Основы формирования семейства модельных ступеней центробежных компрессоров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, доктор технических наук Солдатова, Кристина Валерьевна

• Солдатова, Кристина Валерьевна
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Солдатова, Кристина Валерьевна

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ 25 ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ

1.1. Анализ потребности отечественной промышленности в 25 центробежных компрессорах

1.2. Классификация методов проектирования и расчета 31 ступеней и компрессоров

1.3. Проектирование центробежных компрессоров по подобию

1.4. Проектирование центробежных компрессоров по 36 оценочным характеристикам ступеней

1.5. Проектирование проточной части ступеней

1.6. Оптимизация размеров ступени в контрольных сечениях

1.7. Профилирование элементов ступеней

1.8. Расчет газодинамических характеристик ступени 56 (компрессора)

1.9. Известные ряды модельных ступеней

1.10. Актуальность создания банка модельных ступеней

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДА

УНИВЕРСАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1. Основные уравнения математической модели потерь 68 напора четвертого поколения

2.2. Возможности программ Метода универсального 79 моделирования

2.3. Направление совершенствования алгоритмов и 100 компьютерных программ Метода универсального моделирования

ГЛАВА 3. ПРОЕКТНАЯ ПРАКТИКА МЕТОДА 102 УНИВЕРСАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

3.1. Области применения Метода универсального моделирования

3.2. Модельные ступени, созданные расчетами по программам 112 4-го поколения

ГЛАВА 4. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И ПРАКТИКА 129 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ МЕТОДА УНИВЕРСАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

4.1. Направления развития Метода

4.2. Входной патрубок

4.3. Рабочее колесо

4.4. Безлопаточный диффузор и другие осесимметричные 151 безлопаточные участки

4.5. Выбор вида КПД для идентификации модели потерь 159 напора

4.6. Уточнение способа схематизации диаграмм обтекания 166 лопаток рабочего колеса

4.7. Учет шероховатости поверхностей

4.8. Другие особенности модели потерь напора в программах 172 5-го поколения

4.9. Особенности идентификации математической модели 5-го 173 поколения

4.10. Идентификация модели потерь по данным испытания 180 ступеней серии 20СЕ

ГЛАВА 5. СОЗДАНИЕ БАНКА ДАННЫХ МОДЕЛЬНЫХ 193 СТУПЕНЕЙ

5.1. Моделирование характеристик центробежных 193 компрессоров по компьютерным программам 5-го поколения

5.2. Банк данных модельных ступеней

5.3. Пример использования банка данных модельных ступеней

5.4. Результаты работы. Экономический эффект

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Основы формирования семейства модельных ступеней центробежных компрессоров»

Центробежные компрессоры применяются для обеспечения многих производственных процессов: для сжатия газов в химической, нефтяной, газовой и машиностроительной промышленностях, на транспорте и в металлургии, геологии, геодезии, строительстве, агропромышленном комплексе, в доменном производстве, производства аммиачных удобрений, пластмасс, получения продуктов нефтехимии, при добыче нефти и газа, на магистральных газопроводах, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в газотурбинных установках, для получения сжатого воздуха, имеющего силовое назначение (пневматический инструмент, молоты, прессы). На привод центробежных компрессоров приходится значительная доля всей потребляемой энергии. Следовательно, проблема оптимального проектирования центробежных компрессоров имеет очень большое значение.

Компрессорная техника имеет большое значение в новых перспективных направлениях развития техники и технологии: в космонавтике, робототехнике, производстве искусственного топлива. Сердцем большинства технологических установок является компрессор. От эффективности и надежности его работы зависят КПД и долговечность установки в целом [85].

Мировой рынок компрессоров постоянно увеличивается. Более быстрый рост наблюдается в Европе, Азии и Северной Америке. В целом, как свидетельствует статистика, объем местного рынка компрессоров прямо пропорционален индустриализации страны или региона, а его рост темпам обновления машинного парка, т. е. модернизации и расширению производства. Именно эти факторы определяют спрос на компрессорное оборудование. В нашей стране спрос на компрессоры более-менее постоянный и растет из года в год из-за того, что парк компрессоров морально и физически устарел, и потому нуждается в обновлении [84].

По оценкам специалистов в России и странах СНГ эксплуатируются свыше 500 тыс. промышленных компрессоров, которые вместе с вентиляторами и насосами потребляют около 20% вырабатываемой электроэнергии. Только газотранспортная система ОАО «Газпром» на 2011 год включает 150 тыс. км газопроводов, около 700 компрессорных цехов, более 4270 установленных газоперекачивающих агрегатов (ГПА) суммарной мощностью более 47,6 млн. кВт. [56, 57, 68, 69, 70, 71, 72, 73]. Основной тип применяемых ГПА - центробежные компрессоры, однако значительная часть парка компрессоров физически и морально устарела. Поскольку с течением времени параметры газопроводов изменяются и уже не соответствуют газодинамическим характеристикам установленных компрессоров, необходима замена проточной части - при этом эффективно применение сменных проточных частей (СПЧ).

