Повышение эффективности турбохолодильных машин с центробежными компрессорными ступенями концевого типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Данилишин Алексей Михайлович

• Данилишин Алексей Михайлович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Данилишин Алексей Михайлович

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Состояние вопроса исследования и расчета рабочего процесса в высоконапорных ступенях центробежных компрессоров турбохолодильных машин

1.1 Особенности течения в осерадиальных рабочих колесах центробежных компрессоров

1.2 Особенности течения в безлопаточных диффузорах ступеней центробежных компрессоров

1.3 Численные методы исследования потока в центробежных компрессорах турбохолодильных машин

1.4 Современные методы повышения эффективности ступеней центробежных компрессоров турбохолодильных машин

1.5 Объекты исследования

ГЛАВА 2. Методика расчетно-теоретического анализа

2.1 Методика упрощенного газодинамического расчета высоконапорных ступеней центробежных компрессоров

2.2 Модель профилирования меридионального контура и лопаточной решетки

осерадиального рабочего колеса центробежного компрессора

2.3. Расчет невязкого потока в меридиональной плоскости рабочего колеса на осесимметричной поверхности тока в слое переменной толщины

2.4 Приближенный расчет безотрывного невязкого потока по трем линиям тока в осерадиальном рабочем колесе

2.5 Расчет вязкого турбулентного пограничного слоя на лопатке рабочего колеса и на ограничивающих поверхностях в слое переменной толщины на осесимметричной поверхности тока

2.6 Расчет потерь в рабочем колесе на основе известных параметров пограничного слоя и определение эффективности ступени

2.7 Расчет вязкого турбулентного осесимметричного потока безлопаточного диффузора с параллельными стенками

2.8 Расчет течения и потерь в ступени с осерадиальным колесом и безлопаточным диффузором и сопоставление с экспериментальными

данными

ГЛАВА 3. Алгоритм постановки и проведения процедуры численного моделирования рабочего процесса ступеней центробежного компрессора на основе расчета трехмерного вязкого турбулентного потока

3.1 Методика обработки численного исследования

3.2 Исследование расчетной модели ступени ЕекатА-О

3.3 Исследование расчетной модели ступени Кгат

3.4 Исследование расчетных моделей ступеней серий РК-6, 4,

ГЛАВА 4. Алгоритм проведения многопараметрической и многокритериальной оптимизации проточной части высоконапорных ступеней с осерадиальным рабочим колесом и безлопаточным диффузором центробежного компрессора

4.1 Параметризация геометрических элементов проточной части высоконапорных ступеней центробежных компрессоров

4.2 Разработка алгоритма многопараметрической и многокритериальной оптимизации высоконапорных ступеней с ОРК центробежных компрессоров

4.3 Апробация алгоритма проведения многокритериальной и многопараметрической оптимизации на основе численных моделей

экспериментальных высоконапорных ступеней

ГЛАВА 5. Методика газодинамического расчета высоконапорных ступеней концевого типа центробежных компрессоров для повышения

эффективности турбохолодильных машин

5.1 Основные подходы методики газодинамического расчета

5.2 Создание высокоэффективного ряда проточных частей центробежных компрессоров для турбохолодильных машин с помощью разработанной методики газодинамического расчета

5.3 Применение разработанных высокоэффективных проточных частей центробежных компрессоров в воздушных турбохолодильных машинах

5.4 Применение разработанных высокоэффективных проточных частей центробежных компрессоров в парокомпрессионных турбохолодильных машинах

5.5 Применение разработанных высокоэффективных проточных частей центробежных компрессоров в турбодетандерных агрегатах

низкотемпературной сепарации природного газа

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А. Акт использования

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Турбохолодильные машины с центробежными компрессорами являются одними из наиболее востребованных машин в промышленности для получения холода. Центробежные компрессоры могут быть применены в воздушных и парокомпрессионных турбохолодильных машинах, турбодетандерных агрегатах низкотемпературной сепарации углеводородных газов. Одно из главных преимуществ центробежных компрессоров турбохолодильных машин - это высокая производительность, что обеспечивает их широкое использование на объектах, где требуется большая холодопроизводительность.

Повышение эффективности циклов турбохолодильных машин неразрывно связано с уровнем энергоэффективности проточной части центробежного компрессора. В настоящее время газодинамический расчет проточной части центробежного компрессора все больше опирается на современные методы численного моделирования рабочего процесса. Для повышения эффективности проточной части внедряются новейшие методы многокритериальной и многопараметрической оптимизации. Разработка новых подходов выполнения газодинамического расчета позволяет создавать высокоэффективные проточные части центробежных компрессоров. Это позволит получить снижение затрат энергии на производство холода турбохолодильной машиной.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности турбохолодильных машин с центробежными компрессорными ступенями концевого типа»

Цель работы

Повышение эффективности турбохолодильных машин на основе применения усовершенствованной методики газодинамического расчета высоконапорных ступеней концевого типа центробежных компрессоров.

