Разработка метода расчета и проектирования водородных турбодетандеров с улучшенными эксплуатационными характеристиками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Оганесян, Артур Влятович

• Оганесян, Артур Влятович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Оганесян, Артур Влятович

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО УЧЕТУ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАБОЧЕГО ТЕЛА ПРИ РАСЧЕТЕ ТЕЧЕНИЙ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИНЫ

1.1. Способы учета теплофизических свойств газа при расчете турбин.

1.2. Современное состояние задач оптимального проектирования турбомашин. Постановка задачи оптимизации проточной части турбодетандеров теплоиспользующих энергетических установок.

1.3. Выводы и задачи исследования

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ВОДОРОДНЫХ ТУРБОДЕТАНДЕРОВ С УЧЕТОМ РЕАЛЬНЫХ СВОЙСТВ РАБОЧЕГО ТЕЛА.

2.1. Аналитические соотношения стационарного одномерного течения реального газа с учетом коэффициента сжимаемости

2.2. Особенности газодинамического расчета водородных турбодетандеров

2.3. Алгоритм уточненной методики газодинамического расчета водородных турбодетандеров

2.4. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАБОЧЕГО ТЕЛА В ВОДОРОДНЫХ ТУРБОДЕТАНДЕР АХ.

3.1. Анализ влияния теплофизических свойств рабочего тела на облик проточной части водородного турбодетандера

3.2. Методология экспериментальной отработки водородных турбодетандеров

3.3. Результаты экспериментальных исследований водородного турбодетандера и их анализ

3.3.1. Автономные доводочные испытания водородных турбодетандеров

3.3.2. Исследования водородных турбодетандеров в составе энергетической установки

3.4. Выводы.

РАЗРАБОТКА МЕТОДА УЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ВОДОРОДНЫХ ТУРБОДЕТАНДЕРОВ

4.1. Оценка влияния технологических погрешностей изготовления проточной части на энергетические характеристики водородного турбодетандера.

4.2. Вероятностно-статистические методы оценки технологических погрешностей

4.3. Оценка влияния технологических отклонений в геометрии проточной части водородного турбодетандера на его характеристики

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода расчета и проектирования водородных турбодетандеров с улучшенными эксплуатационными характеристиками»

Актуальность темы. Использование газообразного водорода в качестве рабочего тела водородных турбодетандеров является актуальной задачей. Это связано прежде всего с высокими энергетическими показателями водорода в качестве рабочего тела, доступностью сырья для его получения, экологически чистыми технологиями его использования, а также исчерпае-мостыо запасов углеводородного горючего и непрерывным ростом его стоимости. Одним из наиболее перспективных направлений в области энергосбережения является проблема рекуперации энергии избыточного давления водорода на узлах его редуцирования. Экономически целесообразным, а следовательно, и актуальным является конвертирование оборонных технологий в народное хозяйство.

Несмотря на достигнутые успехи в исследовании вопросов использования газообразного водорода, вопросы создания новых конструкций тепло-передающих и теплоиспользующих установок с осевыми дозвуковыми высокооборотными водородными турбодетандерами (в дальнейшем тексте -«водородные турбодетандеры») изучены недостаточно.

Особенностью водородных турбодетандеров является их работа при высоком уровне давления водорода ( р > 20 МПа ) и относительно низком уровне его температуры ( Т & 300 К ). В процессе расширения, в указанном диапазоне, проявляется отличие реальных свойств газа от свойств газа идеального. Поэтому учет этих факторов и исследования, направленные на совершенствование методов проектирования водородных турбодетандеров, являются актуальными.

Диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления «Физико-технические проблемы энергетики и экологии», тема ГБ 2004.26. per. № 0120. 0411791.

Цель и задачи исследования. Создание эффективной информационно-инструментальной методологии для проведения расчетно-экспериментальных исследований по поиску рационального облика водородных турбо-детандеров.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- разработка методов и средств, позволяющих спроектировать рациональные конструкции водородных турбодетандеров с повышением эффективности их эксплуатационных характеристик;

- разработка инженерного метода расчета зависимости коэффициента сжимаемости и показателя адиабаты нормального водорода от давления и температуры в исследуемом диапазоне (Т=200.400 К, р=8.30 МПа);

- экспериментальное исследование влияния термодинамических параметров рабочего тела на энергетические показатели разработанной конструкции водородного турбодетандера;

- разработка метода оценки влияния технологических погрешностей изготовления проточной части на эксплуатационные характеристики водородного турбодетандера.

