Автореферат (1143936), страница 2
Текст из файла (страница 2)
№14.578.21.0127.Структура и объем диссертацииДиссертация включает раздел введения, 4 главы, заключение, перечень принятыхобозначений и сокращений, а также список литературы. Текст диссертации изложен на161 странице, содержит 75 рисунков, 15 таблиц, список использованных литературныхисточников, включающий 111 наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВовведенииобоснованаактуальностьдиссертационногоисследования,сформулирована цель и задачи работы, приведены основные положения, выносимые назащиту, научная и практическая ценность.8В первой главе обоснована актуальность применения ДГА малой мощности, атакже установлены основные проблемы, препятствующих активному развитию рынкаДГА и их повсеместному внедрению на объектах газотранспортной системы и втехнологических процессах.Для обоснования актуальности использования ДГА малой мощности выполненаоценка мирового потенциала утилизации давления газа на объектах газотранспортныхсистем.
Кроме суммарного потенциала газотранспортных систем в разных странах,также определено типичное распределение потенциалов генерируемой мощности погазораспределительным станциям, характерное длявсех систем газораспределения.Показано, что установки ДГА малой мощности (до 100 кВт) являются востребованными,что обусловлено балансом потенциала выработки и потребления электрической энергиина объектах газотранспортной системы.Выделены несколько основных факторов, ограничивающих процесс дальнейшегоразвития и повсеместного внедрения ДГА:1. Высокая стоимость установок ДГА, длительные периоды окупаемости,техническая сложность установок, необходимость разработки индивидуальныхтехнических решений.2.
Низкие температуры на выходе из ДГА, необходимость источника теплоты дляподогрева газа или установки, использующей холод после ДГА.3. Существенное изменение параметров газа (давления и, в особенности, расхода) втечение года на газораспределительных станциях (ГРС), что определяетпеременные режимы работы как основные для ДГА.4. Широкий диапазон параметров газа на входе/выходе объектов газотранспортнойсистемы,сложностивсозданииунифицированногомощностногорядаустановок.5. Высокая загрязненность и эрозионная активность рабочего тела.В главе рассмотрены различные схемные решения с интеграцией ДГА малоймощности в системы нетрадиционной и возобновляемой энергетики.
Это позволяетдостигать эффективного электрического КПД до 75% и выше без произведениядополнительного сжигания топлива.Наосновевышеприведенныхограничивающихфакторовопределенпредпочтительный конструктивный облик ДГА и показано, что безлопаточные турбины9удовлетворяютусловиямтехнологическойпростотыиимеюткачественныеэксплуатационные характеристики.Анализ различных типов безлопаточных турбин, рисунок 1, показал, чтоцентробежно-реактивные турбины (ЦбРТ) представляются на текущий момент самымиэффективными из безлопаточных со значением внутреннего КПД более 42%.Полученный вывод обосновывает выбор ЦбРТ как объекта дальнейшего изученияи необходимость его апробации в составе ДГА путем численного моделирования.6050ηt-s,%403020100Рисунок 1 – Типы безлопаточных турбин и уровень их эффективностиКак следует из определения ЦбРТ,сопловойаппаратвтакихтурбинахотсутствует, а полное срабатывание перепадапроисходит в рабочем колесе.
КонструктивноЦбРТ представляет собой рабочее колесо,установленное на валу консольно, рисунок 2.Рабочее тело подводится к центру колеса состороны, противоположной валу, и далееповорачивает от осевого к радиальномунаправлению,разделяясьпоканалам.Двигаясь по криволинейным каналам, рабочеетелодостигаетпериферииколеса,гдерасположено критическое сечение. За нимпотокразгоняетсядосверхзвуковыхРисунок 2 – Общий вид ЦбРТ10скоростей в организованном расширяющемся сопле либо в косом срезе. Выход рабочеготела может быть организован в радиальном или осевом направлении. За рабочимколесом может следовать выходной патрубок или диффузор.Вторая глава посвящена разработке методик расчетного исследования ЦбРТ.Описана методика предварительного определения геометрических и режимныхпараметров установки.
Определен подход к разработке одномерной модели ЦбРТ,особое внимание уделено вопросу расчета термодинамических параметров рабочеготела. Показано, что в общем случае для ДГА, ввиду близости параметров рабочего телана входе к критической точке, необходимо применение моделей реального газа даже врамках инженерных расчетов.Произведена разработка методики численного моделирования и ее валидация наоснове экспериментального исследования модельной ступени ЦбРТ, рисунок 3.Обоснована необходимость расчета полной окружности и совместного моделированиярабочего колеса и выходного устройства. Высокие потери от нестационарности исвязанные с этим неточности стационарных расчетов показали необходимостьиспользования нестационарного подхода.