Область применения промышленных центробежных компрессоров раньше ограничивалась умеренными давлениями, ступени компрессоров работали в диапазоне оптимальной быстроходности и коэффициентов напора, значения критерия сжимаемости были умеренными, сейчас это не так.

Потребность промышленности в расширении номенклатуры центробежных компрессоров приводит к необходимости сокращения сроков проектирования. За последние годы в связи с прогрессом экспериментальных и расчетных методов изменились методы проектирования, доводки и расчета характеристик компрессоров [65, 66]. На кафедре КВХТ СПбГПУ создан Метод универсального моделирования, который позволяет осуществлять оптимальное газодинамическое проектирование и расчет характеристик центробежных компрессоров. В этом направлении работают и другие отечественные организации и специалисты [39, 40, 41].

Комплекс программ Метода универсального моделирования широко применяется на практике. С его помощью создано, в частности, новое поколение центробежных нагнетателей и СПЧ для газовой промышленности. Как известно, ранее газовой промышленности поставлялись в основном машины, оснащенные лопаточными диффузорами. Новое поколение машин имеет в основном безлопаточные диффузоры, которые обеспечивают ряд важных преимуществ. По газодинамическим проектам кафедры КВХТ выпущено более 20 типов компрессоров и СПЧ нового поколения. С учетом более ранних проектов в промышленности РФ и других стран в 2010 г. работало около 430 центробежных компрессоров и СПЧ более пятидесяти типов общей установленной мощностью 4,3 млн. кВт [3, 66].

В работе [73] анализируются потребности в компрессорной технике. Отмечая быстрое развитее газотранспортных технологий, авторы делают вывод: «.получают развитие технологии добычи и транспорта газа, совершенствуются разные виды энергопривода, но во всех проектах компримирование газа остается базовым элементом любых технологий».

Автор указывает [73]: «Можно видеть значительную неравномерность ввода мощностей: наиболее интенсивно (2,5 млн. кВт/год) мощности вводились в 1979-88 гг. Это сильно осложняет обновление парка, требующееся в настоящее время, т.е. через 20-25 лет эксплуатации агрегатов. Так, в 1996-2003 гг. реконструкция (модернизация) компрессорных цехов была осуществлена в объеме 4,94 млн. кВт (322 ГПА), т.е. с темпом около 1 млн. кВт/год, что совершенно недостаточно сейчас и в ближайшей перспективе».

Анализ опыта эксплуатации компрессорных машин показывает, что в результате несвоевременного выявления дефектов и износа компрессоров, значительно снижается КПД, срок службы и увеличивается вероятность поломки компрессора. Предупреждение возникновения серьезных аварий обусловливает необходимость применения более достоверных численных решений и обоснованного прогноза работоспособности машин.

В условиях рыночных отношений изменилась и идеология системы обслуживания компрессоров. Предприятия отказались от плановой замены и ремонта компрессорного оборудования, и перешли на систему обслуживания «по состоянию».

В процессе эксплуатации на перекачивающих станциях центробежные компрессоры часто работают в режимах, далеких от оптимальных параметров. Если максимальный КПД и находится на высоком современном уровне, то его не удается реализовать в течение продолжительного времени работы компрессорной машины, в связи с этим потери, вызванные снижением КПД, приводят к большим перерасходам энергии. Уменьшить эти потери можно двумя способами: во-первых, на стадии проектирования учитывая реальный характер графиков загрузки; во-вторых, создавая СПЧ для замены в процессе эксплуатации компрессорного оборудования [85].

Важность работ в области газовой динамики промышленных центробежных компрессоров связана с несколькими обстоятельствами. Суммарная установленная мощность этих машин очень велика, поэтому энергетическая эффективность рабочего процесса имеет огромное значение. Большую роль играет надежность методов проектирования, т.е. возможность обеспечить заданные производительность и отношение давлений при высоком КПД и требуемой напорной характеристике уже на стадии проектирования. Требование надежности метода проектирования обусловлено еще и тем, что большинство типов центробежных компрессоров выполняется по индивидуальным проектам для конкретных заказчиков.

Наборы проверенных модельных ступеней дают возможность проектировать новые компрессоры очень быстро и с высокой степенью надёжности. Но запросы потребителей компрессоров не всегда могут быть удовлетворены за счёт имеющегося набора модельных ступеней, кроме того, новые идеи и методы дают возможность создавать более эффективные модельные ступени и проточные части компрессоров.

Эксперименты с альтернативными вариантами проточной части являются обычным способом поиска лучшего решения. Однако высокая стоимость экспериментов и значительные затраты времени на их подготовку и проведение ограничивают число сопоставляемых вариантов настолько, что эту процедуру нельзя рассматривать как процесс оптимизации.