Методы исследований. Используются методы на базе классической теории газовой динамики и лопастных машин, технической термодинамики, современные методы физического и математического моделирования с использованием вычислительной техники, методы регрессионного анализа.

Научная новизна.

1. Разработан метод газодинамического расчета водородных турбодетандеров с применением итерационных коррекций значений коэффициента сжимаемости z по каждому из элементов турбодетандерной ступени (сопловой аппарат и рабочее колесо), позволяющий спроектировать рациональные конструкции водородных турбодетандеров с повышением эффективности их эксплуатационных характеристик.

2. Повышена точность газодинамических расчетов водородных турбодетандеров на основе учета реальных свойств водорода в исследуемом диапазоне изменения параметров температуры и давления (Т-200.400 К, р=8.30 МПа).

3. Получено экспериментальное подтверждение эффективности разработанного метода в водородных турбодетандерах.

4. Создан метод оценки влияния технологических погрешностей изготовления проточной части на эксплуатационные характеристики водородного турбодетандера, основанный на статистическом анализе.

Практическая значимость и реализация результатов. Результаты работы применены при проектировании и изготовлении осевых водородных турбодетандеров в ФГУП «Турбонасос», а также использованы при создании агрегатов, работающих на водороде, в институте проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного.

Достоверность результатов. Обеспечивается обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений, применением известных математических методов, а также подтверждается количественным согласованием результатов испытаний и теоретических исследований.

Объектом исследования служат водородные турбодетандеры.

Предметом исследования являются газодинамические процессы в проточной части водородного турбодетандера и отвечающие им элементы конструктивных решений объектов исследования.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на 3-ей Международной научно-технической конференции СИНТ'05 (Воронеж, 2005), на 2-ой научно-технической конференции «Новые разработки и технологии в газотурбостроении» (Украина, Кривой Рог, 2004), на отчетной конференции ВГТУ (Воронеж, 2003), обсуждались на семинарах и совещаниях во ФГУП «Турбонасос», на кафедре НГОиТ ВГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 83 наименований, содержит 104 страницы, включая 11 таблиц, 29 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Оганесян, Артур Влятович

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан метод газодинамического расчета водородных турбоде-тандеров с применением итерационных коррекций значений коэффициента сжимаемости z по каждому из элементов турбодетандерной ступени (сопловой аппарат и рабочее колесо), позволяющий спроектировать рациональные конструкции водородных турбодетандеров с повышением эффективности их эксплуатационных характеристик.

2. Получены инженерные соотношения коэффициента сжимаемости, показателя адиабаты от давления и температуры для определения теплофи-зических свойств нормального водорода в исследуемом диапазоне по Т=200.400 К, р=8.30 МПа при среднеквадратичных отклонениях от табличных значений в пределах 0,05%.

3. Повышена точность газодинамических расчетов водородных турбодетандеров на основе учета реальных свойств водорода в исследуемом диапазоне изменения температуры и давления (Т=200.400 К, р=8.30 МПа).

4. Получены экспериментальные результаты о влиянии термодинамических параметров рабочего тела на эксплуатационные характеристики водородного турбодетандера на основании проведения опытно-промышленных исследований реального объекта. Экспериментальное отклонение не более 2,2% величины приведенного расхода AG, рассчитанного с учетом коэффициента сжимаемости.

5. Установлено, что полученные результаты свидетельствуют о большей значимости влияния коэффициента сжимаемости z(p,T) и показателя адиабаты к(р, Т) на основные технические показатели водородного турбодетандера, по сравнению с влиянием отклонений его геометрических параметров вследствие технологических погрешностей изготовления проточной части.

6. Разработанный метод применен при проектировании и изготовлении осевых водородных турбодетандеров в ФГУП «Турбонасос», а также использован в институте проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного при создании агрегатов, работающих на водороде.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Оганесян, Артур Влятович, 2006 год

1. Кирилин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика — М.: Энергоиздат, 1983. 416с.

2. Техническая термодинамика / Под ред. В.И. Крутова М.: Высшая школа, 1981. - 439с.

3. Шехтман A.M. Газодинамические функции реальных газов: -Справочник. М.: Энергоатомиздат. 1988. - 175с.

