Метод профилирования лопаток обратнонаправляющего аппарата центробежного компрессора с применением сплайн функций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.06, кандидат технических наук Коршунов, Андрей Васильевич

• Коршунов, Андрей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коршунов, Андрей Васильевич

Введение

1 Состояние проблемы исследования обратнонаправляющих аппаратов малорасходных ступеней центробежных компрессоров

2 Проектирование ступени центробежного компрессора

2.1 Учет свойств сжимаемых реальных газов и их смесей

2.2 Проектйровние ступени центробежного компрессора высокого давления для определения параметров обратнонаправляющего аппарата

3 Метод построения лопатки обратнонаправляющего аппарата

3.1 Вогнутая линия лопатки

3.2 Выпуклая сторона лопатки

3.3 Программа построения лопаточной решетки обратнонаправляющего аппарата

3.4 Последовательность расчета

3.5 Описание массивов, используемых программой

4 Метод обтекания решетки профилей

4.1 Расчет потенциального обтекания лопатки обратнонаправляющего аппарата по программе Океу

4.2 Конформное отображение профиля решетки

4.3 Подготовка координат профиля в меридиональной плоскости

4.4 Подготовка дополнительных данных для расчета потенциального обтекания лопатки

4.5 Краткое описание программы Океу

4.6 Описание процедур, используемых программой Океу

5 Модель потерь в обратнонаправляющем аппарате

6 Результаты численного анализа влияния геометрических характеристик решетки на эффективность обратнонаправляющего аппарата

6.1 Влияние b5/b

6.2 Влияние числа лопаток обратнонаправляющего аппарата (Z)

6.3 Влияние параметра протяженности лопатки

6.4 Влияние аг или nkc на эффективность обратнонаправляющего аппарата

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод профилирования лопаток обратнонаправляющего аппарата центробежного компрессора с применением сплайн функций»

Актуальность темы.

В настоящее время в мире наблюдается тенденция к увеличению использования центробежных компрессоров высокого давления (ЦК ВД) для нужд химической, нефтяной, газовой, добывающей и перерабатывающей промышленности, так как эти компрессоры имеют ряд преимуществ по сравнению с t поршневыми компрессорами. К этим преимуществам относятся равномерность подачи газа потребителю, отсутствие загрязнения маслом сжимаемой среды, лучшие массогабаритные показатели, более высокая надежность.

Основными областями применения центробежных компрессоров высокого-давления являются: закачка природного газа в подземные хранилища; закачка попутного нефтяного газа в пласт, что позволяет поддерживать внутрипластовое давление и обеспечивает повышение выработки месторождения в среднем на 2040%; технологические линии для производства аммиака, метанола, мочевины, полиэтилена.

В настоящее время наряду с ростом потребности в компрессорах высокого давления в промышленности существует тенденция к повышению единичной мощности турбоагрегатов, что позволяет увеличить производительность технологических процессов, использующих технологическое оборудование высокого давления, при одновременном снижении себестоимости продукта. Увеличение энергоемкости агрегатов приводит к необходимости проведения комплекса научно-исследовательских работ в области аэродинамики проточной части, разработки концевых уплотнений, динамики роторов, прочности элементов конструкций для того, чтобы добиться максимальной эффективности в возможно большем диапазоне рабочих условий, повышая тем самым рентабельность использования оборудования для собственных нужд и конкурентоспособность на мировом рынке.

Трудоемкость экспериментальных исследований, требующих уникального оборудования, требует создания надежных расчетно-теоретических методов, позволяющих определить оптимальную геометрию проточной части и предсказывать поведение элементов агрегата и агрегата в целом при изменяющихся условиях работы и регулировании.

