Создание метода схематизации диаграмм скоростей обтекания лопаток рабочих колес центробежных компрессорных ступеней тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Лысякова, Анна Андреевна

• Лысякова, Анна Андреевна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лысякова, Анна Андреевна

Условные обозначения

Введение. Цель работы, основное содержание

1 Состояние вопроса

2 Методика численного эксперимента

2.1 Основы расчета газодинамических характеристик Методом универсального моделирования

2.2 Параметры эпюры скоростей, подлежащие определению

2.3 Объекты численного эксперимента

2.4 Особенности проектирования РК

2.4.1 Выбор коэффициента формы входа в рабочее колесо Кг

2.4.2 Выбор относительного радиуса закругления покрывающего диска Я*

2.4.3 Угол наклона образующей входной кромки

2.4.4 Особенности определения выходного угла лопаток Рл

2.4.5 Выбор числа лопаток

2.5 Сопоставление диаграмм скоростей объектов численного эксперимента с типичными колесами ПЦК

3 Исследование рабочих колес с различными относительными диаметрами втулки

3.1 Влияние Ивт при ¥трасч = 0,6, Фрасч= var

3.1.1 Рабочие колеса с ФраСч = 0,

3.1.2 Рабочие колеса с Фрасч = 0,

3.1.3 Рабочие колеса с ФраСч = 0,

3.2 Влияние £>ви при Фрасч= 0,06, Ч'Трас^уаг

3.2.1 Рабочие колеса с ^Трасч = 0,

3.2.2 Рабочие колеса с Ттрасч = 0,

3.2.3 Рабочие колеса с Ттрасч = 0,8 64 3.3 Основные результаты исследования PK с различными относительными диаметрами втулки

4 Исследование рабочих колес с различными коэффициентами теоретического напора

4.1 Рабочие колеса с ФраСч= 0,

4.2 Рабочие колеса с Фрасч = 0,

4.3 Рабочие колеса с Фрасч= 0,

4.4 Основные результаты исследования PK с различными коэффициентами теоретического напора

5 Исследование рабочих колес с различными условными коэффициентами расхода

5.1 Влияние Фрасч при Dem = 0,2, ^трасч = var

5.1.1 Рабочие колеса с ^Тр^ = 0,45, Dem = 0,

5.1.2 Рабочие колеса с ^Трасч = 0,6, Dem = 0,

5.1.3 Рабочие колеса с Ч'Трасч = 0,8, Dem = 0,

5.2 Влияние ФраСч при Dem = 0,3, Ч'Трас, = var

5.2.1 Рабочие колеса с Ттрасч = 0,45, Dem =0,

5.2.2 Рабочие колеса с ^трасч = 0,6, Dem = 0,

5.2.3 Рабочие колеса с *РтРасч = 0,8, Dsm = 0,

5.3 Влияние Фрасч при Z) ет — 0,4, ^РТрасч — var

5.3.1 Рабочие колеса с ^Ртрасч = 0,45, Dem = 0,

5.3.2 Рабочие колеса с ^траСч = 0,6, Dem =0,

5.3.3 Рабочие колеса с ¥трасч = 0,8, Dem = 0,

5.4 Основные результаты исследования PK с различными условными коэффициентами расхода

6 Анализ и обобщение результатов

6.1 Аппроксимация результатов расчетного исследования

6.1.1 Формулы для расчета коэффициента Kw3i

6.1.2 Формула для расчета коэффициента Kw

6.1.3 Формула для расчета коэффициента Kw„

6.2 Проверка результата аппроксимации 130 Заключение. Основные результаты 133 Литература

Условные обозначения и сокращения Условные обозначения с - абсолютная скорость (скорость потока в неподвижной системе координат) w - относительная скорость (скорость потока во вращающейся системе координат), скорость вращения и - окружная скорость са - коэффициент подъемной силы cw - коэффициент силы сопротивления cf - коэффициент силы сопротивления трения - площадь поперечного сечения w - — = —-— — замедление потока с2/с, hj = си2и2 — си1щ - подведенный напор hw - потерянный напор ц/т=~"22 2 — си2~ коэффициент теоретического напора

