Создание метода схематизации диаграмм скоростей обтекания лопаток рабочих колес центробежных компрессорных ступеней
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… Читать ещё >
Содержание
- 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 сТрасч = 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
- 3. 1. Влияние Ивт при ¥-трасч = 0,6, Фрасч= var
- 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. 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 сТрасч = 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 страсч = 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 сРтрасч = 0,45, Dem = 0,
- 5. 3. 2. Рабочие колеса страСч = 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. 1. Аппроксимация результатов расчетного исследования
- 6. 1. 1. Формулы для расчета коэффициента Kw
- 6. 1. 2. Формула для расчета коэффициента Kw
- 6. 1. 3. Формула для расчета коэффициента Kw"
- 6. 2. Проверка результата аппроксимации
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
2ii 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&bdquo- =, 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.
Создание метода схематизации диаграмм скоростей обтекания лопаток рабочих колес центробежных компрессорных ступеней (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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.
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.