Большое количество экспериментов, проведённых за годы деятельности кафедры КВХТ, позволило в совершенстве изучить суть физических явлений, происходящих в проточной части центробежного компрессора, разработать соответствующую теорию. С использованием накопленной информации на кафедре были разработаны математические модели (Метод универсального моделирования), позволяющие предсказывать характеристики ступени центробежного компрессора по её геометрическим параметрам и безразмерным критериям подобия, таким как коэффициент расхода, показатель изоэнтропы газа, число Маха, число Рейнольдса. На основе этих моделей был создан ряд программ для проектирования и оптимизации центробежных компрессоров. Программы показали свою высокую эффективность при создании компрессоров газоперекачивающих агрегатов (ГПА) нового поколения [3]. Компрессора нового поколения - это машины создаваемые кафедрой КВХТ СПбГПУ с использованием компьютерных программ Метода универсального моделирования начиная с 1990 гг.

Приведенная информация подтверждает большую потребность отечественной промышленности в новых центробежных компрессорах разных параметров, что делает актуальными развитие эффективных методов газодинамического проектирования. Практика проектирования ЦК в любом случае базируется на обобщенных данных экспериментов. Наиболее быстрый и надежный путь - это проектирование с использованием характеристик заранее отработанных модельных ступеней.

Объектом исследования являются вопросы газодинамического расчета и проектирования центробежных компрессоров, проточные части промышленных центробежных компрессоров и модельные центробежные компрессорные ступени.

Предметом исследования является совершенствование методов расчета газодинамических характеристик центробежных компрессоров, анализ результатов испытания промышленных центробежных компрессоров нового поколения, уточненное моделирование их газодинамических характеристик, разработка банка данных модельных ступеней взамен дорогостоящих модельных ступеней, отрабатываемых путем испытаний на экспериментальных установках.

Научная проблема заключается в разработке научных основ расчета характеристик модельных ступеней Методом универсального моделирования на основе экспериментальных данных по газодинамическим характеристикам ряда натурных центробежных компрессоров и сменных проточных частей.

Целью исследования является создание модельных центробежных компрессорных ступеней и банка данных этих ступеней для использования в проектах новых компрессоров.

Актуальность рассматриваемой проблемы. Создание новых модельных ступеней с их экспериментальной отработкой - это длительный и дорогостоящий процесс. По данным американской проектно-конструкторской организации Concept ETI создание одной ступени стоило от 180 до 240 тысяч долларов США в ценах 90-х гг. [81], поэтому имеющиеся у предприятий наборы из многих десятков модельных ступеней используются очень длительное время. Естественно, в их проточной части (ПЧ) не отражены современные возможности повышения эффективности и некоторые современные требования. В распоряжении отечественных предприятий нет новых рядов модельных ступеней. Кроме того, имеющиеся ступени не всегда отвечают газодинамическим параметрам и конструктивным ограничениям новых компрессоров. Банк данных модельных ступеней нового поколения даст возможность быстро создавать газодинамические проекты центробежных компрессоров на современном техническом уровне.

В процессе выполнения работы необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ состояния эффективности методов математического моделирования;

2. Разработать теоретические положения совершенствования методов математического моделирования газодинамических характеристик;

3. Собрать информацию о результатах испытания компрессоров нового поколения;

4. Провести анализ данных экспериментальных исследований центробежных компрессоров, созданных Методом универсального моделирования;

5. Произвести идентификацию математических моделей напора и потерь напора для наиболее точного описания результатов испытания компрессоров;

6. На этой основе уточнить компьютерную программу расчета характеристик ступеней, входящих в состав компрессоров нового поколения и создать банк данных этих ступеней для использования в проектах новых компрессоров.

Методы исследования. При анализе расчетных и экспериментальных данных по ступеням, при создании ряда модельных ступеней использованы основные положения термодинамики, механики жидкости и газа, теории подобия, теории турбомашин, методов математического моделирования, оптимизации, экспериментальных исследований.

Основным методом исследования, который предполагается использовать в работе, является обработка данных по имеющимся компрессорам и ступеням методом математического моделирования.

Научная новизна.

До применения Метода универсального моделирования в проектной практике промышленные центробежные компрессоры не создавались без экспериментальной проверки их проточных частей на моделях. В результате проектной деятельности кафедры КВХТ СПбГПУ испытаны и поставлены потребителям десятки типов компрессоров, ступени которых не имеют испытанных аналогов. Это позволило впервые путем уточненного расчета характеристик создать банк данных модельных ступеней, что само по себе можно считать научной новизной.

На основе опыта использования Метода универсального моделирования в проектной практике установлено направление его возможного усовершенствования и предложены новые научные подходы в том числе:

- предложена новая зависимость для учета влияния условного числа Россби на положение точки отрыва и потери смешения;

- разработана методика учета влияния протечек в лабиринтном уплотнении покрывающего диска на параметры потока в рабочем колесе;

- предложена усовершенствованная методика схематизации диаграммы скоростей на лопатках рабочего колеса, что позволило рассчитывать КПД ступеней в широком диапазоне расчетных значений коэффициентов напора и расхода единым набором эмпирических коэффициентов;

- уточнено влияние сжимаемости в расчете ударных потерь и в расчете параметров потока в контрольных сечениях ступени;

- при расчете потерь поверхностного трения вместо произвольных эмпирических коэффициентов моделирования обтекания гидравлически гладкой поверхности использованы эмпирические формулы для расчета коэффициента силы сопротивления трения гладкой и шероховатой поверхностей, что дало возможность корректного моделирования характеристик при особо высоких значениях критериев Рейнольдса, когда течение приобретает автомодельный характер;

- сделан уточненный расчет параметров потока во входном патрубке. Это позволило учесть потери напора во входных патрубках модельных ступеней, что повысило точность определения эмпирических коэффициентов модели потерь.