Задачи работы

1. Выполнить анализ текущего состояния исследования и расчета рабочего процесса в высоконапорных ступенях центробежных компрессоров турбохолодильных машин.

2. Разработать алгоритм постановки и проведения процедуры численного моделирования рабочего процесса высоконапорных ступеней концевого типа центробежных компрессоров.

3. Разработать алгоритм проведения многопараметрической и многокритериальной оптимизации проточной части высоконапорных ступеней концевого типа центробежных компрессоров.

4. Разработать усовершенствованную методику газодинамического расчета высоконапорных ступеней концевого типа центробежных компрессоров для повышения эффективности турбохолодильных машин.

5. Выполнить апробацию составляющих методики с определением уровня достоверности и эффективности.

6. С использованием разработанной усовершенствованной методики разработать ряд проточных частей высокоэффективных высоконапорных ступеней концевого типа центробежных компрессоров для актуальных проектов турбохолодильных машин и турбодетандеров на отношение давления Пк=2.

7. Выполнить анализ изменения эффективности холодильного цикла турбохолодильных машин при применении, разработанных с помощью усовершенствованной методики, проточных частей высокоэффективных ступеней центробежных компрессоров.

Научная новизна работы

Разработаны алгоритмы, обеспечивающие развитие и усовершенствование методики газодинамического расчета высоконапорных ступеней концевого типа центробежных компрессоров, для повышения эффективности турбохолодильных

машин на базе расчетно-теоретического анализа и современных методов расчета вязких турбулентных течений.

Теоретическая и практическая значимость работы

Усовершенствованная методика, обеспечивающая экономичный подход к газодинамическому расчету новых компрессоров за счет многократного сокращения объемов ресурсозатратного численного моделирования на начальной стадии расчета путем применения расчетов невязкого потока.

Алгоритм постановки и проведения процедуры численного моделирования рабочего процесса проточной части центробежного компрессора, который обеспечивает требующуюся в инженерных расчетах точность.

Разработанная усовершенствованная методика газодинамического расчета может использоваться для повышения эффективности проектируемых высокоэффективных ступеней для турбохолодильных машин и турбодетандеров с исключением или минимизацией последующей доводки.

Методика может использоваться для ускорения проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с использованием современных методов инженерного анализа и высокопроизводительной вычислительной техники.

Методика может использоваться для создания типорядов численной базы данных для создания новых математических моделей.

Положения, выносимые на защиту

1. Усовершенствованная методика газодинамического расчета высоконапорных ступеней концевого типа центробежных компрессоров для повышения эффективности турбохолодильных машин.

2. Подход к решению задачи оптимизации газодинамических параметров для экономии вычислительных ресурсов компьютерной техники на основе методики

расчетно-теоретического анализа с использованием расчета квазитрехмерного невязкого потока.

3. Алгоритм постановки и проведения процедуры численного моделирования рабочего процесса высоконапорных ступеней центробежного компрессора с осерадиальным рабочим колесом и безлопаточным диффузором на основе расчета трехмерного вязкого турбулентного потока, обеспечивающий приемлемую точность моделирования.

4. Характеристики и результаты тестирования численных моделей высоконапорных ступеней с осерадиальным рабочим колесом и безлопаточным диффузором центробежных компрессоров.

5. Алгоритм проведения многокритериальной и многопараметрической оптимизации проточной части ступеней с осерадиальным рабочим колесом и безлопаточным диффузором центробежных компрессоров. Апробация алгоритма и определение экономичного метода оптимизации.

6. Табличная база данных параметров 10 высокоэффективных ступеней с осерадиальным рабочим колесом и безлопаточным диффузором для турбохолодильных машин и турбодетандеров на отношение давления Пк=2, разработанных с помощью усовершенствованной методики газодинамического расчета.

7. Результаты анализа эффективности холодильного цикла воздушных и парокомпрессионных турбохолодильных машин при применении высокоэффективных ступеней центробежных компрессоров, разработанных с помощью усовершенствованной методики газодинамического расчета.

Апробация работы

Результаты диссертационного исследования апробированы на следующих международных и отечественных научных конференциях:

1. Международная промышленная конференция «Компрессорные технологии». Место проведения: г. Санкт-Петербург. Даты проведения: 24.05.2023-26.05.2023.

2. XII-я Международная Научно-техническая конференция «Казахстан-Холод 2023». Место проведения: г. Алматы. Республика Казахстан. Даты проведения: 27.04.2023-28.04.2023.

3. Научно-техническая конференция с международным участием «Аскеза природных хладагентов в условиях доминирующей неоклиматической реальности». Место проведения: г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО. Дата проведения: 26.01.2023.

