Дипломы, курсовые, рефераты, контрольные...
Срочная помощь в учёбе

Разработка метода расчета и проектирования водородных турбодетандеров с улучшенными эксплуатационными характеристиками

Диссертация: Разработка метода расчета и проектирования водородных турбодетандеров с улучшенными эксплуатационными характеристиками
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

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. Разработан метод… Читать ещё >

Содержание

  • УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ
  • 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

Разработка метода расчета и проектирования водородных турбодетандеров с улучшенными эксплуатационными характеристиками (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

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. 411 791.

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.

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.

Показать весь текст

Список литературы

  1. 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. A.M. Газодинамические функции реальных газов: -Справочник. М.: Энергоатомиздат. 1988. — 175с.
  4. 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. .П., Коваль В. А., Канаков В. В., Павленко Г. В. и др. Основы проектирования газотурбинных двигателей и установок. Харьков: Контраст, 2005. — 376 с.
  6. Л.П. К расчету турбин, работающих на несовершенном газе: Техн. отчет ЦИАМ № 286, 1967. 16с.
  7. И.А., Стернин Л. Е. Аппроксимация зависимости коэффициента сжимаемости и энтальпии азота от давления и температуры: Техн. справка КБЭМ № 769−243−84, 1984.
  8. Г. Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1 991 600с.
  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. 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. В.А., Журавлев A.M. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана. М.: Издательство стандартов, 1969. — 237с.
  16. К.М., Гуров В. И. Нетрадиционные способы использования энергии ветра и природного газа: Труды ЦИАМ № 1297, 1991.- с. 208−211.
  17. 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. К.М., Гуров В. И., Губанок И. И. Исследование эффективности энергетических установок//Конверсия в машиностроении. 1996. — № 1. -с. 43−46.
  19. 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 № 2 096 640 по заявке № 94 043 165/06 от 30.11.94 г.
  21. 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. 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. А.А. Автоматизация проектирования тепловых схем тур-боустановок. Киев: Наук. Думка, 1983. — 180с.
  25. А.В. Оптимальное проектирование проточной части осевых турбин. Харьков: Вища школа, 1982. — 152с.
  26. А.В., Говорущенко Ю. Н. Задачи проектирования осевых турбин ступеней//Энергетика и транспорт. 1985. — № 3. — с. 134 — 140.
  27. А.В., Кожевников С. Н., Мельтюхов В. А. Оптимизация формы дозвуковых профилей решеток осевых турбин//Энергетика. 1984. — № 6. -с. 119−124.
  28. А.А. Энергосберегающие турбодетандерные установки / Под ред. А. Д. Трухния. М.: ООО «Недра — Бизнесцентр», 1999. — 258 с.
  29. Ю.В., Спехова Г. А. Технические задачи исследования операций. М.: Сов. радио, 1971. — 244с.
  30. 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. Д., Таннехил Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидроме-* ханика и теплообмен. М.: Мир, 1990.-726 с.
  32. Н.М., Приходько А. А. Численные методы решения уравнений Навье-Стокса сжимаемого газа. Днепропетровск: ДГУ, 1986. — 140 с.
  33. 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. Ю.С. «Салют» интенсивно внедряет CALS технологии/Двигатель. — 2003. — № 4. — С. 6−7.
  42. 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. 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. .В., Боровский Б. И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1986. -376 с.
  47. СЛ. Механика жидкостей и газов. Термодинамика турбо-машин. М.: Машиностроение- 1981, — 213 с.
  48. М.С., Ржезников Ю. В. Метод расчета осесимметрично-го потока в ЦНД паровой турбины // Теплоэнергетика. 1977.- № 10. — с. 1722.
  49. 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. 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. Н.Н., Бабенко К. И., Годунов С. К. Теоретические основы конструирования численных алгоритмов задач математической физики. -М.: Наука, 1979,-226с.
  53. В.Х. Теория авиационных газовых турбин -М.: Машиностроение. 1979, — 246с.
  54. А.Н. Расчет течений в элементах турбомашин М.: Машиностроение, 1967. — 187с.
  55. 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. Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.: Высшая школа, 1988. — 239 с.
  57. 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. X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972.384 с.
  61. Румшиский JT.3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. — 192с.
  62. 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. А.В. Паровые турбины. М.: Энергия, 1967 — с.
  64. И.И. Теория турбомашин. JL: Машиностроение, 1972. — 535 с.
  65. 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. В.В. Газовые турбины и газотурбинные установки. М.: Высшая школа, 1970. — 320 с.
  69. 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. К.В., Емин О. Н., Митрохин В. Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. — М.: Машиностроение, 1986. — 431 с.
  72. 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. Дж. X. Осевые турбины (газовая динамика и термодинамика): Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1972. — 212 с.
  74. Л.И., Капинос В. М. Газовые турбины. — М.: Машиностроение. 4.1. 1976. 295 е.- 4.2. 1977. 279 с.
  75. 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. С.Г., Коваль В. А., Оганесян А. В. Аппроксимационные характеристики водородного топливного газа. // Сб. НАН Украины «Проблемы машиностроения», 2005, № 1. С.
  77. 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. B.C., Валюхов С. Г., Витошкин А. А. Реальные плоды со-трудничества//Аэрокосмический курьер.-1999.-ЖЗ.-С.41.
  79. 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. 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. 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. С.Г., Витошкин А. А. Заключительный этап контракта 6600−96−2376. Технический отчет.-Воронеж: КБХА, 1998.-40с.
Заполнить форму текущей работой

Заказал и сдал!