Обратнонаправляющий аппарат (ОНА), как элемент ступени центробежного компрессора высокого давления, оказывает существенное влияние на эффективность работы промежуточной ступени в целом. Со снижением расхода влияние обратнонаправляющего аппарата становится более значительным. В силу того, что для высоко- и средне-расходных ступеней обратнонаправляющий аппарат не играет такой значительной роли, исследования в этой области велись весьма ограниченно, и, как следствие, число доступных работ по данной тематике не велико. Однако, в настоящее время, исследования обратнонаправляющих аппаратов в применении к высоко- и средне-расходным ступеням интенсивно ведется в ряде иностранных компаний.

Одним из направлений разработки обеспечивающим улучшение характеристик обратнонаправляющих аппаратов является применение лопаток телесного профиля, то есть, профиля с толщиной ~15-30% и более. Впервые применение лопаток такого типа упоминается в монографии В.Ф. Риса [27].

В настоящее время ряд иностранных компаний, таких как General Electric, MAN Turbo, Cooper, Nuovo Pignone, Dresser Rand и др. широко используют лопатки обратнонаправляющих аппаратов телесного профиля при создании ступеней центробежных компрессоров. Методы создания таких ОНА не афишируются и являются хорошо охраняемой информацией компаний-производителей.

Цель и задачи работы.

Целью данной работы является разработка методики проектирования и разработка программного комплекса для построения лопаточных решеток обратнонаправляющего аппарата, а также оценка эффективности их работы в составе промежуточной ступени центробежного компрессора высокого давления.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. модифицировать программу расчета термодинамических свойств рабочей среды;

2. разработать методику построения лопаток произвольного профиля;

3. разработать алгоритм и создать программу для реализации метода построения лопаток произвольного профиля;

4. создать программу для расчета обтекания решетки полученных профилей;

5. разработать методику оценки эффективности решетки профилей;

6. создать интегрированный программный комплекс, включающий выше перечисленные блоки.

Методы исследования.

Поставленные в диссертационной работе задачи решаются на основе методов вычислительной гидродинамики, термодинамики, дифференциальной геометрии, оптимального проектирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна.

В представленной работе новыми являются следующие результаты: разработана методика построения лопаток произвольного профиля, базирующаяся на использовании сплайн-функций; разработан алгоритм и создана программа для реализации метода построения лопаток произвольного профиля; разработан алгоритм и создана программа для расчета обтекания решетки полученных профилей «методом особенностей»; разработана методика оценки эффективности решетки профилей; создан интегрированный программный комплекс, позволяющий:

1) производить проектирование лопаточного аппарата;

2) рассчитывать его обтекание;

3) производить быструю оценку качества проектируемого обратно-направляющего аппарата;

4) получать чертежи лопаточного аппарата.

Теоретическая значимость работы. Создан новый метод построения лопаточных решеток обратнонаправляющего аппарата.

Разработана модель потерь для оценки эффективности лопаточных решеток обратнонаправляющих аппаратов, позволяющая на стадии проектирования оценить качество их работы в составе ступени центробежного компрессора с учетом влияния реальных свойств углеводородных газов и их смесей.

Практическая значимость работы.

Разработанный комплекс программ позволяет снизить ошибки при проектировании обратнонаправляющих аппаратов, произвести оценку эффективности их работы, выбрать наиболее приемлемый вариант решетки обратнонаправляющего аппарата в реальном времени.

Рекомендации по использованию.

Результаты работы могут быть использованы при разработке турбоагрегатов для химической, нефтегазовой, авиационной промышленности и для их модификации. Также результаты работы могут быть использованы в исследовательских работах в области центробежных турбоагрегатов для проектирования и предварительной оценки эффективности лопаточных решеток.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов теоретических исследований подтверждена сравнением с результатами экспериментов.

Личный вклад соискателя.

Автором лично выполнены следующие теоретические и прикладные разработки:

- создана модель построения решетки профилей обратнонаправляющего аппарата для центробежных машин, базирующаяся на использовании сплайн-функций;

- написаны алгоритмы и реализованы программы для создания программного комплекса;

- проведен ряд экспериментальных исследований.

Апробация работы.