4. Научно-техническая конференция с международным участием «Техника низких температур в условиях новой парадигмы энергетического перехода». Место проведения: г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО. Даты проведения: 01.02.2022-02.02.2022.

5. Международная промышленная конференция «Компрессорные технологии». Место проведения: г. Санкт-Петербург. Даты проведения: 25.05.2022-27.05.2022.

6. X Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». Место проведения: г. Санкт-Петербург, Университет ИТМО. Даты проведения: 27.10.2021-29.10.2021.

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов диссертационного исследования оценивалась путем сравнения с экспериментальными данными. Математические модели, использованные в диссертации, достаточно апробированы и подтверждены практическим использованием. Численные модели, разработанные в диссертации выполнены с учетом требований стандарта ASME V&V 20-2009 (R2016).

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационного исследования использованы в научном и образовательном процессах Университета ИТМО.

Публикации

Всего по работе опубликовано 5 работ, из которых 3 входят в перечень ВАК и 1 индексируются базами WoS/Scopus.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Работа изложена на 203 страницах содержит 114 рисунков и 23 таблиц. Список литературы составляет 229 наименований работ отечественных и иностранных авторов.

Удержание работы

Введение

Во введении определена актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, положения диссертации, выносимые на защиту, теоретическая и практическая ценность работы.

Глава 1

В первой главе диссертации описано состояние вопроса исследования и расчета рабочего процесса в высоконапорных ступенях концевого типа центробежных компрессоров турбохолодильных машин. Представлены качественные экспериментальные и теоретические данные по исследованию ступеней с полуоткрытыми осерадиальными рабочими колесами и безлопаточным

диффузором. На основании представленных результатов исследований осерадиальных рабочих колес (ОРК) можно считать, что основные потери в проточной части осерадиальных рабочих колес следующие: трение на лопатках и ограничивающих поверхностях; течение «струя-след», вторичные течения, возникающие под влиянием эффектов вращения и кривизны в межлопаточном канале ОРК; протечки в зазоре между торцом лопаток и неподвижным покрывным диском (статорной поверхностью); волновые потери. На рисунке 1 представлена схема меридионального сечения объекта исследования - проточная часть высоконапорной ступени концевого типа центробежного компрессора.

Рисунок 1 - Схема меридионального сечения высоконапорной ступени концевого типа центробежного компрессора; ОП - осевой патрубок, ВНА -вращающийся направляющий аппарат, РРК - радиальное рабочее колесо, БЛД -безлопаточный диффузор; 0-0, 1-1, 2-2, 3-3, 4-4 - контрольные сечения; Т-Т -сечение стыковки радиальной (РРК) и осевой (ВНА) части ОРК

в

ВУ

БЛД

Глава 2

Во второй главе диссертации представлена методика расчетно-теоретического анализа по квазитрехмерной модели, разработанная научной

группой ЛПИ-СПбПУ: К.П. Селезнев, А.М. Симонов, Б.Н. Савин, Ю.И. Биба. Методика усовершенствована в части подготовки исходных данных и автоматизации расчетов невязкого и вязкого потока в квазитрехмерной постановке. Для этого разработана модель профилирования меридионального контура и лопаточной решетки осерадиального рабочего колеса центробежного компрессора. На рисунке 2 изображена схема методики. Для упрощения и автоматизации расчетов перечисленные методики реализованы диссертантом в программах, написанных на языке С++. В результате вариантного расчетно-теоретического анализа по квазитрехмерной модели уточняются коэффициент потерь в рабочем колесе (РК) ^рк, коэффициент скольжения КПД диффузора П4 и при необходимости итерационно решается упрощенный газодинамический расчет с целью уточнения геометрических параметров предварительной проточной части.

Конец

Рисунок 2 - Схема методики расчетно-теоретического анализа по квазитрехмерной модели для осерадиального рабочего колеса и безлопаточного

диффузора

На рисунке 3 представлены результаты расчета ступени РК-61 по квазитрехмерной модели методики расчетно-теоретического анализа. Неопределенность характеристики теоретического напора на расчетном режиме (рисунок 3а) составила 4% и качественно повторяет наклон экспериментальной кривой. Сравнение осуществлено по результатам моделирования численной модели в сечении 2-2, поскольку из-за расположения пневмометрических приборов в сечении 2'-2' на диаметре 1.056-Э2 невозможно определение характеристик потока в сечении сечения 2-2 на диаметре Э2. С помощью квазитрехмерной модели возможен анализ распределение безразмерной относительной скорости на расчетном режиме (рисунок 3б). Также оценивается распределение абсолютной скорости на выходе из безлопаточного диффузора на основе расчета вязкого осесимметричного потока (рисунок 3в), для которого получено хорошее совпадение с экспериментальными замерами.