ДЛрк=0,5^ \2 С ' Л

2íi \U2J

- потери КПД в рабочем колесе tj - политропный коэффициент полезного действия ¿¡ — коэффициент потерь

У = cmu = (puf - объемная производительность р m = cV = —— (puf — массовая производительность RT

-* г»2— ~~ Условный коэффициент расхода

Ро л^г и

7t — отношение давлений

R - газовая постоянная, к-—- показатель изоэнтропы (адиабаты) к - показатель политропного процесса к-1 '

Re — число Рейнольдса Ro - условное число Россби

М„ = ,Ul - условное число Маха

JkRT*

Ъ - высота лопатки - толщина лопатки

Ьл - длина лопатки z - число лопаток

Рл - угол лопатки рабочего колеса

Rn - радиус средней линии дуговой лопатки

Сокращения

КВХТ - Кафедра компрессорной, вакуум ной и холодильной техники КПД — коэффициент полезного действия РК - рабочее колесо

СПбГПУ - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

ПЦК - промышленный центробежный компрессор Подстрочные индексы

1, 2, - параметры потока на входе и выходе лопаточной решетки рабочего колеса расч - относящийся к расчетному режиму (по расходу) РК - рабочее колесо т - проекция скорости на меридиональную плоскость г — проекция скорости на радиальное направление и - проекция скорости на окружное направление г - проекция скорости на осевое направление

Надстрочные индексы - относится к полным параметрам (параметрам торможения) 1с=с/щ Ь -Ы £>2 - надстрочная черта означает, что скорость отнесена к характерной скорости вращения, линейный размер отнесен к характерному линейному размеру (наружному диаметру рабочего колеса).

Введение. Цель работы, основное содержание

Центробежные компрессоры применяются для обеспечения многих производственных процессов в металлургической, машиностроительной, горнорудной, нефтеперерабатывающей, холодильной промышленности и других. В газовой промышленности в основном используются центробежные компрессоры. Расходуемая на их привод энергия очень велика (пример -только в системе ОАО «Газпром» их установленная мощность равна почти 45 млн. кВт), поэтому требования к газодинамическому совершенству проточных частей высоки. Так как стоимость экспериментов, необходимых для получения наивысшей возможной экономичности, проверки и доводки газодинамических параметров новых машин постоянно возрастает, совершенствование методов газодинамического проектирования актуально.

Теоретические и экспериментальные исследования Проблемной лаборатории компрессоростроения кафедры КВХТ позволили разработать математические модели газодинамических характеристик центробежных ступеней и компрессоров по геометрическим параметрам и безразмерным газодинамическим критериям подобия. Оптимальное проектирование Методом универсального моделирования [44] подразумевает сопоставление сотен вариантов возможного исполнения проточной части. Высокое -быстродействие обеспечено, в частности, за счёт схематизации течения в проточной части. Метод универсального моделирования позволил быстро и с минимальными затратами создать ряд высокоэффективных центробежных компрессоров для газовой промышленности и других отраслей [44, 3], однако его компьютерные программы могут быть усовершенствованы.

Цель диссертационного исследования — это создание метода схематизации диаграмм скоростей обтекания лопаток рабочих колес центробежных компрессорных ступеней для повышения точности расчета газодинамических характеристик с помощью компьютерных программ Метода универсального моделирования. Знание параметров диаграмм обтекания лопаток необходимо для расчета основной части потерь в рабочем колесе - потерь трения и смешения следа за лопатками с ядром потока.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание метода схематизации диаграмм скоростей обтекания лопаток рабочих колес центробежных компрессорных ступеней»

Личный вклад автора в решение проблемы. С использованием приемов Метода универсального моделирования [36] автором спроектировано 98 рабочих колес в диапазоне параметров проектирования: условные коэффициенты расхода Фрасч = 0,02. 0,09, коэффициенты теоретического напора уТрасч = 0,45.0,8, втулочные отношения Ъет =