Основные материалы докладывались XI конференции по компрессоро-строению, г.Казань, 1998 г., Всероссийской конференции СЕНСОР 2000 "Сенсоры и микросистемы", 21-23 июня 2000 г., XXX Юбилейной Неделе науки СПбГТУ, СПб., 2002г.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка из 45 наименований. Содержание работы изложено на 167 страницах (включает 39 рисунков, 3 таблицы и 2 приложения).

Заключение диссертации по теме «Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы», Коршунов, Андрей Васильевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы разработан метод построения решеток обратнонаправляющих аппаратов, практически не имеющий ограничений по моделированию геометрии лопаток от тонкого (профиля равномерной толщины) до телесного профиля.

Разработан комплекс программ, позволяющий оптимизировать построение решеток обратнонаправляющего аппарата.

Были проведены численные исследования различных вариантов решеток применительно к ступени с коэффициентом расхода Фр=0.01.

В комплекс программ входят программы определения потерь, основанные на расчете потенциального обтекания профилей.

Показано, что с помощью разработанного комплекса программ возможно производить оптимизацию обратнонаправляющих аппаратов по целому ряду параметров, таких как: Z - число лопаток в решетке, nkc - диффузорность косого среза, D — угловая протяженность лопатки, Ь5/Ьб — ширина канала.

Показано, что число лопаток Zom характеризуется средней нагрузкой на лопатку, лежащей в диапазоне ДС=0.03.0.05.

Результаты расчетов показали, что b5/b6~1.0 соответствуют минимальным потерям при фиксированной диффузорности косого среза (ПкС-1.2 ).

Разработанный комплекс программ оптимального проектирования обратнонаправляющего аппарата позволяет производить расчеты с минимальными затратами времени, так как использованый метод особенностей расчета обтекания лопаток потенциальным потоком является весьма быстрым в сравнении с конечно-разностными методами. Это позволяет производить множественные расчеты в кратчайшие сроки и выбрать оптимальный обратнонаправляющий аппарат с точки зрения проектировщика.

Для оценки эффективности использовалась скорректированная модель потерь, учитывающая:

• потери на ограничивающих поверхностях канала;

• потери на профиле лопатки, при этом из-за большой разности в протяженности выпуклой и вогнутой сторон лопатки, расчет потерь для этих сторон производился раздельно для каждой из сторон;

• потери смешения;

• ударные потери.

Для оценки наличия отрыва по задней стороне лопатки был применен формпараметр Лойцянского Л.Г. В результате вычислений потерь были получены правдоподобные результаты.

Расчеты показывают, что возможно найти такой набор геометрических параметров, который позволит построить оптимальную, с точки зрения потерь, решетку обратнонаправляющего аппарата.

Процесс построения лопаток обратнонаправляющего аппарата осуществляется автоматизированно и адаптирован к дальнейшему автоматическому изготовлению чертежей при помощи САПР AutoCAD.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коршунов, Андрей Васильевич, 2009 год

1. Бабаков, В.В. Проектирование поверхностей кривыми второго порядка в самолетостроении. Текст. / В.В.Бабаков - М.: Машиностроение, 1969. - 132с.

2. Бараненко, А.В. Холодильные машины. Текст. / А.В.Бараненко, Н.Н.Бухарин, В.И.Пекарев, И.А.Сакун, Л.С.Тимофеевский С-Пб.: Политехника, 1997.-944с.

3. Бухарин, Н.Н. Моделирование характеристик центробежных компрессоров. Текст. / Н.Н.Бухарин — Л.: Машиностроение, 1983. — 215с.

4. Викторов, Г.В. Гидродинамическая теория решеток. Текст. / Г.В.Викторов М.: Высшая школа, 1969. — 368с.

5. Галеркин, Ю.Б. Современное состояние методов газодинамического расчета, проектирования и испытания центробежных компрессоров для газовой промышленности. Каф. КВиХТ СПбГТУ Текст. / Галеркин Ю.Б. — Материалы к обсуждению на семинаре. 2001.