Ут

0.80

0.75 0.70 0.65 0.60

В в

-в. ,

V * ■ N

2.6 3.0 3.4 3.8 4.2 4.6 — Эксп. сеч. (2'-2')

3Б сеч. (2'-2') --н- 3Б сеч. (2-2) о 2Б сеч. (2-2)

т, кг/с

0.5

Средняя л.т. -в—Втулочная л.т. -в—Периферийная л.т.

с" 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

у*

Г'

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Ь

—©--• с эксп —в—с вязк. осесим.

а) б) в)

Рисунок 3 - Результаты расчета ступени РК-61 по квазитрехмерной модели; а) характеристика коэффициента теоретического напора в рабочем колесе РК-

61 в зависимости от т по расчету невязкого квазитрехмерного потока (2Э) и вязкого потока CFX (3D), б) распределение безразмерной относительной скорости на расчетном режиме, в) распределение абсолютной скорости на выходе из

безлопаточного диффузора

0

1

Расчеты потерь в осерадиальном рабочем колесе и безлопаточном диффузоре показали удовлетворительные результаты. Наилучшее совпадение с

экспериментальными данными получено в расчете вязкого осесимметричного течения в БЛД. При расчете потерь в ОРК наблюдается занижение результатов расчета. Результаты 2D расчета потерь РК ниже реальных значений, что объясняется несовершенством заложенной модели, в частности неучтенные вторичные потери, вихревые потери, отрывные потери и другие. Тем не менее, количественные результаты расчета близки к экспериментальным значениям и могут использоваться в качестве предварительной качественной оценки эффективности вариантов газодинамического расчета, что должно сократить общее время на вариантный расчет и проработку профиля рабочего колеса.

Глава 3

В третьей главе диссертации в результате проведенных работ, ниже выработан алгоритм постановки и проведения процедуры численного моделирования рабочего процесса высоконапорных ступеней центробежного компрессора с осерадиальным рабочим колесом и безлопаточным диффузором на основе расчета трехмерного вязкого турбулентного потока, обеспечивающая приемлемую точность моделирования. Алгоритм создавался на основе тестирования, верификации и валидации численных моделей высоконапорных ступеней Экардта, Крейна и Симонова (РК-61) с учетом требований стандарта ASME V&V 20-2009 (R2016).

1. Создать точную геометрическую модель проточной части центробежного компрессора. Геометрическая модель может быть упрощена в виду отсутствия скруглений у корня лопаток рабочего колеса, элементы ступени могут выполняться в виде одиночного сектора. Обязательно должен быть учтен зазор в полуоткрытом рабочем колесе между неподвижным покрывным диском и торцами лопаток. Проточная часть состоит из 4 элементов - моделей: входной осевой патрубок, рабочее колесо, безлопаточный диффузор, выходное устройство. Проточная часть модели рабочего колеса должна иметь продолжение от передней и задней кромок не менее 5 мм для качественного построения расчетной сетки.

2. Для дискретизации геометрической модели применяется гексаэдрическая расчетная сетка. Расчетная сетка элементов должна обладать свойством равномерности с изменением размеров соседних ячеек не более чем на 30%. Качество расчетной сетки определяется минимальным углом скошенности ячейки, который должен быть не менее 30°, отношением объемов соседних ячеек не более 8. К стенкам модели обязательно должно быть выполнено сгущение расчетной сетки, в соответствии с выбранной моделью турбулентности и должно быть проконтролировано значением безразмерной пристеночной координатой y+. Для низкорейнольдсовых моделей турбулентности значение y+ должно быть меньше 2.

3. Исследования разных моделей турбулентности в ступенях Ekcardt-O и РК-61, определили оптимальные модели, обеспечивающие приемлемый уровень точности моделирования. Рекомендуется использование моделей турбулентности SST и SA. Для крайней точки на режиме пониженного расхода может быть использована модель k-ю, так как она имеет повышенное качество моделирования параметров по сравнению с SST и SA на данном режиме.

4. Для расчетной области рабочего колеса должно быть установлено условие вращения с указанной частотой вращения ротора. Остальные расчетные области неподвижные. Стенка неподвижного покрывного диска должна быть остановлена с помощью опции вращения в противоположную сторону (Counter rotating wall). В случае использования моделей в виде одиночного сектора, на боковые поверхности должен быть установлен межсеточный интерфейс, устанавливающий круговую цикличность (Rotational periodicity). Граничные условия выбираются следующие: на входе устанавливается полное давление и полная температура. На выходе устанавливается массовый расход. Для стенок устанавливаются условия по умолчанию: гидравлически гладкие непроницаемые стенки c прилипанием.

5. Для двух ступеней были проведены исследования влияния типа межсеточного интерфейса. Показано, что в случае применения интерфейса «frozen rotor» картина следов за рабочим колесом ближе всего к экспериментально наблюдаемой. Интерфейсы «stage» (sav, stp) осредняют картину следов на выходе за лопатками. Применение интерфейса «frozen rotor» показало наилучшую точность в результатах численного моделирования. Поэтому для уменьшения

численных ресурсов и обеспечения физической картины течения целесообразно применение интерфейса «frozen rotor» для ступеней с полуоткрытым осерадиальным рабочим колесом.

