Создание математической модели и программных комплексов для проектирования холодильных центробежных компрессоров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Данилов, Кирилл Анатольевич

• Данилов, Кирилл Анатольевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Данилов, Кирилл Анатольевич

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

2. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

2.1. Основные уравнения для расчета КПД, используемые при математическом моделировании.

2.2. Об определении коэффициента теоретического напора

2.3. Расчет потерь дискового трения

2.4. Расчет коэффициента внутренних протечек

2.5. Свячь между коэффициентом потерь лопаточной решетки и коэффициентом силы сопротиапения

2.6. Некоторые особенности течения в центробежных компрессорных ступенях

2.7. Основные уравнения математических моделей потерь

2.8. Уравнения"расчета профильных потерь существующих ММ

2.9. Уравнения для расчета потерь на ограничивающих поверхностях существующих ММ

2.10. Расчет потерь в беуюпаточных участках

2.11. Учет влияния критериев подобия

2.12. Учет влияния трехмерного характера течения

2.13. Возможности осуществленных математических моделей.

2.14. О методах проектирования проточной части ступеней.

2.15. Выводы

3. ПРЯМАЯ ЗАДАЧА

3.1 Исходные данные

3.2 Описание алгоритма

3.2.1 Расчет рабочего колеса на расчетном режиме

3.2.2 Расчет рабочего колеса на нерасчетном режиме.

3.2.3 Расчет лопаточных аппаратов ЛД и ОНА.

3.2.4 Расчет потерь в лопаточных решетках.

3.2.5 Расчет потерь в безлопаточных элементах.

3.2.6 Расчет потерь в выходных элементах ' 114 3.3 Расчет характеристики ступени 118 4.0БРАТНАЯ ЗАДАЧА

4.1 Исходные данные

4.2 Описание алгоритма.

4.2.1 Расчет рабочего колеса.

4.2.2 Расчет лопаточного диффузора и ОНА.

4.2.3 Расчет безлопаточных участков.

4.2.4 Расчет выходных устройств концевых ступеней.

5. ИДЕНТИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

5.1. Программа идентификации математической модели,

5.2. Экспериментальные данные, внесенные в базу данных.

5.3. Экспериментальные данные для идентификации.

5.4. Результаты идентификации потерь напора (КПД). 140 5.5 Моделирование и идентификация модели теоретического напора 144 5;6 Определение коэффициента теоретического напора в расчетной точке.

5.7 Определение зависимости теоретического напора от расхода.

5.8 Результаты идентификации модели напора.

5.9 Выводы '

6. ПРОГРАММА ОПТИМИЗАЦИИ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ХОЛОДИЛЬНОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА.

6.1 Описание алгоритма.

7. Проверка работоспособности программного комплекса.

Оптимизация холодильного компрессора сопоставлением вариантов.

7.1. Постановка задачи. 160'

7.2. Описание вариантов.

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Данилов, Кирилл Анатольевич

8.РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В описанной модели потерь реализован метод универсального моделирования, позволяющий исследовать широкий спектр проблем проектирования центробежных ступеней холодильных компрессоров, вместе с тем у существующего алгоритма имеется ряд особенностей, которые позволяют говорить о разработке новой, более совершенной, по сравнению с имеющимися версию математической модели. Представим вкратце то новое, что было внесено в алгоритмы решения прямой и обратной задач:

1. Описание формы проточной части ступени сделано более детально, а именно:

1.1. Введено приближенное (наиболее полное в рамках программ первого уровня, о которых идет речь) описание действительной формы лопаток - в существующих программах первого уровня эта форма не задавалась, а при определении геометрических параметров принимались произвольные допущения. Например, для рабочих колес промышленного типа с радиально расположенными лопатками цилиндрической формы предполагалось, что их поверхность есть часть кругового цилиндра. В частности, учитывается различие между аэродинамически профилированными и традиционными лопаточными аппаратами, одно - и двухярусными лопаточными аппаратами.

