) оцениваем величину к.п.д. из за ПОС.

Взяв либо расчетную Тр для разрабатываемой ПОС, либо измерив Т для уже существующей ПОС, сравним с минимально возможной Тmin. Если расчетная или измеренная Т находится в области kТ- , то такая ПОС не эффективно справляется с водностью и обледенением. Если при этом линия пересекает график k%(Т) ниже отметки 0.1, то неэффективна данная ПОС и в для снижения влажности.

Если измеренная или расчетная Тр находится в области kТ+ , то такая ПОС эффективна. Но чем дальше отстоит от линии Тmin линия Тр ,тем эффективность ПОС ниже с точки зрения экономичности.

Данную эффективность можно определить по формуле (13), а так же оценить величину снижения к.п.д. . при включении ПОС.

Необходимо отметить, что использование решеток позволяет существенно сдвинуть линию Тmin вправо, так как rmax становится менее 30 мкм.

Несмотря на то, что предлагаемая инженерная методика является упрощенной и не учитывает ряд специфических технических и эксплуатационных факторов, влияющих на эффективность использования ПОС, она позволяет оценочно определить данную эффективность и, в дальнейшем, совершенствовать ее с применением математического и натурного моделирования.

В заключении обобщаются основные результаты проведенного исследования. Выполнен анализ теоретической литературы по проблеме возникновения обледенения в воздушном тракте воздухозаборного очистительного устройства газотурбинной установки стационарного наземного размещения, рассмотрены различные основные типы существующих конструктивных решений ВОУ, а также пути совершенствования противообледенительной системы на основе практики известных исследований и проведенных автором численных исследований.

Исследованы технологические процессы работы ПОС ВОУ ГТУ.

Разработаны: физико-математическая модель процесса обледенения конструктивных элементов воздушного тракта ВОУ; новая конструкция ПОС с системой защиты от обледенения входного устройства в ВОУ ГТУ.

Впервые приведены результаты численных экспериментальных исследований ряда элементов воздушного тракта ВОУ.

Разработаны и опробованы технические требования к противообледенительным системам ГТУ, подготовленные на основе разработанной физико-математической модели.

Впервые предложены технические усовершенствования ПОС для предотвращения обледенения всего воздушного тракта ВОУ ГТУ, защищенные положительными решениями при конструировании новых ВОУ ГТУ НПО «Искра».

Созданные методики расчета процесса обледенения ВОУ согласуются с опытом их эксплуатации.

Разработанные теоретические положения опробованы экспериментально. Результаты эксперимента анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей.

Разработанные в диссертационной работе методы численного исследования процесса обледенения элементов ВОУ позволяют повысить эффективность проведения НИР и ОКР при создании новых образцов ВОУ и модернизации известных в КБ предприятий отрасли, повысить качественные результаты разработок.

На основе технических требований разработана методика инженерной оценки эффективности создаваемой или уже созданной противообледенительной системы.

Полученные автором решения задач теории расчета и моделирования обледенения ВОУ позволяют существенно сократить объем экспериментальных исследований или полностью их исключить, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на отработку изделий.

Разработанные системы защиты от обледенения позволяют поднять качественные показатели ПОС, повысить их эффективность Результаты экспериментальных исследований явлений и процессов, приведенные в работе, представляют практический интерес при проектировании новых и модернизации известных устройств и механизмов ВОУ ГТУ, позволяют уточнить представление о протекающих процессах, сопутствующих процессам обледенения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ АВТОРА

Словиков C.В., Cальников А.Ф. Исследование проблемы обледенения воздухозаборного очистительного устройства газотурбинной установки. // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование.Т.4: Сб. трудов.- СПб. Изд-во Политехн. ун-та, 2006а. - С.179 - 182

Словиков С.В., Сальников А.В. Применение дополнительных решеток на входе воздухозаборного очистительного устройства газотурбинной установки. // Сборник материалов международной конференции «Проблемы баллистики-2006».Т.1:.- СПб. Изд-во БГТУ, 2006б. - С. 185 - 188

Словиков С.В. Работоспособность воздушного фильтра типа «циклон» в условиях отрицательных температур и наличия водности в атмосферном воздухе.// Молодежная наука Прикамья. Вып.8: сб. науч.трудов.- Пермь: изд-во Перм.гос.тех.ун-та, 2007. - С. 165-169

Словиков С.В., Сальников А.Ф. Математическое моделирование процесса обледенения фильтров устройств подготовки воздуха в условиях тумана. //Наука и технологии. Труды XXVII Российской школы, посвященной 150-летию К.Э. Циолковского , 100-летию С.П.Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. академика В.П. Макеева». - М.:РАН,2007. - С.131-140

Словиков С.В. Работоспособность фильтров входного тракта ГПА // Газовая промышленность: науч.-техн. и производств. журн./учередитель ОАО «Газпром» -М.:Газоил пресс, №11,2007. - С.76-78

Сальников А.Ф., Словиков С.В. Борьба с обледенением фильтров-кассет воздухозаборного очистительного устройства ГПА // Газовая промышленность: науч.-техн. и производств. журн./учредитель ОАО «Газпром» -М.:Газоил пресс, № 4, 2008. - С.54-56

Словиков С.В., Сальников А.Ф., Болдырев К. E. Математическое моделирование термо - и газодинамических процессов в воздухозаборном очистительном устройстве газоперекачивающего агрегата с учетом обледенения // Газовая промышленность: науч.-техн. и производств. журн./учредитель ОАО «Газпром» -М.: Газоил пресс, №6, 2008 - С.40-43.

Определение (уточнение) основных характеристик системы, предотвращающей обледенение элементов всасывающего тракта ГТУ (ПОС -2004): Отчет о НИР (промежуточный)/НПО «Искра»; рук. Сальников А. Ф.: исполн.: Словиков С. В. - Пермь, 2005. - 30 с.

Определение (уточнение) основных характеристик системы, предотвращающей обледенение элементов всасывающего тракта ГТУ (ПОС -2004): отчет о НИР (промежуточный)/НПО «Искра»; рук. Сальников А. Ф.; исполн.: Словиков С. В. - Пермь, 2006. - 49 с.

Определение основных температурно-влажностных условий обледенения мультициклонов в устройстве подготовки воздуха ГПА.: Отчет о НИР/НПО «Искра»; рук. Сальников А. Ф.: исполн.: Словиков С. В. - -Пермь, 2007. - 31с.

Определение (уточнение) основных характеристик системы, предотвращающей обледенение элементов всасывающего тракта ГТУ (ПОС -2004): Отчет о НИР (заключительный)/НПО «Искра»; рук. Сальников А. Ф.; исполн.: Словиков С. В. - -Пермь, 2008. - 105с.

Размещено на Allbest.ru

...