4. Валюхов С.Г., Коваль В.А., Васильев Б.П., Оганесян А.В. Повышение эффективности газовой турбины путем применения парогазового рабочего тела. //Труды III международной научно-технической конференции «СИНТ'05».- Воронеж, 2005. С.45-50.

5. Васильев Б.П., Коваль В.А., Канаков В.В., Павленко Г.В. и др. Основы проектирования газотурбинных двигателей и установок. Харьков: Контраст, 2005. - 376 с.

6. Чигрин Л.П. К расчету турбин, работающих на несовершенном газе: Техн. отчет ЦИАМ № 286, 1967. 16с.

7. Клепиков И.А., Стернин Л.Е. Аппроксимация зависимости коэффициента сжимаемости и энтальпии азота от давления и температуры: Техн. справка КБЭМ № 769-243-84, 1984.

8. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука , 1991600с.

9. Термодинамические свойства гелия / Сычев В.В., Вассерман А.А., Козлов А.А. и др. И.: Издательство стандартов, 1984.

10. Термодинамические свойства метана / Сычев В.В., Вассерман А.А., Козлов А.А. и др. И.: Издательство стандартов, 1979.

11. Термодинамические свойства азота / Сычев В.В., Вассерман А.А., Козлов А.А. и др. И.: Издательство стандартов, 1977.

12. Mo Carty R.D., Hord Y., Roder H.M. Selected Properties of Hydrogen

13. Engineering Design Data) NBS Monograph 168, Washington: U.S. Government Printing Office, 1981.

14. Гуров В.И., Лебедева Л.Я., Подвидз Г.Л., Щербакова Е.В. Газодинамический расчет турбины с учетом несовершенства восстановительного газа (02+Н2): Труды ЦИАМ № 1296, 1996. С. 259-274.

15. Загорученко В.А., Журавлев A.M. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана. М.: Издательство стандартов, 1969. - 237с.

16. Попов К.М., Гуров В.И. Нетрадиционные способы использования энергии ветра и природного газа: Труды ЦИАМ № 1297, 1991.- с. 208-211.

17. Гуров В.И., Супонников И.В., Шестаков К.Н. Исследование возможности использования простейших схем турбодетандерных устройств понижение уровня давления природного газа в системах газораспределения: Техн. отчет ЦИАМ № 018-2362, 1998. с. 57.

18. Попов К.М., Гуров В.И., Губанок И.И. Исследование эффективности энергетических установок//Конверсия в машиностроении. 1996. - №1. -с. 43-46.

19. Акоев Е.П. Анализ энергосберегающих технологий детантирова-ния природного газа // Конверсия в машиностроении. 1997. - №5. - с. 3239.

20. Способы работы газотурбодетандерной установки / Гуров В.И., Губанок И.И., Калнин В.М., Попов К. М. и др. Патент РФ № 2096640 по заявке № 94043165/06 от 30.11.94г.

21. Гуров В.И., Калнин В.М., Попов К. М., Шестаков К.Н. и др. Научно-техническое обеспечение оптимального температурного режима турбодетандеров в системе газоснабжения//Конверсия в машиностроении. 1998. -№4. - С. 48-50.

22. Янкин В.И. Система программ для расчета характеристик ВРД на ЭЦВМ. М.: Машиностроение, 1976. - 168 с.

23. Термогазодинамический расчет газотурбинных силовых установок/Под ред. Дорофеева. М.: Машиностроение, 1973, - 14 с.

24. Палагин А.А. Автоматизация проектирования тепловых схем тур-боустановок. Киев: Наук. Думка, 1983. - 180с.

25. Бойко А.В. Оптимальное проектирование проточной части осевых турбин. Харьков: Вища школа, 1982. - 152с.

26. Бойко А.В., Говорущенко Ю.Н. Задачи проектирования осевых турбин ступеней//Энергетика и транспорт. 1985. - №3. - с. 134 - 140.

27. Бойко А.В., Кожевников С.Н., Мельтюхов В.А. Оптимизация формы дозвуковых профилей решеток осевых турбин//Энергетика. 1984. - №6. -с. 119-124.

28. Степанец А.А. Энергосберегающие турбодетандерные установки / Под ред. А.Д.Трухния. М.: ООО «Недра - Бизнесцентр», 1999. - 258 с.