0,2.0,45 соответствуют значениям у типичных ступеней промышленных компрессоров. По компьютерной программе ЗДМ.2ДС [9] рассчитаны диаграммы поверхностных скоростей обтекания лопаток этих рабочих колес невязким квазитрехмерным потоком. Анализ диаграмм выявил газодинамические и геометрические параметры, определяющие численные значения местных скоростей в начале и конце передней и задней поверхностей лопаток, используемые при расчете потерь напора. Получены алгебраические зависимости, которые использованы в программах Метода универсального моделирования для повышения надежности расчетов.

Научная новизна. Взамен ранее использованной в программах Метода универсального моделирования схематизации течения в проточной части предложены новые аппроксимационные зависимости для расчета характерных точек эпюры скоростей. Применение предложенных формул позволяет рассчитывать потерянный в проточной части напор с более высокой точностью без использования трудоемких расчетов обтекания рабочих колес.

Практическая значимость работы. В результате анализа и обобщения результатов поставленного численного получены аппроксимирующие формулы для определения характерных точек диаграммы скоростей на лопатках РК центробежных компрессоров. Формулы использованы в новой версии программ Метода универсального моделирования. Это позволило производить более точный расчет профильных потерь с помощью быстродействующих программ первого уровня.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Неделях науки в СПбГПУ, на Российской студенческой научно-практической конференции «Вакуумная, компрессорная техника и пневматика» (МГТУ, 2008 г.), на Политехническом Симпозиуме «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» (СПбГПУ, 2009 г.) и на третьем Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (СПбГПУ, 2009 г.).

Достоверность результатов. Для проверки пригодности аппроксимирующих зависимостей были спроектированы рабочие колеса со значениями газодинамических параметров: условного коэффициента расхода Фрасч, коэффициента теоретического напора хРтрасч5 условного числа Маха Мц, а также конструктивных ограничений Ъет и которые отличались от принятых для серии РК из численного эксперимента.

Характерные скорости на поверхности лопаток, рассчитанные по программе невязкого обтекания ЗДМ.2ДС сопоставлены с расчетами по аппроксимирующим формулам. Погрешности расчета по рекомендованным формулам приемлемы для практического использования в новой версии программы Метода универсального моделирования для расчета газодинамических характеристик центробежных компрессорных ступеней.

Реализация работы в промышленности. Полученные аппроксимационные зависимости использованы в новой версии программ расчета характеристик и оптимального проектирования Метода универсального моделирования центробежных компрессоров кафедры КВХТ.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано семь работ. Основные результаты опубликованы в научно-техническом журнале «Компрессорная техника и пневматика».

Основные положения, выносимые на,защиту:

• Рекомендации по проектированию РК с помощью программ Метода универсального моделирования.

• Результаты анализа диаграмм скоростей, обтекания лопатки: выявленные газодинамические и геометрические параметры, определяющие численные значения местных скоростей в начале и конце передней и задней поверхностей лопаток, используемые при расчете потерь напора.

• Полученные аппроксимационные зависимости для расчета характерных точек диаграммы скоростей на лопатках РК центробежных компрессоров.

• Результаты сопоставления характерных скоростей на поверхности лопаток, рассчитанных по программе невязкого обтекания ЗДМ.2ДС, с расчетами по аппроксимирующим формулам.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 49 наименований. Работа изложена на 141 странице, содержит 84 рисунка и 23 таблицы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лысякова, Анна Андреевна, 2010 год

1. Бухарин H.H. Моделирование характеристик центробежных компрессоров Текст./ H.H. Бухарин. Л.: Машиностроение, 1983. - 214 с.

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

3. Галеркин Ю.Б., Митрофанов В.П. и др. Исследование рабочих колес конструкции ЛИИ применительно к типичным ступеням стационарных центробежных компрессоров. Отчет 9337. Спб. ЛИИ, 1976.