1.2. Учтена возможность наличия в проточной части любого ■количества безлопаточных участков, таких как: безлопаточный диффузор, следующий за лопаточным диффузором (перед повортным коленом ступени промежуточного типа, или перед выходным устройством ступени концевого типа) и аналогичный безлопаточный диффузор после поворотного колена и перед лопатками обратно-направляющего аппарата.

1.3. Учтена возможность того, что безлопаточные радиальные участки могут иметь неременную ширину - профилированные безлопаточные диффузоры, - что не предусматривается существующими программами.

1.4. Учтена возможность того, что лопаточный диффузор может иметь лопатки переменной высоты.

2. Уточнен расчет безлопаточного участка диффузора, предшествующего лопаткам диффузора. Так называемый комбинированный диффузор ступеней конструкции ВНИИХолодМаш включает достаточно длинный безлопаточный участок, течение в котором существующими программами рассчитывается приближенно.

3. Составлен гибкий алгоритм для расчета течения и потерь в выходных устройствах концевых ступеней:

3.1. Уточнены ударные потери, возникающие на нерасчетных режимах, если выходному устройству предшествует безлопаточный диффузор.

3.2. Предусмотрена возможность расчета не только трапецевидных и круглых наружных улиток (как в существующих программах), но и внутренних круглых улиток и внутренних сборных камер. Кроме того, возможно непосредственное задание коэффициента потерь выходного устройства по его известным газодинамическим характеристикам. Такая возможность важна для описания характеристик ступеней ВНИИХолодМаш, имеющих выходное устройство специфической конфигурации,

4. В связи с большим изменением плотности газа в ступенях холодильных компрессоров предусмотрены изменения в алгоритме, позволяющие при нулевом итерационном цикле получить значения плотностей, наиболее близкие к действительным; Для этого разработаны соответствующие полузмпирические уравнения. Расчет изменения параметров дополнен алгоритмом для расчета при возникновении скачков уплотнений.

5. В алгоритм внесен ряд усовершенствований для более корректного описания отдельных видов потерь напора. Целесообразность этих изменений проверена в процессе идентификации модели.

6. Создана программа 1-го уровня для оптимального проектирования проточной части центробежных компрессоров, в которой учтена специфика компрессоров холодильных установок. Задача оказалась более сложной, чем предполагали ч * разработчики. Структура комплекса намного сложнее, чем у предшественников,

171 . что предопределило более широкие возможности применения. Вытекающий недостаток - появилась вероятность неустойчивой работы - расхождение многочисленных итерационных процессов при неблагоприятном сочетании режимных и геометрических параметров

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Данилов, Кирилл Анатольевич, 1999 год

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1991. 824 с.

2. Апанасенко Л.И. Исследование работы и расчет характеристик центробежных компрессорных ступеней. Дне. канд. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1976, 299 с.

3. Бухарин H.H. Исследование канально-лопаточных диффузоров центробежных компрессоров, Автореф. дис. канд. тех. наук. Л,: ЛПИ, 1966. 17 с.

4. Галеркин Ю.Б. Исследование, методы расчета и проектирования проточной части стационарных центробежных компрессоров. Автореф. дис. докт. тех. наук. Л.:ЛПИ, 1974. 34 с.

5. Галеркин Ю.Б.и др. Отработка проточных частей нагнетателей природного газа газоперекачивающих агрегатов ГПА-Ц-16 /100-125/. В кн.: тез. докл. УП ВНТК. Казань, 1985.

6. Галеркин Ю.Б. Никифоров А.Г., Тихонов В.В. и др. Математическое моделирование характерны ики ступени центробежного компрессора. В кн.: Динамика тепловых процессов. Киев: Изд-во АН УССР, 1980, С. 16-20.

7. Галеркин Ю.Б., Нуждин A.C., Селезнев К;П. Влияние формы профиля безлопаточного диффузора на эффективность работы центробежной ступени. В кн.: Исследования в области компрессорных машин. Киев: Изд-во АН УССР, 1970, с.202-214.

8. Галеркин Ю.Б., Рекстин Ф.С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. Л.: Машиностроение, 1969. 303 с.

9. Галеркин Ю.Б., Данилов К.А., Митрофанов В.П., Попова ЕЛО. К использованию численных методов при проектировании проточной части центробежных компрессоров. Спб: СПбГТУ, 1996. 68 с.

10. Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах. Л.: Машиностроение, 1973. 268 с.

11. Джонстон Дж.П. Подавление турбулентности в течениях со сдвигом во вращающихся системах. Тр. Амер. об-ва инж.-мех. 1973, № 2. Теоретические основы инженерных расчетов, с. 131-140.

12. Евгеньев С.С., Ибрагимов Ю.Ю., Якин С.Б. Влияние формы вращающегося диска и неподвижной стенки на распределение давления между ними. В кн.: Исследования в области компрессорных, машин, Казань, 1971.

13. Еженедельник авиации и космической технологии /Изд. на русском языке/ сентябрь 199<)г.(США). ■

14. Зуев A.B. Исследование рабочих колес центробежных компрессоров о различным законом распределения скоростей по лопаткам. Дис. канд. тех. наук, Л.:ЛПИ, 1970. 293с.

15. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машинострое-ние, 1975. 464 с.

16. Кириллов А.И. Методы аэродинамического совершенствования ступеней мощных тепловых турбин. Автореф. дис. докт. тех. наук, Л.: ЛИП, 1980. 44 с.

17. Кириллов И.И. Теория турбомашин. Л.: Машиностроение, 1979. 536 с.

18. Козлов А.Е. Исследование эффективности стационарных центробежных компрессорных ступеней методом математического моделирования. Дис. канд. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1977. 319 с.

19. Костюченко А.Ф. и др. Математическая модель промежуточной компрессорной ступени и многоцелевой комплекс программ для системы автоматизированного проектирования. ЦНТИХИМНЕФТЕМАШ, № 1731, М., 1987.

20. Ладе Ю.Б. Исследование безлопаточных диффузоров И обратных направляющих аппаратов малорасходных ступеней центробежных компрессоров. Дис. канд. тех. наук. Л.:ЛПИ, 1980. 321 с.

21. Лапшин К. А. Методы оптимального проектирования проточных частей тепловых турбин с использованием модельных и унифицированных лопаточных венцов. Автореф. дис. докт. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1985, 39 с.

22. Лойцянский Л.Г. Механика жидкостей и газа. М.: Наука, 1973. 736 с.

23. Локтаев С.В. Анализ пространственного течения и профилирования рабочих колес унифицированных центробежных компрессорных ступеней повышеннойч оэффективности. Лис. канд. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1985. 294 с.

24. Митрофанов. В.П. исследование течения газа в центробежных компрессорных колесах с различным характером распределения скоростей и нагрузкой по лопаткам. Дис. канд. тех. наук. Л.: Л ПИ, .1977. 313 с.

25. Мифтахов A.A. Исследование, расчет и проектирование выходных устройств центро-бежных компрессоров: учеб. пособие. Казань: КХТИ, 1980. 78 с.

26. Михайлов В. А. Математическая модель для расчета энергетических характеристик центробежных компрессорных ступеней в квазитрехмерной постановке. Дис. канд. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1985. 245 с.

27. Набавани Р.Н. Определение радиальных размеров входа в рабочие колеса промышленных центробежных компрессоров с учетом пространственного обтекания лопаток, Дис. канд. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1982, 201 с.

28. Никифоров А.Г. Исследование потерь в двухзвенной ступени центробежного ком-прессора. Дис. канд. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1973. 251 с.

29. Нуждин A.C. Повышение энергетической эффективности центробежных холодильных компрессоров путем совершенствования проточной части. Дис. докт. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1987. 380 с.

30. Полес М.Р. Разработка методов проектирования ступеней промышленных центробеж-ных компрессоров с высокорасходными: рабочими колесами с пространственными лопатками. Автореф. дис. канд. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1982. 18 с.

31. Попова Е.Ю. Оптимизация основных параметров ступеней турбомашин на основе математического моделирования. Дис. канд. тех. наук. СПб: СПбГТУ 1991. 275 с.

32. Пфляйдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М.:Машгиз, 1960 683 с.

33. Рекстин А.Ф. Оптимизация проточной части промежуточных ступеней центробежного компрессора с применением математической модели потерь и элементов САПР. Автореф. дис. канд. тех, наук. Л.: ЛПИ, 1990. 16 с.