29. Чуев Ю.В., Спехова Г.А. Технические задачи исследования операций. М.: Сов. радио, 1971. - 244с.

30. Бойко А.В., Говорущенко Ю.Н., Ершов С.В., Русанов А.В. Аэродинамический расчет и оптимальное проектирование проточной части тур-бомашин Харьков: НТУ «ХПИ» 2002. - 356 с.

31. Андерсон Д., Таннехил Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидроме-* ханика и теплообмен. М.: Мир, 1990.-726 с.

32. Беляев Н.М., Приходько А.А. Численные методы решения уравнений Навье-Стокса сжимаемого газа. Днепропетровск: ДГУ, 1986. - 140 с.

33. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. - 616 с.

34. Флетчер К Вычислительные методы в динамике жидкостей: В 2-х т.-М.: Мир, 1991.-Т.2. 552с.

35. Г. Вирсу; Ж. Смолдрен. Численные методы в динамике жидкостей М.: Мир, 1981.- 407с.

36. McNalli W.D.; Sockol P. М. Review Computational methods for internal flows with emphasis on turbomachinery // Trans. ASME. J.Fluid eng.-1985; 107; №1.-P. 6-22.

37. Shang J.S. An assessment of numerical solutions of the compessible Navier- Stokes equations // ALAA J. 1985; 23; №5. - P. 353-370.

38. Stow P. Modelling viscous flows in turbomachinery. -Thermodynamics and fluid mechanics of turbomachines. 1985.- P. 37-71.

39. Turkel E. Progress in computational physics // Comput. And Fluids. -1983; 11; №2. -P. 121-144.

40. Dawes W.N. Toward improved throughflow capabiliti. The use of 3D viscous flow solvers in a multistage environment // ASME Pap. 1990; № GT-18.-P. 1-10.

41. Елисеев Ю.С. «Салют» интенсивно внедряет CALS технологии/Двигатель. - 2003. - №4. - С. 6-7.

42. Кампсти Н. Аэродинамика компрессоров .- М.: Мир, 2000. 688с.

43. Чой Д., Найт Ч. Дж. Расчет трехмерного вязкого течения в прямой решетке профилей // Аэрокосмическая техника. -1990. №1. - с. 108-115.

44. Иванов М.Я.; Крупа В.Г.Неявный нефакторизованный метод расчета турбулентных течений вязкого теплопроводного газа в решетках тур-бомашин // Вычислительная математика и математическая физика. 1991; №5. - с.754-766.

45. Denton J.D. The calculation of 3D viscous flow through multistage turbomachines // ASME Pap. 1990; № GT - 19. - P. 1-15.

46. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1986. -376 с.

47. Диксон СЛ. Механика жидкостей и газов. Термодинамика турбо-машин. М.: Машиностроение; 1981,- 213 с.

48. Индурский М.С., Ржезников Ю.В. Метод расчета осесимметрично-го потока в ЦНД паровой турбины // Теплоэнергетика. 1977.- №10. - с. 1722.

49. Иванов М.Я., Кимасов Ю.И. Численное решение прямой задачи для осредненного осесимметричного потока идеального газа в степени тур-бомашины: Техн. отчет ЦИАМ, №7281. 1994.-38с.

50. Denton J.D. Lessons from Rotor 37// Proc. 3 Internat. Symp. Aerothermodynamics of Internal Flows. Sept. 1996, Beijing, China. - 1996. - P. 3-14.

51. Иванов М.Я.; Крупа В.Г. Расчет трехмерного течения вязкого газа в прямой решетке профилей // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 1993; №4.-с. 58-68.

52. Анучина Н.Н., Бабенко К.И., Годунов С.К. Теоретические основы конструирования численных алгоритмов задач математической физики. -М.: Наука, 1979,-226с.

53. Абианц В.Х. Теория авиационных газовых турбин -М.: Машиностроение. 1979, - 246с.

54. Шерстюк А.Н. Расчет течений в элементах турбомашин М.: Машиностроение, 1967. - 187с.

55. Валюхов С.Г., Гуров В.И., Стернин J1.E., Оганесян А.В. Учет реальных свойств водородного газа при расчете турбин.// Конверсия в машиностроении, 2004, №5. С. 11 -13.

56. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988. - 239 с.

57. Драйпер Н. и Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Статистика, 1970.