4. Галёркин Ю.Б., Зараев В.И. и др. Отчёт о научно-исследовательской работе «Анализ пространственного течения и профилирование рабочих колёс унифицированных центробежных компрессорных ступеней повышенной эффективности» / ЛИИ. — Л., 1987. -290 с.

5. Галеркин Ю.Б., Данилов К.А., Попова Е.Ю. Численное моделирование центробежных компрессорных ступеней (физические основы, современное состояние). Компрессорная техника и пневматика. Вып. 2, АСКОМП, СПб, 1993.

6. Галеркин Ю.Б., Попова Е.Ю. Промышленные центробежные компрессоры, физические основы рабочего процесса, применениечисленных методов для решения задач оптимального проектирования и оптимальной эксплуатации. СПб.:СПбГТУ, 1994.

7. Галеркин Ю.Б., Данилов К.А., Митрофанов В.П., Попова Е.Ю. Киспользованию численных методов при проектировании проточной части центробежных компрессоров. СПб.:СПбГТУ, 1996.

8. Галеркин Ю.Б., Балябин A.B., Никифоров А.Г. Анализ обтекания лопаточных аппаратов с целью совершенствования метода проектирования рабочих колес центробежных компрессоров. Сборник научных трудов МЭИ, № 9, часть 1, М., МЭИ, 1996

9. Галеркин Ю.Б., Балябин A.B., Никифоров А.Г. Анализ обтекания лопаточных аппаратов с целью совершенствования метода расчета характеристик центробежных компрессоров. Компрессорная техника и пневматика № 14-15, СПБ, 1997.

10. Галеркин Ю.Б. Опыт применения программ расчёта вязких пространственных течений Текст.ЯО.Б. Галеркин, А.Ю. Прокофьев// Компрессорная техника и пневматика. 2003. № 5.

11. Галеркин Ю.Б. Определение напорной характеристики центробежного компрессорного колеса по результатам расчетов обтекания невязким квазитрехмерным потоком Текст./Ю.Б. Галеркин, Ю.В. Кожухов// Компрессорная техника и пневматика. 2005. № 7.

12. Гамбургер Д.М. Численное моделирование течение вязкого газа в центробежной компрессорной ступени: методика и результаты Текст.: дис. канд. тех. наук/Гамбургер Дмитрий Михайлович. СПбГПУ, 2009. - 190 с.

13. Герасимов A.B. Структура потока и потери в центробежных компрессорных колёсах, спрофилированных по методу ЛПИ Текст.: дис. канд. техн. наук /A.B. Герасимов. ЛПИ. - Л., 1982. - 308 с.

14. Данилов К.А. Создание математической модели и программных комплексов для оптимального газодинамического проектирования холодильных центробежных компрессоров Текст.: дис. канд. техн. наук /Данилов Кирилл Анатольевич. СПбГТУ. - СПб., 1999. - 176 с.

15. Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах Текст./Г.Н. Ден. Л.: Машиностроение, 1973. - 268 с.

16. Зуев A.B. Исследование рабочих колес центробежных компрессоров с различным законом распределения скоростей по лопаткам: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. Л., 1970. - 293с.

17. Кожухов Ю.В. Анализ и математическое моделирование напорной характеристики центробежного .компрессорного колеса с результатов расчета невязкого квазитрехмерного потока Текст.: дис. канд. тех. наук/Кожухов Юрий Владимирович. СПбГПУ, 2007. - 161 с.

18. Козаченко Л.И. Уточнение рекомендаций по оптимальному проектированию центробежных компрессорных ступеней на основе экспериментального исследования Текст.: дис. канд. тех. наук/Козаченко Лев Иванович. СПбГПУ, 2004. - 142 с.

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

20. Колтон А.Ю., Казачков Л .Я. Обтекание многорядной решётки на осесимметричной поверхности тока в слое переменной толщины//Известия вузов. Энергетика. 1970. — №6.

21. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа Текст./Л.Г. Лойцянский. М.: Наука. 1978. - 736 с.