6. Галеркин, Ю.Б. Анализ особенностей и оптимизация проточной части центробежных компрессоров природного газа. Текст. / Ю.Б. Галеркин, К.А. Данилов, В.П. Митрофанов Компрессорная техника и пневматика - N3., М., 2000, - С.4-7.

7. Галеркин, Ю.Б. Математическое моделирование рабочего процесса турбомашин. Текст. / Ю.Б.Галеркин, А.Г.Никифоров, В.В.Тихонов М.: МЭИ, 1984.

8. Давыдов, Ю.В. Геометрия крыла. Текст. / Ю.В.Давыдов, В.А.Злыгарев — М.: Машиностроение, 1987. 136с.

9. Ден, Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах. Текст. / Г.Н. Ден-Л.: Машиностроение, 1973. 272с.

10. Жарковский, А.А Основы САПР лопаточных гидромашин . Текст. / А.А. Жарковский: Учеб. пос. JI.: ЛПИ, 1989. - 92с.

11. Жермен-Лакур, П. Математика и САПР. Текст. / Жермен-Лакур П., Жорж П.Л., Пистр Ф., Безье П. М,: Мир, 1989. - 264с.

12. Казачков, Л.Я. Расчет стационарного и нестационарного обтекания многорядной решетки. Текст. / Л.Я.Казачков, А.Ю.Колтон Л - Ленинградский завод-ВТУЗ при Ленинградском Металлическом заводе.

13. Каменецкий, А.И. Эмпирический метод расчета турбулентного пограничного слоя в несжимаемой жидкости. Труды ЛПИ №200 Текст. / А.И.Каменецкий Л.: ЛПИ.

14. Кулагин, В.А. Исследование неподвижных элементов малорасходной промежуточной ступени центробежного компрессора высокого давления. Дисс. канд. техн. наук. Текст.: Дисс. .канд. тех. наук. / В.А.Кулагин Л - ЛПИ- 1976 - 227с.

15. Ладе, Ю.Б. Исследование безлопаточных диффузоров и обратнонаправляющих аппаратов малорасходных промежуточных ступеней центробежных компрессоров. Текст.: Дисс. .канд. тех. наук. / Ю.Б.Ладе Л — ЛПИ-1981 -231с.

16. Ладе, Ю.Б. Исследования течения газа и потерь в безлопаточном диффузоре и поворотном колене. Текст. / Ю.Б.Ладе, Л.Я.Стрижак Сб. Гидродинамика больших скоростей. - Красноярск - КПИ - 1986.

17. Ландау, Л.Д. Теоретическая физика, т. 4. Гидродинамика. Текст. / Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц М.: Наука, 1988. - 736с.

18. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа. Текст. / Л.Г.Лойцянский — М.: Наука, 1987,-676с.

19. Ломакин, А. А. Центробежные и пропеллерные насосы. Текст. /

20. A.А.Ломакин Л.: Машгиз, 1950. - 364с.

21. Методика расчета обтекания двумерной решетки профилей на осесимметричной поверхности тока в слое переменной толщины. Текст. / Под редакцией Л.Я.Стрижака, В.А.Кулагин, А.Г.Никифоров Л.: ЛПИ, 1976. - 43с.

22. Селезнев, К.П. Теория и расчет осевых и центробежных копрессоров. Текст. / Ю.С.Подобуев, К.П.Селезнев и др. М-Л.: МАШГИЗ, 1957. -390с.

23. Прандтль, Л. Гидроаэромеханика. Текст. / Л. Прандтль М.: Иностранная литература, 1951. - 576с.

24. Пфлейдерер, К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. Текст. / К.Пфлейдерер М.: ГНТИМЛ, 1960. - 684 с.

25. Раухман, Б.С. Решетка профилей в произвольном слое переменной» толщины. Труды ЦКТИ, вып. 106 Текст. / Б.С. Раухман Л.: ЦКТИ, 1971.

26. Рид, Р. Свойства газов и жидкостей. Справ.пособие. Текст. / Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Л.: Химия, 1982. - 591с

27. Рис, В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Текст. / Рис В.Ф. Л.: Машиностроение, 1981.-373 с.