58. Дьяконов В. MATHCAD 8/2000: специальный справочник СПб: Питер, 2001. - 592с.

59. McCarty R.D., Hord J., Roder H.M. Selected Properties of Hidrogen (Engineering Design Data) NBS Monograph 168, Washington: U. S. Government Printing Office, 1981.

60. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972.384 с.

61. Румшиский JT.3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. - 192с.

62. Валюхов С.Г., Оганесян А.В. Расчет характеристик газообразного водорода как топлива для агрегатных турбин. // Сб. Труды 2-й научно-технической конференции «Новые разработки и технологии в газотурбостроении», 2004 г., С. 22-23.

63. Щегляев А.В. Паровые турбины. М.: Энергия, 1967 - с.

64. Кириллов И.И. Теория турбомашин. JL: Машиностроение, 1972. - 535 с.

65. Валюхов С.Г., Ярославцев С.В., Оганесян А.В., Оболонская Е.М. Инженерная методика газодинамического расчета малоразмерных тихоходных турбин. Научно-технический отчет № 10. Воронеж: ДП ТН КБХА,2000.-208 с.

66. Руководящий технический материал авиационной техники. РТМ 1614 -79 Турбины авиационных газотурбинных двигателей. Расчет газодинамических потерь. М.: НИИСУ, 1979. 24с.

67. Stodola A. Damf- und Gasturbinen. Berlin, 1924. - 857 S.

68. Уваров В.В. Газовые турбины и газотурбинные установки. М.: Высшая школа, 1970. - 320 с.

69. Дейч М.Е., Трояновский Б.М. Исследование и расчет ступеней осевых турбин. М.: Машиностроение, 1964. — 628 с.

70. Стационарные газотурбинные установки. Справочник/JI.В. Ар-сеньев, В.Г. Тырышкин, И.А. Богов и др. -JL: Машиностроение, 1989.-543 с.

71. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. — М.: Машиностроение, 1986. — 431 с.

72. Оболонская Е.М., Оганесян А.В., Ярославцев С.В. Инженерная методика проектировочного расчета центробежных компрессоров // Труды I международной научно-технической конференции «СИНТ'01». Воронеж,2001. С.75-77.

73. Хорлок Дж. X. Осевые турбины (газовая динамика и термодинамика): Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1972. — 212 с.

74. Шнеэ Л.И., Капинос В.М. Газовые турбины. — М.: Машиностроение. 4.1. 1976. 295 е.; 4.2. 1977. 279 с.

75. Валюхов С.Г., Оганесян А.В. Метод формирования облика малоразмерных водородных турбин. //Труды III международной научно-технической конференции «СИНТ'05».- Воронеж, 2005. С.40-45.

76. Валюхов С.Г., Коваль В.А., Оганесян А.В. Аппроксимационные характеристики водородного топливного газа. // Сб. НАН Украины «Проблемы машиностроения», 2005, №1. С.

77. Валюхов С.Г., Витошкин А.А. Конструкция и подтверждение конструкции диска турбины со встроенными лопатками. Технический отчет по фазе А контракта 6600-04-1406.-Воронеж: КБХА, 1995.-49с.

78. Рачук B.C., Валюхов С.Г., Витошкин А.А. Реальные плоды со-трудничества//Аэрокосмический курьер.-1999.-ЖЗ.-С.41.

79. Коденцев С.Н., Крюков B.C., Сухочев Г.А. Повышение качества поверхности межлопаточных каналов после электроэрозионной обработ-ки//Труды II международной научно-технической конференции «СИНТ'03».-Воронеж: ООО «Оригами», 2003.С.413-418.

80. Андрейкив А.В., Панасюк В.В., Ткачев В.И. Влияние водорода на работоспособность металлических материалов и конструкции/Научно-технический юбилейный сборник 1941-2001гг., КБХА, ИПФ «Воронеж», 2001.С.511-516.

81. Бондаренко Т.В., Дмитренко А.И., Холодный В.И. Горячее изоста-тическое прессование современный метод обеспечения высоких технических характеристик изделий. Научно- технический юбилейный сборник 1941-2001гг., КБХА, ИПФ «Воронеж», 2001.С.517-523.

82. Валюхов С.Г., Витошкин А.А. Заключительный этап контракта 6600-96-2376. Технический отчет.-Воронеж: КБХА, 1998.-40с.