Практическая значимость работы.

Значение результатов для теории.

В результате работы дополнительное теоретическое обоснование получил Метод универсального моделирования, расширены его возможности для оптимального проектирования компрессоров промышленного назначения.

Значение результатов для практики.

Практика создания ряда модельных ступеней путем их отработки на экспериментальных стендах показывает, что необходимое время составляет несколько месяцев, а стоимость работы достигает 140-280 тысяч долларов США. В результате работы создан банк 67 модельных ступеней на базе уже выполненных проектов и испытаний компрессоров. Условный экономический эффект от выполнения работы составляет примерно 2,0 млн. долларов США.

В процессе работы созданы компьютерные программы Метода универсального моделирования 5-го поколения, обладающие более высокой точностью и универсальностью применения в проектной практике.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на:

- Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (г. Красноярск, 16-18 июня 2010);

- 4-м Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых (СПбГПУ, 29 сентября - 2 октября 2010);

- 2 Международной научно-практической Интернет-конференции

Молодежь. Наука. Инновации» (г. Пенза, 2010);

- 3 Международной научно-практической Интернет-конференции

Молодежь. Наука. Инновации» (г. Пенза, 2011);

- 15-й Международной конференции по компрессоростроению (г. Казань, 19-21 июля 2011 г.).

Достоверность результатов.

Достоверность и обоснованность полученных научных результатов подтверждаются корректностью использования известных научных положений математики, газодинамики, результатами расчётных и экспериментальных исследований, практикой проектирования компрессоров и создания модельных ступеней. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, основаны на применении, методов теории моделирования, проведения эксперимента, планирования эксперимента, статистической обработки результатов эксперимента.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается адекватностью теоретического обоснования результатов экспериментальных данных, что подтверждается количественным и качественным совпадением результатов полученных в промышленных условиях с расчетными данными, полученными на основе разработанного Метода.

Достоверность результатов определяется также:

- корректностью постановки задач;

- обоснованностью принятых допущений; адекватностью используемого математического аппарата и используемых моделей;

- совпадением результатов расчетов с данными испытаний.

Реализация работы в промышленности.

Работа основана на результатах проектной практики кафедры КВХТ СПбГПУ, в результате которой создано новое поколение центробежных нагнетателей и сменных проточных частей (СПЧ) для газовой и других отраслей промышленности. В промышленности работает более 300 центробежных компрессоров и СПЧ тридцати пяти типоразмеров общей установленной мощностью 4,3 млн. кВт. Выпуск компрессоров по этим проектам продолжается предприятиями ОАО «Компрессорный комплекс» (г. Санкт-Петербург), НПО ОАО «Искра» (г. Пермь), ПАО СМПО им. М.В. Фрунзе (г. Сумы, Украина). Созданный в результате работы банк модельных ступеней передан научной группе «Газовая динамика турбокомпрессоров» кафедры КВХТ СПбГПУ для использования в проектной работе.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 14 работ. Основные результаты опубликованы в научно-техническом журнале

Компрессорная техника и пневматика», в Научно-технических ведомостях СПбГПУ, Известиях Высших Учебных Заведений «Проблемы Энергетики» Трудах научной школы компрессоростроения СПбГПУ, в Трудах 15-й Международной конференции по компрессоростроению, а также монографии «Моделирование рабочего процесса промышленных центробежных компрессоров. Научные основы, этапы развития, современное состояние».

Основные положения выносимые на защиту:

Научные основы совершенствования алгоритмов газодинамического расчета параметров потока и расчета потерь напора, приведшие к созданию 5-го поколения компьютерных программ Метода универсального моделирования.

Уточнение эмпирических коэффициентов модели потерь программ 5-го поколения по результатам приемо-сдаточных испытаний промышленных центробежных компрессоров выпускаемых по газодинамическим проектам кафедры КВХТ СПбГПУ. Возможность расчета характеристик ступеней входящий в состав компрессоров и создание банка данных из 67 ступеней с возможностью использования их в проектах новых компрессоров.

Структура и объем диссертации. Структура Диссертации обусловлена целью, последовательностью решения основных задач исследования и включает введение, пять глав, заключение, список литературы. Работа изложена на 266 страницах, содержит 131 рисунок, 10 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Солдатова, Кристина Валерьевна

5.4. Результаты работы. Экономический эффект

Значительным практическим результатом работы следует считать создание 5-го поколения компьютерных программ Метода универсального моделирования. Значительный объем моделирования характеристик центробежных компрессоров и идентификация моделей потерь по характеристикам модельных ступеней кафедры КВХТ СПбГПУ показали значительные преимущества перед программами 4-го поколения. В силу того, что в отечественной промышленности постоянно требуются компрессора для новых производств и технологических линий, замены устаревшего оборудования программы, 5-го поколения, очевидно, найдут не менее широкое применение, чем программы 4-го поколения, с помощью которых были созданы десятки эффективных проектов.