6. В параметрах решателя устанавливается схема дискретизации (Advection Scheme) повышенного порядка (опция High Resolution)), схема (Turbulence numerics) повышенного порядка (опция High Resolution).

7. Контроль сходимости необходимо осуществлять по нескольким параметрам: по падению уровня среднеквадратичных невязок ниже 10-4, значению небалансов энергии и массы не более 0,05%, неизменности значения политропного КПД от итерации к итерации.

По указанному алгоритму были построены численные модели одиннадцати высоконапорных ступеней и проведена валидация газодинамических характеристик для определения уровня неопределенности моделирования.

На рисунке 4 представлены результаты моделирования семейств характеристики отношений давлений при различных Mu от 0,6 до 1,45 для высоконапорных ступеней Экардта, Крейна, РК-61, РК-41, РК-21.

Рисунок 4 - Семейства характеристик отношения полных давлений высоконапорных ступеней

На рисунке 5 представлено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными.

Рисунок 5 - Газодинамические характеристики высоконапорных ступеней, сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными

Исследование неопределенности моделирования при применении алгоритма постановки и проведения процедуры численного моделирования рабочего процесса высоконапорных ступеней центробежного компрессора в зоне экономичной работы показало, что по всем характеристикам отношения полных давлений не превышает уровень в 2%. Неопределенность моделирования политропного КПД и напора по полным параметрам составляет не более 5%. Исследование неопределенности моделирования в зоне экономичной работы показало, что по всем характеристикам для отношения полных давлений её величина не превышает уровень в 2%.

Глава 4

В четвертой главе диссертации разработан алгоритм проведения

многопараметрической и многокритериальной оптимизации проточной части высоконапорных ступеней центробежных компрессоров (см. рисунок 6).

Рисунок 6 - Схема алгоритма проведения многопараметрической и многокритериальной оптимизации высоконапорных ступеней центробежных

компрессоров

Алгоритм позволяет в автоматическом режиме проводить перестроение расчетной модели и проводить численное моделирование рабочего процесса для каждого варианта проектирования на основе введенных исходных данных. Встроенные методы оптимизации на основе рассчитываемых вариантов проектирования определяют наиболее эффективную проточную часть с точки зрения критерия оптимизации. С помощью разработанного алгоритма выполнена расчетная оптимизация проточной части численных моделей экспериментальных высоконапорных ступеней РК-61, РК-41, РК-21 на основе алгоритма постановки и проведения процедуры численного моделирования рабочего процесса высоконапорных ступеней центробежного компрессора (рисунок 7).

В результате расчетной оптимизации при сравнении расчетных газодинамических характеристик базовых и оптимизированных численных моделей ступеней, в среднем эффективность ступеней повышена на 1,5-2,5%. Расширена зона экономичной работы ступеней в правой части характеристики: Кз.э.р для РК-61 увеличился с 0,25 до 0,40 - на Лг =62%, Кз.э.р для РК-41 увеличился

с 0,26 до 0,34 - на Лг = 31% и Кз.э.р для РК-21 увеличился с 0,19 до 0,26 - на

Л„ = 41%.

лз.э.р.

Чп

0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70

РК-61: Сечение 4-4

■ 1

я*. 1

■ 1 к

1 1 N I

1 —М

0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

Ч п

0.95 0.85 0.75 0.65 0.55

РК-41: Сечение 4-4

1 1

г

1 1 1 \

1 1 ь 1 1

1 „

0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60

РК-21: Сечение 4-4

1 1

„__1

|\

1 \

1 Ъ

■Расч. реж

ЗБ мод. баз.

V „

0.75

0.70 0.65 0.60 0.55 0.50

■Экн. раб. баз. * ЗЭ мод. опт. ■Экн. раб. опт.

РК-61: Сечение 4-4

0.06 0.08 0.10 0.12

■-Расч. реж ■ 3Б мод. баз. .

•-Экн. раб. баз. * 30 мод. опт. — —-■ - Экн. раб. опт.

РК-41: Сечение 4-4

■ 1

4-*—

V к

0.08 0.10 0.12 0.14

Расч. реж ■ ЗЭ мод. баз. Ф

Экн. раб. баз. * ЗВ мод. опт. Экн, раб. опт.

РК-21: Сечение 4-4

0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 ■ ЗО мод. баз. * ЗП мод. опт. ф

0.06 0.08

■ ЗЭ мод. баз. — - Расч. реж

1 п

0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60

0.08 0.10 0.12 0.14

0.10 0.12 - — -Расч. реж ■ ЗЭ мод. баз. Ф

а ЗО мод. опт. Ф — ~-Экн. раб. баз. * 31) мод. опт. — — -Экн. раб. опт.