22. Митрофанов В.П. Исследование течения газа в центробежных компрессорных колесах с различным характером распределения скоростей и нагрузки по лопаткам. Автореф. дис.к.т.н.:Л., 1977.

23. Михайлов В.А. Математическая модель для расчета энергетических характеристик центробежных компрессорных ступеней в квазитрехмерной постановке. Дис. канд. техн. наук. JL: ЛИИ, 1985. 245 с.

24. Нуждин, A.C. Повышение энергетической эффективности центробежных холодильных компрессоров путем совершенствования проточной части Текст.: дис. д-ра. техн. наук/А.С. Нуждин. ЛИИ. - Л., 1987.-380 с.

25. Попова Е.Ю. Оптимизация основных параметров ступеней турбомашин на основе математического моделирования Текст.: дис. канд. техн. наук/Попова Елена Юрьевна. СПбГТУ. - СПб., 1991. - 275 с.

26. Прокофьев А.Ю. Совершенствование Метода оптимального проектирования центробежных компрессорных ступеней введением модели потерь напора в квазитрехмерной постановке Текст.: дис. канд. тех. наук/Прокофьев Алексей Юрьевич. СПбГПУ, 2003. - 191 с.

27. Рекстин Ф.С. Исследование влияния числа лопаток на эффективность работы центробежного компрессорного колеса с одноярусной и двухъярусной решетками Текст.: автореф. дис. канд. техн. наук/ Ф.С. Рекстин. ЛПИ. - Л., 1961. - 18 с.

28. Ремезова Е.С. Расчет потока в рабочем колесе малого расхода центробежного компрессора высокого давления. Дипломная работа, СПбГТУ, 1993.

29. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Л.: Машиностроение, 1964.

30. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Л.: Машиностроение, 1981.

31. Сальников B.C. Метод расчета течения газа в элементах турбомашин с помощью быстродействующих счетных машин. Институт им. П.И.Баранова. Техн. отчет N 170, 1964.

32. Сальников B.C. К расчету осесимметричного потока газа в турбомашинах. В кн.: Лопаточные машины и струйные аппараты. М.:Машиностроение,1972. Вып.6.

33. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры. Л.: Машиностроение, 1982.

34. Селезнев, К.П. Теория и расчет турбокомпрессоров Текст./ К.П.Селезнев [и др.]; Л.: Машиностроение, 1986. 389 с.

35. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. и др. О структуре потока в рабочем колесе центробежного компрессора. Спб: Компрессорная техника и пневматика, вып. 4-5, 1994.

36. Солдатова, К.В. Анализ движения газа в зазоре «покрывающий диск корпус» центробежной компрессорной ступени Текст./К.В. Солдатова, Ю.Б. Галеркин//Химическое и Нефтегазовое машиностроение. — 2007.-№5.-С. 27-29

37. Страхович К.И., Френкель М.И., Кодряков И.К., Рис В.Ф. Компрессорные машины. М: Государственное издательство торговой литературы, 1961.

38. Стрижак Л.Я. Исследование влияния формы межлопаточных каналов центробежного колеса на его характеристики. Автореф. дис. к.т.н.: Л., 1968.

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

40. Труды научной школы компрессоростроения СПбГТУ Текст./Под ред. Ю.Б. Галеркина. СПб, 2000. - 443 с.

41. Труды научной школы компрессоростроения СПбГПУ Текст./Под ред. Ю.Б.Галеркина. С-Пб.: 2005.-496 с.

42. Труды научной школы компрессоростроения СПбГПУ Текст./Под ред. Ю.Б.Галеркина. С-Пб.: 2010.-670 с.

43. Турбокомпрессоры.: Учеб. пособие. Ю.Б. Галеркин. СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2008.

44. Gallus Н.Е. Recent Research Work on Turbomachinery Flow//Yokohama International Gas Turbine Congress. Yokohama, 1995.

45. Strazisar A. J., Denton J.D. CFD CODE Assessment in Turbomachinery a Progress Report. Global Gas Turbine News, IGTI, May/June, 1995.