28. Рис, В. Ф. Центробежные компрессорные машины Текст./ В.Ф. Рис — М.-Л.: Машиностроение, 1964. 336 с.

29. Селезнев, К.П., / Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. Зараев В.И., Митрофанов

30. B.П. Авторское свидетельство №1112152 от 08.05.84 РК ЦК

31. Селезнёв, К. П. Центробежные компрессоры Текст. / К.П. Селезнёв, Ю.Б. Галёркин. Л.: Машиностроение, 1982. - 272 с.

32. Селезнёв, К.П. Теория и расчёт турбокомпрессоров: учеб. пособие Текст./ К.П. Селезнев, Ю.Б. Галеркин [и др.]. Под общ. ред. К. П. Селезнёва. 2-е изд.переб. и доп. JL: Машиностроение, 1986. - 392 с.

33. Селезнев, К.П. Проектирование малорасходных промежуточных ступеней ЦК ВД. Текст. / К.П. Селезнев, Л.Я.Стрижак и др. М.: Хим. и нефт. Машиностр., 1978.

34. Селезнев, К.П., Особенности течения в проточной части ЦК ВД. Сб. Гидродинамика больших скоростей. Вып.1. Текст. / К.П. Селезнев, Стрижак Л.Я., Кулагин В.А. Красноярск: КПИ, 1978.

35. Стрижак, Л.Я. Исследование влияния формы межлопаточных каналов центробежного компрессорного колеса на его характеристики. Текст.: Дисс. . канд. тех. наук / Л.Я. Стрижак Л - ЛПИ - 1968 - 235 с.

36. Стрижак, Л.Я. Термогазодинамические основы проектирования центробежных компрессоров высокого и сверхвысокого давления. Текст.: Дисс. . докт. тех. наук / Л.Я. Стрижак Л - ЛПИ - 1995 - 372 с.

37. Стрижак, Л.Я. Применение модели потенциального течения для исследования неподвижных элементов центробежной ступени. Текст./ Л.Я. Стрижак, В.А. Кулагин, А.Г. Никифоров Тр.СФ МЭИ. Обобщенные методы анализа электрических систем. Вып.6. — Смоленск, 1975.

38. Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификации природных газов. Текст.: Справ.пособ. / под ред. В.А. Загорученко М.: Недра, 1980.-52 с.

39. Труды научной школы компрессоростроения. Текст. / Под редакцией Ю.Б. Галеркина СПб -НПК СПбГТУ - 2000. - 443 с.

40. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. Текст. / К. Флетчер-М.: Мир, 1991.-552 с.

41. Шикин, Е.В. Кривые и поверхности на экране компьютера. Руководство по сплайнам для пользователей. Текст. / Е.В.Шикин, А.И. Плис М.: Диалог-МИФИ, 1996.-237 с.

42. Шульц, Д. Политропический анализ центробежного компрессора. Текст. / Д. Шульц Тр.Амер.о-ва инж.мех. N1- 1962 - Энергетические машины и установки - с. 87-100.

43. Этинберг, И.Э Гидродинамика гидравлических турбин. Текст. / И.Э. Этинберг, B.C. Раухман JL: Машиностроение, 1978. - 280с.

44. Эшли, X. Аэродинамика крыльев и корпусов летательных аппаратов. Текст. / Эшли X., Лэндал М. М.: Машиностроение, 1969. - 315с.

45. Ludtke, К. Н. Process Centrifugal compressor. Basics, Function, Operation, Design, Application. Текст. / К. H. Ludtke // Berlin Heidelberg: Springer-verlag, 2004. 328c.

46. Pazzi, S. The use of artificial neural networks for performance prediction of return channels for industrial centrifugal compressors. Текст. / S.Pazzi, F.Martelli, V.Michelassi, M. Giachi Amsterdam - ASME TURBO EXPO - 2002 - c. 273-287