Созданный банк данных из 67 модельных ступеней с параметрами, отвечающими потребностям создания новых компрессоров для газовой промышленности и отличающиеся высокой эффективностью. По данным 2000 г. стоимость создания одной ступени в США колебалась от 180-240 тысяч долларов. Довольно высокая стоимость объясняется значительным объемом экспериментальной доводки. Опыт создания модельных ступеней на кафедре КВХТ СПбГПУ указывает на возможность существенно меньших затрат, прежде всего, за счет высокого уровня проектирования Методом универсального моделирования. В большинстве случаев спроектированные модельные ступени при первом же испытании показывают ожидаемые характеристики. Тем не менее затраты на создание одной модельной ступени на кафедре КВХТ СПбГПУ оцениваются примерно в 1,5 млн. руб. Условно можно считать, что создание банка модельных ступеней сэкономило порядка 100 млн. руб.

Модельные ступени из банка данных отличаются высоким КПД, широкой зоной экономичной работы. Граница помпажа ступеней значительно удалена от расчетного режима. Пример в п. 5.3 показывает, что в ряде случаев можно рассчитывать на среднее по времени эксплуатации (с учетом изменения режима работы) превышение КПД по сравнению с аналогами порядка 5%. В статье [3] авторы привели пример экономии от применения компрессоров нового поколения. При повышении КПД на 5% экономия от уменьшения расхода топливного газа компрессора мощностью 10 МВт составляла 150 000 долл/год при цене газа 90 долл/1000 м3 (в 2011г л

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Потребность экономики Российской Федерации в промышленных центробежных компрессорах очень значительна. Энергопотребление этих машин очень велико, поэтому экономичности новых компрессоров, определяемое качеством газодинамических проектов, придается большое значение.

2. Сложный характер рабочего процесса центробежных компрессоров делает неизбежным использование экспериментальных данных в процессе их проектирования. Несмотря на успехи методов компьютерного проектирования и оптимизации, наиболее быстрым и надежным способом проектирования остается использование характеристик заранее разработанных и испытанных модельных ступеней.

3. Экспериментальная отработка модельных ступеней - это сложный и дорогостоящий процесс. С учетом разнообразия параметров компрессоров наборы модельных ступеней должны включать многие десятки. В распоряжении отечественных производителей имеются ряды модельных ступней, которые во многом устарели. Создание новых рядов высокоэффективных модельных ступеней сейчас не представляется возможным по экономическим соображениям.

4. Компьютерные программы Метода универсального моделирования кафедры КВХТ СПбГПУ широко используются в практике проектирования новых машин по заказам отечественных и зарубежных производителей. Хорошая точность предсказания параметров компрессоров на расчетном режиме позволила производителям отказаться от экспериментальной проверки проектов. Кафедра располагает результатами приемо-сдаточных испытаний 16-ти компрессоров с параметрами ( £)2 = 0,42 - 0,93мм ,

Ввт = 0,258 - 0,483 , ?7 = 0,777 - 0,877 , N = 4,0-25,0МВт проточных частей этих компрессоров 16 всасывающих, 35 промежуточных и 16 концевых ступеней.

5. Характеристики испытанных компрессоров были смоделированы по программам Метода универсального моделирования, по которым эти проекты выполнялись (программы 4-го поколения). По результатам моделирования составлен банк данных ступеней компрессоров. Информация по этим ступеням может быть использована при проектировании новых машин с использованием приемов теории подобия. Однако при использовании в новых проектах неизбежно будет иметь место нарушение требований точного моделирования. Могут отличаться значения чисел Маха и Рейнольдса, показателя изоэнтропы. В какой-то степени придется отступать от полного геометрического подобия. Поэтому желательно чтобы расчетная программа максимально адекватно реагировала на эти изменения. Некоторое различие в эмпирических коэффициентах для разных компрессоров, равно как и практика проектирования, указали на определенные недостатки модели потерь и расчетных алгоритмов программ 4-го поколения.