1 1

___1

|\

1 \

1 ъ

■Расч. реж

Рисунок 7 - Характеристики численных моделей высоконапорных ступеней РК-61, 41, 21 до (красный) и после (синий) расчетной оптимизации

Определено, что современные методы многопараметрической и многокритериальной оптимизации могут быть успешно применены в процессе газодинамического расчета, поскольку позволяют повышать эффективность проточной части за счет определения наиболее совершенной формы с точки зрения газодинамики.

Ранее в главе 2 было показано, что методы расчета квазитрехмерного невязкого потока с достаточной точностью могут использованы для предварительной оптимизации газодинамических параметров, используемых в упрощенном газодинамическом расчете. В данном подходе сначала с помощью методики расчетно-теоретического анализа, определяются и оптимизируются напорные характеристики ступени и оценочные характеристики потерь элементов. Так уточняются геометрические параметры проточной части. Так как целесообразно использование метода однокритериальной многопараметрической оптимизации (ASO) для уменьшения количества расчетов, окончательная оптимизацию проводится для только по критерию эффективности проточной части.

Таким образом предлагается подход к решению задачи оптимизации газодинамических параметров для экономии вычислительных ресурсов компьютерной техники на основе методики расчетно-теоретического анализа с использованием расчета квазитрехмерного невязкого потока. Тогда количество расчетных вариантов для CFD-моделирования снижается примерно в 5 раз.

Глава 5

Для повышения эффективности турбохолодильных машин разработана методика газодинамического расчета высоконапорных ступеней концевого типа с осерадиальным рабочим колесом и безлопаточным диффузором центробежных компрессоров. Для разработки усовершенствованной методики газодинамического расчета высоконапорных ступеней концевого типа центробежных компрессоров выполнены следующие задачи:

• Для предварительного газодинамического расчета выбрана и усовершенствована методика расчетно-теоретического анализа в части автоматизации выполнения расчетов и подготовки исходных данных.

• Предложен подход к решению задачи оптимизации газодинамических параметров для экономии вычислительных ресурсов компьютерной техники на основе методики расчетно-теоретического анализа с использованием расчета квазитрехмерного невязкого потока.

• Разработан алгоритм постановки и проведения процедуры численного моделирования рабочего процесса высоконапорных ступеней центробежного компрессора с осерадиальным рабочим колесом и безлопаточным диффузором на основе расчета трехмерного вязкого турбулентного потока, обеспечивающий приемлемую точность моделирования.

• Разработан алгоритм проведения многокритериальной и многопараметрической оптимизации.

Методика комплексно сочетает в себе подходы расчетно-теоретического анализа и современные подходы повышения эффективности проточной части при газодинамическом расчете ступеней центробежных компрессоров. Общая схема газодинамического расчета высокоэффективных ступеней по усовершенствованной методике представлена на рисунке 8. С помощью разработанной методики газодинамического расчета выполнено создание ряда из десяти высокоэффективных проточных частей центробежных компрессоров для турбохолодильных машин.

Рисунок 8 - Схема усовершенствованной методики газодинамического расчета проточной части высконапорных ступеней концевого типа центробежных компрессоров для повышения эффективности турбохолодильных машин

На рисунке 9 представлены основные параметры для расчетного режима проточной части типоряда высокоэффективных центробежных компрессоров на этапах разработанной методики газодинамического расчета. Типоряд покрывает диапазон условного коэффициента расхода Фр от 0,035 до 0,12 на расчетный коэффициент теоретического напора ут.р=0,74. Рассчитанный адиабатный КПД разработанных центробежных компрессоров составляет от 78% до 83,7% в зависимости от расходности ступени.

0.85

"Лад к 0.80

0.75

0.70

0.65

2 1 3 • 1 45 • • • 6 • I > • • 78 • • • • • 9 10 • о • о

1 • > • 1 в • • • • о

д ! й > А ! < ! § д д й А а

• ю 4Б 3Б - пад к - пад к - ут 2Б Д Ю Д4Б - пад к - ут - ут • 3Б Д2Б - пад к - ут -1

1.0

П4

0.8

0.6

0.4

0.2

Ф 0.0

2 3 45 □ 5 6 □ 1 0 78 9 10 П I в [

1 ! 1 В 1 □ 1 1 ] □ □ □ □ []

• ( (

• ( • • 1 • | 1 • | • > | ¡1 1 1

• Ю - □ ю - Срк* 2 П4 2 Б - Срв Б - п4 • 3Б -3Б - Срк • 4 П4 □ 4 Б - Срк Б - п4

Ф

0.03 0.045 0.06 0.075 0.09 0.105 0.12

0.03 0.045 0.06 0.075 0.09 0.105 0.12 Рисунок 9 - Основные параметры для расчетного режима проточной части высокоэффективных центробежных компрессоров на этапах усовершенствованной методики газодинамического расчета

На рисунке 10 представлены газодинамические характеристики разработанных высокоэффективных проточных частей центробежных компрессоров.