34. Рекстин Ф.С. Исследование влияния числа лопаток на эффективность работыцентробежного компрессорного колеса с одноярусной и двухъярусной решетками.

35. Автореф. дис. канд. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1961. 18 с.

36. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. М.-Л.: Машиностроение, 1964. 335 с.

37. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Л.¡Машиностроение, 1981. 351 с.

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

39. Садовский Н.И., Стрижак Л.Я., Васильев А.Н. Влияние числа Ие и шероховатости поверхностей на характеристики малорасходных рабочих колес центробежных компрессоров высокого давления. Сумы: ЦИНТХИМНЕФТЕМАШ, 1989, с.81.

40. Саламе С.И. Расчет потерь в центробежных компрессорных ступенях с осерадиальными полуоткрытыми рабочими колесами на основе математического моделирования. Дис. канд. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1982. 198 с.

41. Селезнев К. П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры. Л.: Машиностроение, 1982. 271 с.

42. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б., Зыков В.И. Исследование межступенчатого канала секции центробежного компрессора. Тр. ЛПИ, 1965, № 247, с.64-74.

43. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б., Попова Е.Ю. Упрощенная математическая модель для предварительной оптимизации проточной части центробежных компрессорных ступеней: Учеб. пособие рукописный фонд киф. компрессоростроения ЛГТУ, Л., 1986, 49 с.

44. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б., Попова Е.Ю. Упрощенная математическая модель потерь в центробежной компрессорной ступени. Химическое и нефтяное машиностроение, № 10, 1987. 5с.

45. Селезнев К,П. и др. Теория и расчет турбокомпрессоров. ' Л.: Машиностроение, 1986 с. 389 с.

46. Селезнев К.П., Подобуев Ю.С., Анисимов С. А. Теория и расчеттурбокомпрессоров. Л.: Машиностроение, 1968. 408 с.

47. Селезнев К.П., Тучина И.А., Шкарбуль С.Н. Исследование пространственной структуры потока в каналах центробежного колеса с радиальными на выходе лопатками. Тр. ЛПИ, 1970, № 316, С. 157-162.

48. Стрижак Л.Я. Исследование влияния формы межлопаточных- каналов центробежного компрессорного колеса на его характеристики. Дис. канд. тех. наук, Л.; ЛПИ, 1968. 235 с.

49. Сухомлинов И.Я. Повышение эффективности паровых турбохолодильных машин путем унификации ступеней и оптимизации параметров центробежных компрессоров. Автореф. дис. докт. тех. наук. Л.: ЛПИ, 1988. 33 с.

50. Тихонов В.В. Разработка метода расчета энергетических характеристик ступени центробежного компрессора на основе математического моделирования рабочего процесса. Автореф. дис. канд. тех. наук. Л.ЛПИ, 1981. 20 с.

51. Фоулер Х.С. Распределение скоростей и устойчивость течения во вращающемся канале. Тр. Амер. об-ва инж.-мех., 1968, № 3. Энергетические машины и установки, с. 17-25.

52. Шкарбуль С.Н. Исследование пространственных течений вязкой жидкости в рабочих колесах центробежных компрессоров. Автореф. дис. докт. тех. наук. Л.ЛПИ, 1973. 20 с.

53. Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры. М.: Машгиз, 1959. 679 с.

54. Advanced Topics in Turbomachinery Technology Principal Lecture Series №2 (PLS-2). Editor D. Japikse, Concepts ETI Inc., Norwich, Vermont 05055, USA, 1986.

55. Galerkin J., Osnaghi C. Studio del flussu meridiano potenziale in giranti di compressori centrifughi industrial. La Termotechnica, vol XXVII, 1973, № 8, p. 406408. .

56. Kline S.J., J.P.Johnston Diffusers-flow phenomena and design. An /53/, chapter 6.

57. Seleznev K.P., Galerkin J.B. Mathematical Modelling of Performance Characteristics and Optimization of Turbomachine Stages, International Gas Turbine ' Congress, Tokyo, 1983, 7p.