6. Изучение опыта расчета и проектирования указало на возможные пути совершенствования алгоритмов. В разработанных программах 5-го поколения сделаны следующие уточнения:

- использована уточненная схематизация диаграмм обтекания лопаток рабочего колеса. Для этого использованы данные систематического расчетного исследования [44]. В результате достаточно корректно учитывается различие в характере обтекания лопаток с малыми, средними и большими углами выхода лопаток, и пространственный характер их обтекания. Это главное обстоятельство, которое позволило корректно моделировать эффективность ступени всех типов на расчетном режиме общим набором эмпирических коэффициентов; гладкой поверхности использованы эмпирические формулы для расчета коэффициента силы сопротивления трения гладкой и шероховатой поверхностей. Это дало возможность корректного моделирования характеристик при особо высоких значениях критериев Рейнольдса, когда течение приобретает автомодельный характер;

- сделан уточненный расчет параметров потока во входном патрубке. Это позволило учесть потери напора во входных патрубках модельных ступеней семейства 20СЕ при идентификации модели по результатам их испытания. Это повысило точность определения эмпирических коэффициентов модели потерь;

- сделан учет влияния потока протечек в лабиринтном уплотнении покрывающего диска на массовый расход в рабочем колесе и параметров потока на входе в рабочее колесо;

- введен уточненный расчет сжимаемости параметров в косом срезе и даже при небольших изменениях скорости - при расчете параметров с учетом и без учета стеснения потока лопатками;

- уточнено влияние условного числа Россби и коэффициента теоретического напора на потери смешения и числа Маха на ударные потери.

7. Идентификация модели потерь 5-го поколения по экспериментальным данным модельных ступеней семейства 20СЕ кафедры КВХТ СПбГПУ показало преимущество этой модели. Максимальный КПД ступеней с диапазоном параметров Фопт = 0,025-0,075, у/т0пт = 0,401-0,748, £>т/Е>2 =0,258-0,483, П4/П2 = 1,23-1,72,77 = 0,771-0,887, Фкрит !Фопт = 0,30,93, Ми = 0,6-0,8 рассчитывается с точностью ± 0,3% единым набором эмпирических коэффициентов.

8. По программе Метода универсального моделирования 5-го поколения (программа ССРМ-05Е) произведено уточненное моделирование характеристик 16-ти испытанных компрессоров. По результатам моделирования составлен банк данных из 67-х ступеней (16 всасывающих, 35 промежуточных и 16 концевых) с оптимальными параметрами в диапазоне

Фопт= 0,023-0,1, у/Топт= 0,37-0,70, Ввт /И2 = 0,258-0,483, £>4/£>2 = 1,231,72, Т] - 0,742-0,888, Фкрит/Фопт = 0,376-0,731, Ми = 0,6. При разработке аналогичных ступеней с получением характеристик испытаниями на модельных стендах кафедры КВХТ СПбГПУ затраты на отработку каждой из ступеней оценивается примерно в 1,5 млн. руб.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Солдатова, Кристина Валерьевна, 2011 год

1. Афанасьев, Б.В., Лунев, А.Т., Мустафин, Н.Г., Поташева, Е.В.

2. Афанасьев, Б.В., Дроздов, Ю.В., Лунев, А.Т., Солтеев, П.В.

3. Методы исследования многовальных многоступенчатых компрессоров с помощью математической модели в процессе проектирования, текст. / Б.В. Афанасьев, Ю.В. Дроздов, А.Т. Лунев, П.В. Солтеев // Компрессорная техника и пневматика. № 1. - 2002. - С. 21-23.

4. Галеркин, Ю.Б. Турбокомпрессоры, текст. / Ю.Б. Галеркин // Изд-во СПбГТУ. СПб. - 2010. - С.650.

5. Галеркин, Ю.Б. Анализ и обобщение диаграмм поверхностных скоростей рабочих колес центробежных компрессоров. Часть 1. текст. / Ю.Б. Галеркин, A.A. Лысякова. // Компрессорная техника и пневматика. 2010. -№ 6. - С.29-36.

6. Галеркин, Ю.Б. Анализ и обобщение диаграмм поверхностных скоростей рабочих колес центробежных компрессоров. Часть 2. текст. /Ю.Б. Галеркин, A.A. Лысякова. // Компрессорная техника и пневматика. 2010. -№ 7. - С.28-35.

7. Галеркин, Ю.Б., Данилов, К.А., Митрофанов, В.П., Попова, Е.Ю.

8. К использованию численных методов при проектировании проточной части центробежных компрессоров, текст. / Ю.Б. Галеркин, К.А. Данилов, В.П. Митрофанов, Е.Ю. Попова // СПб. - СПбГТУ. - 1996. - С. 68.

9. Галеркин, Ю.Б., Карпов, А.Н. Разработка методики моделирования напорной характеристики центробежного компрессорного колеса по результатам испытаний модельных ступеней, текст. / Ю.Б.

10. Галеркин, А.Н. Карпов // Компрессорная техника и пневматика. 2011 - №6. -С. 13-17.

11. Галеркин, Ю.Б., Рекстин, Ф.С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. Машиностроение. Ленинград, текст. / Ю.Б. Галеркин, Ф.С. Рекстин // 1969. - С. 303.

12. Галеркин, Ю.Б., Солдатова, К.В. Разработка «виртуальных» модельных ступеней с помощью программ 5-го поколения Метода универсального моделирования, текст. / Ю.Б. Галеркин, К.В. Солдатова // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2011. № 4. С.241-247.

13. Галеркин, Ю.Б., Солдатова, К.В., Дроздов, A.A. Уточнение алгоритма расчета параметров потока в центробежной компрессорной ступени, текст. / Ю.Б. Галеркин, К.В. Солдатова, A.A. Дроздов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. -2010.-№4. С.-150-157.