а) 1 - Фр=0,035

б) 2 - Фр=0,045

n, W Mu=0,94; Фр=0,055

G.9G u р

G.85 G.8G G.V5 G.VG G.65 G.6G

■- ■—■ 1

s > ^с —f

\

/ .........\

1 <

П*ад

vi

Vт

Пк

в) 3 - Фp=G,G55

n, W Mu=0,94; Фр=0,075

G.9G u р

G.85

G.8G G.V5 G.VG G.65 G.6G

■

—и

1 \ Л

if V 1

Л

456V89G G. G. G. .G .G .G 1.

.G .G .G G. G. .G .G G

a п*ад »vi ♦ vт " Пк

д) 5 - Фp=0,075

n W

G.9G

G.8G G.VG G.6G

Mu=0,93; Фр=0,095

-Я— — 1

i к —И

1

1 1 ■

G. G. G. G. .G 1. .1 1. .G .G .G .G .G .G .G .G G

vi v^ ~""Пк

П*ад

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Данилишин Алексей Михайлович, 2023 год

Литература

Хетагуров В. А., Слугин П. П., Воронцов М. А., Куба-нов А. Н. Опыт и перспективы применения турбодетандер-ных агрегатов на промысловых технологических объектах газовой промышленности России. // Газовая промышленность. 2018. Т, 11, № 777. С. 14-22,

Trigg М. A., Tubby G. Д., Sheard A. G. Automatic genetic optimization approach to two-dimensional blade profile design for steam turbines // J. Turbomach. 1999. Pierret S„ Van den Braembussche R. A. Turbomachinery blade design using a navier-stokes solver and artificial neural network// J. Turbomach. 1999.

Bonaiuti D. et al. Analysis and optimization of transonic centrifugal compressor impellers using the design of experiments technique // J. Turbomach. 2006,

Kim J. H., Choi J. H., Kim K. Y. Design optimization of a centrifugal compressor impeller using radial basis neural network method // Proceedings of the ASME Turbo Expo. 2009. Kim J. H. et al. Mnlti-objective optimization of a centrifugal compressor impeller through evolutionary algorithms // Proc. Inst. Mech. Eng. Part A J. Power Energy. 2010. Федечкин К. С., Фаррахов Ф. А., Егоров И. Н.. Крети-нин Г. В. Оптимизации геометрических параметров диагонального компрессора. Авиадвигатели XXI века. Москва 24-27 ноября 2015 г. Сборник тезисов докладов. М.: ЦИАМ, 2015. 1133 с.

References

Hetagurov V. A., Slugin P. P., Vorontsov M. A., Kubanov A. N. Experience and prospects of using turboexpander units at field technological facilities of the Russian gas industry. Gazovayapromyshlennost'. 2018. vol. 11, no. 777. p. 14-22. (in Russian)

Trigg M. A., Tubby G. R., Sheard A. G. Automatic genetic optimization approach to two-dimensional blade profile design for steam turbines. J. Turbomach. 1999. Pierret S., Van den Braembussche R. A. Turbomachinery blade design using a navier-stokes solver and artificial neural network. J. Turbomach. 1999.

Bonaiuti D. et al. Analysis and optimization of transonic centrifugal compressor impellers using the design of experiments technique. J. Turbomach. 2006.

Kim J. H., Choi J. H., Kim K. Y. Design optimization of a centrifugal compressor impeller using radial basis neural network method. Proceedings of the.ASME Turbo Expo. 2009. Kim J. H. et al. Multi-objective optimization of a centrifugal compressor impeller through evolutionary algorithms, Proc. Inst. Mech. Eng. Part A J. Power Energy. 2010. Fedechkiu K. S., Farrahov F. A., Egorov I. N., Kretinin G. V. Optimization of geometric parameters of the diagonal compressor. Aircraft engines of the XXI century. Moscow, November 24—27, 2015. Collection of abstracts. Moscow: CIAM, 2015. 1133 p. (in Russian)

8. Elfert М. и др. Experimental and numerical verification of an optimization of a fast rotating high-performance radial compressor impeller // J. Turbomach. 2017.

9. LiX., Liu Z., Lin Y. Multipoint and Multiobjective Optimization of a Centrifugal Compressor Impeller Based on Genetic Algorithm // Math. Probl. Eng. 2017.

10. Hildebrandt A., Cevrowskv T. One-dimensional and three-dimensional design strategies for pressure slope optimization of high-flow transonic centrifugal compressor impellers // J. Turbomach. 2019.

11. Danitishin A. M. etai. Design optimization opportunity of the end stage output plenum chamber of the centrifugal compressor for gas pumping unit II AIP Conference Proceedings. 2018. vol. 2007.