14. Галеркин, Ю.Б., Солдатова, К.В., Дроздов, A.A. Развитие компьютерных программ Метода универсального моделирования 1-го уровня, текст. / Ю.Б. Галеркин, К.В. Солдатова, A.A. Дроздов // Труды 15

15. Международной научно-технической конференции по компрессорной технике. Текст. Том 1. Казань. -2011. С. 276-285.

16. Галеркин, Ю.Б., Солдатова, К.В., Дроздов, A.A. О применении и расчете КПД проточной части турбокомпрессоров, текст. / Ю.Б. Галеркин, К.В. Солдатова, A.A. Дроздов // Компрессорная техника и пневматика. № 8. -2011.-С. 2-11.

17. Гамбургер, Д.М. Анализ течения вязкого сжимаемого газа в обратно-направляющем аппарате центробежного компрессора и его оптимизация с использованием пакета ANSYS CFX. текст. / Д.М. Гамбургер // Магистр. дис./СпбГПУ. 2006. - С. 104.

18. Гамбургер, Д.М. Численные методы течения вязкого газа в центробежных компрессорных ступенях: методы и результаты, текст. / .М. Гамбургер // Дис. .канд. техн. Наук. СПбГПУ. 2009. - С. 190.

19. Дроздов, A.A. Совершенствование пакета программ метода универсального моделирования центробежных компрессоров, текст. / A.A. Дроздов // Магистр. дис./СпбГПУ. 2011.-С.211.

20. Дроздов. Ю.В., Лунев, А.Т. Усовершенствование математической модели осерадиального колеса центробежной ступени. Труды XIV МНТК по компрессорной технике. Том II. текст. / Ю.В. Дроздов, А.Т. Лунев // -Казань: Изд-во «Слово». 2007. - С. 323-326.

21. Дроздов, Ю.В., Лунев. А.Т. Применение математической модели центробежной ступени при проектировании и обработке экспериментальных данных, текст. / Ю.В. Дроздов, А.Т. Лунев // Компрессорная техника и пневматика. -№ 1.-2010.

22. Дроздов. Ю.В., Лунев, А.Т. Организация расчетов с применением комплекса программ проектирования центробежных компрессоров. Труды XV МНТК по компрессорной технике. Том I. текст. / Ю.В. Дроздов, А.Т. Лунев // Казань: Изд-во «Слово». -2011.-С.313.

23. Жарковский, A.A. Математическое моделирование рабочих процессов в центробежных насосах низкой и средней быстроходности для решения задач автоматизированного проектирования, текст. / A.A. Жарковский // Дис. док-ра. техн. наук/ СпбГПУ. 2003. - С. 568

24. Зыков, В.И. Исследование аэродинамики межступенчатых каналов центробежного компрессора, текст. / В.И. Зыкав // Дис.канд. техн. наук /ЛПИ. 1965.

25. Лойцанский, Л.Г. Механика жидкости и газа, текст. / Л.Г. Лойцанский // М. Наука. 1978. - С. 736.

26. Лунев. А.Т. Структура метода проектирования и испытания проточной части нагнетателей для перекачивания природного газа, текст. / А.Т. Лунев // Компрессорная техника и пневматика. № 10. - 2001. - С. 4-7.

27. Лунев, А.Т. Разработка высокоэффективных сменных проточных частей центробежных компрессоров газоперекачивающих агрегатов, текст. / А.Т. Лунев // Дис. .канд. техн. наук. Казань. 2005. - С. 123.

28. Лысякова, A.A. Совершенствование программ расчета характеристик центробежных компрессорных ступеней с использованием обобщенных диаграмм скоростей обтекания лопаток, текст. / A.A. Лысякова// Дисс.канд. техн. наук / СПбГПУ. 2010.

29. Митрофанов, В.П. Исследование течения газа в центробежных компрессорных колесах с различным характером распределения скоростей и нагрузки по лопаткам, текст. / В.П. Митрофанов // Дис.канд. техн. наук. -ЛПИ.- 1977.

30. Мифтахов, A.A. Исследование аэродинамики течения в улитках центробежных компрессоров, текст. / A.A. Мифтахов // Дис.канд. техн. Наук.-ЛПИ. 1968.

31. Мифтахов, A.A., Зыков, В.И. Входные и выходные устройства центробежных компрессоров, текст. / A.A. Мифтахов, В.И. Зыков // Казань: Изд во «Фэн». 1996. - С. 198.

32. Никифоров, А.Г. Исследование потерь в двухзвенной ступени центробежного компрессора, текст. / А.Г. Никифоров// Дис. канд. техн. наук.-ЛПИ.-Л.- 1973.

33. Нуждин, A.C. Повышение энергетической эффективности центробежных холодильных компрессоров путем совершенствования проточной части, текст. / A.C. Нуждин // Дис. докт. техн. наук/ ЛПИ. Л. -1987.-С. 380.