12. Vaszi Z., Szabo C., Varga A. Implementing the mathematical model of the throughput of compressor station aggregates // Nonlinear Anal. Model. Control. 2015. vol. 20, no. 2. p. 291-304.

13. DanilishinA. M. et al. The methodology for the existing complex pneumatic systems efficiency increase with the use of mathematical modeling // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. vol. 232, no. 1

14. Симонов A. M. Исследование эффективности и оптимальное проектирование высоконапорных центробежных компрессорных ступеней. / Труды научной школы компрессоро-строения СПбГПУ. Под ред. проф. ГО. Б. Галеркина. СПб.: СПбГПУ, 2010. С. 164-188.

15. Боровиков А. В. Улучшение эксплуатационных показателей компрессоров турбонаддува транспортных дизелей оптимизацией газодинамических, геометрических и режимных параметров. Дис.... д-ра техн. наук: 05.04.02 СПб., 2005. 376 с.

16. ДанилишанА.М., Кожухов Ю. В. Разработка параметрической модели проточной части двухзвенной ступени с осе-радиальным рабочим колесом центробежного компрессора. //Территория .¡Нефтегаз». 2019:1 (1-2):12-18.

17. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulcnce models for engineering applications // AIAA ,T. 1994,

8. Elfert M. et al Experimental and numerical verification of an optimization of a fast rotating high-performance radial compressor impeller. J. Turbomach. 2017.

9. Li X., Liu Z., Lin Y. Multipoint and Multiobjective Optimization of a Centrifugal Compressor Impeller Based on Genetic Algorithm. Math. Probl Eng. 2017.

10. Hildebrandt A., Ceyrowsky T. Onc-dimcnsional and three-dimensional design strategies for pressure slope optimization of high-flow transonic centrifugal compressor impellers. ./. Turbomach. 2019.

11. Danilishin A. M. h Jtp. Design optimization opportunity of the end stage output plenum chamber of the centrifugal compressor for gas pumping unit. AIP Conference Proceedings. 2018. vol. 2007.

12. Vaszi Z., Szabo C., Varga A. Implementing the mathematical model of the throughput of compressor station aggregates. Nonlinear Anal. Model. Control. 2015. vol. 20. no. 2. p. 291-304.

13. DanilishinA. M. et al. The methodology for the existing complex pncumatic systems efficiency increase with the use of mathematical modeling. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. vol. 232, no. 1.

14. Simonov A. M. Efficiency research and optimal design of high-pressure centrifugal compressor stages. / Proceedings of the scientific school of compressor engineering of SPbGPU. Edited by prof. Yu. B. Galerkin. St. Petersburg: SPbGPU, 2010, pp. 164-188, (in Russian)

15. Borovikov A. V. Improving the performance of turbocharging compressors of transport diesel engines by optimizing gas dynamic, geometric and operating parameters. Dis.... Doctor of Technical Sciences: 05.04.02 St. Petersburg, 2005. 376 p. (in Russian)

16. Danilishin A. M., Kozhukhov Y. V. The Development of a Parametric Model of a Flowing Part with Impeller and Vaneless Diffuser of the Centrifugal Compressor Stage, Oil and Gas Territory. 2019:1 (1-2):12-18. (in Russian)

17. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulcnce models for engineering applications. AIAA J. 1994.

Сведения об авторах

Данилишин Алексей Михайлович

Аспирант факультета энергетики и экотехнологий Университета ИТМО, 191002, Россия, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]. SPIN-код: 1162-5118. Scopus Author ID: 56829617000. ORCID: 0000-0002-1213-7114. Web of Science Researcher ID: 1-8113-2017.

Information about authors Danilishin Aleksei M

Postgraduate of the Faculty of Energy and Ecotechnologies, ITMO

University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9,

[e-mail]. SPIN-ko/e 1162-5118.

Scopus Author ID: 56829617000.

ORCID: 0000-0002-1213-7114.

Web of Science Researcher ID: 1-8113-2017.

Кожухов Юрий Владимирович

К. т. н., доцент, доцент факультета энергетики и экотехнологий

Университета ИТМО, 191002, Россия, Санкт-Петербург,

ул. Ломоносова, 9. [e-mail].

SPIN-код: 5756-4994. Scopus Author ID: 56829504700.

ORCID: 0000-0001-7679-9419.

Web of Science Researcher ID: N-9066-2016.

Kozhukhov Yuri V.

Ph. D., Associate Professor, Associate Professor of the Faculty Energy and Ecotechnology, ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9. [e-mail]. SPIN-ko«: 5756^1994. Scopus Author ID: 56829504700. ORCID: 0000-0001-7679-9419. Web of Science Researcher ID: N-9066-2016.

Статья доступна no лицензии

Creative Commons «Attribution-NonCommercial»