34. Попова, Е. Ю. Оптимизация основных параметров ступеней турбомашин на основе математического моделирования, текст. / Е.Ю. Попова // Дис. .канд. техн. наук / СПбГПУ. СПб. - 1991.

35. Рис, В.Ф. Центробежные компрессорные машины, текст. / В.Ф. Рис //-Л.: Машгиз. 1951. - С. 245.

36. Рис, В.Ф. Центробежные компрессорные машины, текст. / В.Ф. Рис //- Л.: Машиностроение. 1964. - С. 336.

37. Рис, В.Ф. Центробежные компрессорные машины, текст. /В.Ф. Рис//-Л.: Машиностроение. 1981.-С. 351.

38. Савин, Б.Н. Исследование течения в проточной части центробежных компрессорных ступеней общепромышленного назначения с осерадиальными колесами и безлопаточными диффузорами, текст. / Б.Н. Савин// Автореф. дис. .канд. техн. наук / ЛПИ. Л. - С. 16.

39. Седых, А.Д. Развитие и опыт эксплуатации компрессорной техники в газовой промышленности, текст. / А.Д. Седых // Труды 5-го Международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования». СПбГТУ. - 1999.

40. Селезнев, К.П., Галеркин, Ю.Б. Центробежные компрессоры, текст. / К.П. Селезнев. Ю.Б. Галеркин// Л. Машиностроение. - 1982.

41. Солдатова, К.В. Анализ движения газа в зазоре «покрывающий диск-корпус» центробежной компрессорной ступени численными методами и рекомендации по проектированию, текст. / К.В. Солдатова // Дис.канд. техн. наук / СПбГПУ. 2007. - С. 180.

42. Сорокес, Д.М, Копко, Д.А., Кук, Д.М. Оптимизация боковых подводов центробежных компрессоров установой СПГ. текст. / Д.М. Сорокес, Д.А. Копко, Д.М. Кук // Компрессорная техника и пневматика. № 7.-2007.-С. 16-24.

43. Софронова, A.A. Анализ течения в поворотном колене ОНА центробежной компрессорной ступени, текст. / A.A. Софонова// Магистр, дис./СпбГПУ. 2006. - С. 182.

44. Сухомлинов, И.Я. Повышение эффективности паровых турбохолодильных машин путем унификации ступеней и оптимизации параметров центробежных компрессоров, текст. / И.Я. Сухомлинов // Дис.докт. техн. Наук. ЛТИХПЕ. - 1989.

45. Труды научной школы компрессоростроения СПбГПУ. текст. / Под редакцией Галеркина Ю.Б. //- М.: Изд. «КХТ» 2000.

46. Труды научной школы компрессоростроения СПбГПУ. текст. / Под редакцией Галеркина Ю.Б. //- М.: Изд. «КХТ»- 2005.

47. Труды научной школы компрессоростроения СПбГПУ. текст. / Под редакцией Галеркина Ю.Б. // М.: Изд. «СПбГПУ». - 2010.

48. Шайхутдинов, А.З., Огнев, В.В., Сальников, С.Ю., Щуровский,

49. Шайхутдинов, А.З., Седов В.В., Сальников, С.Ю., Щуровский,

50. Шкарбуль, С.Н., Жарковский, A.A. Гидродинамика потока в рабочих колесах центробежных турбомашин. текст. / С.Н. Шкарбуль, A.A. Жарковский // СПб. 1996. - 356 с.

51. Шнепп, В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин, текст. / В.Б. Шнепп // М.: Машиностроение. - 1991. - С. 240.

52. Шнепп, В.Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин, текст. / В.Б. Шнепп // -М.: Машиностроение. 1995.

53. Хисамеев, И.Г., Сафиуллин, А.Г. О состоянии развития компрессоростроения в республике Татарстан. Компрессоры и энергетическое машиностроение, текст. / И.Г. Хисамеев, А.Г. Сафиуллин // М. - № 2 (12). - 2008. - С. 14-26.1.6

54. Хисамеев, И.Г., Максимов, В.А., Баткис, Г.С., Гузельбаев, Я.З.

55. Проектирование и эксплуатация промышленных центробежных компрессоров, текст. / И.Г. Хисамеев, В.А. Максимов, Г.С. Баткис, Я.З. Гузельбаев // Казань. - 2010. - С. 671.

56. Gallus, Н.Е. Recent Research Work on Turbomachinery Flow. Yokohama International Gas Turbine Congress, text. / H.E. Gallus // Yokohama. - 1995.

57. Japikse, D. Design system development for turbomachinery (turbopump) designs 1998 and a decade beyond. JANNAF Conference, text. / D. Japikse // Cleveland. - Ohio. - July 15 -17. - 1998.

58. Luecke, J.R., Benetschik. H., Lohmann, A., Gallus, H.E. Numerical Investigation of Three-Dimensional Separated Rows Inside an Annular Compressor Cascade, text. / J.R. Luecke, H. Benetschik, A. Lohmann, H.E. Gallus // SYMKOM 95. Lodz. - 1995.