Показано, что при расчете ЦбРТ со степеньюпонижения давления πТ < 5 трехмерный нестационарный расчет демонстрируетзавышение значения внутреннего КПД не более чем на 2,2%, рисунок 4 .Подход кмоделированиютурбулентностиRANS, SSTВременнаядискретизацияНестационарный расчетСовместноемоделированиеДа, турбины и выходногоустройстваУгловой сектормоделиПолная задача 360°Параметрытурбулентности навходеСтепень турбулентности5%МоделированиеламинарнотурбулентногопереходаПри наличии параметровтурбулентности на входеПараметрышероховатостиПредположение гладкихстенокРисунок 3 – Модельная ЦбРТ: общий види расчетная модель11160,500M, Нм15π=4.88ηб/уπ=4.880,450141-D133-D ST1-D0,400123-D TRN11Exp3-D ST0,3503-D TRNExp0,300100,2509+2.2%0,20080,150760,05u2/С00,10,150,20,250,30,35u2/С00,1000,050,10,150,20,250,30,35Рисунок 4 – Расход и момент на рабочем колесе ЦбРТВ третьей главе описана численная апробация использования ЦбРТ в составеДГА. Получены характеристики ЦбРТ и описаны их характерные особенности.Обоснована нелинейность моментной характеристики в зависимости от u2/С0,обусловленная ростом расхода рабочего тела с частотой вращения ввиду проявлениякомпрессорного эффекта.
Для натурной ЦбРТ получен внутренний КПД 49% приоптимальном характеристическом числе u2/С0=0,6.3,000160,0G, кг/с140,02,500M, Нм120,02,000100,0G 1D1,50080,0G cfd1,000Gутu2/C00,0000,00,20,40,60,8Мu cfd40,0n пред0,500Мu 1D60,01,0n пред20,0u2/C00,00,00,20,40,60,81,01,2Рисунок 5 – Расход и момент на рабочем колесе ЦбРТДля выбора направлений совершенствования ЦбРТ проведен анализ основныхисточников потерь и построена диаграмма потерь и эффективности, рисунок 6.Диаграмма получена по результатам одномерного расчета путем оценки потерирасполагаемой мощности от действия каждого источника потерь и приведенияполученных значений к безразмерному виду.
Тогда каждому источнику потерь будетсоответствовать коэффициент потерь ζ, а внутренней мощности – внутренняя12эффективность ηt-s. Для увеличения достоверности, в одномерную модель были внесеныуточнения по коэффициенту скорости сопла φ по результатам трехмерного численногоηt-sрасчета.100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%ζφ – коэффициент потерьпроцесса расширения ввыходном сопле;ζут – коэффициент потерьот утечек рабочего тела черезуплотнение;ζc2 – коэффициент потерь свыходной скоростью;ζтр – коэффициент потерьдискового трения.ζφζтрζc2ζутηt-s0,10,20,40,60,70,8u2/C0Рисунок 6 – Диаграмма потерь и эффективности ЦбРТОсновными источникам потерь являются несовершенство процесса расширения всопле и потери с утечкой рабочего тела, ключевой вклад в снижение эффективностивносят потери с выходной кинетической энергией.С целью увеличения эффективности ЦбРТ таким образом были сформулированытри группы мероприятий:1.
Сверхзвуковое профилирование сопла ЦбРТ.2. Использование диффузора для уменьшения потерь с выходной скоростью истабилизации параметров потока на выходе из рабочего колеса.3. Совершенствование бесконтактных и применение контактных уплотненийдля сокращения расхода утечки рабочего тела.Ввидубольшегоколичестваработ,посвященныхсверхзвуковомупрофилированию, этот вопрос подробно в диссертационном исследовании незатрагивался.В четвертой главе выполнена разработка и численная апробация осевогодиффузора для ЦбРТ. Описаны факторы, оказывающие влияние на эффективностьдиффузора.
Предложено несколько вариантов конструкции с выбором оптимальной иобоснованием причин ее лучшей работы.В качестве основных определяющих факторов, определяющих эффективностьдиффузора, обычно выделяют:угол закрутки потока на выходе из турбины в абсолютном движении;13активную струю перетечки через радиальный зазор;неравномерность параметров потока в окружном и радиальном направлении;степень турбулентности потока.Для конструктивной реализации ЦбРТ не характерно наличие радиальнойперетечки, как в осевых турбомашинах.
Однако перетечка через уплотнение требуетучета при моделировании диффузора, поскольку втекает в диффузор и оказываетвлияние на режим течения в нем. Для полного учета всех факторов, определяющихэффективность работы диффузора, проводится совместное моделирования диффузора ирабочего колеса ЦбРТ. Схема утечек рабочего тела и общий вид модели диффузора сЦбРТ приводится на рисунке 7.Рисунок 7 – Схема утечек рабочего тела и общий вид модели диффузора с ЦбРТАвтором было спроектировано и исследовано 6 вариантов диффузоров дляопределения их оптимальной конфигурации. Исследованные варианты представлены нарисунке 8.Было показано, что, несмотря на дозвуковую скорость в абсолютном движениипотока, выходящего из рабочего колеса, преимущество имеют варианты диффузоров сконфузорным начальным участком. Автор объясняет отмеченную особенность высокойнеравномерностью полей параметров выходящего потока и положительным влияниемконфузорности канала на их выравнивание.
Диффузор с гиперболическими обводами(вариант V6) демонстрирует наибольший коэффициент восстановления давленияcp=0,14 ввиду хорошего соответствия гиперболическому характеру течения потока смалыми углами выхода в абсолютном движении.14Результаты апробации диффузора с гиперболическими обводами показываютприрост мощности ЦбРТ на 5% и внутреннего КПД на 2,3% на режиме максимальнойэффективности при u2/С0=0,6. Также, заметно существенное уменьшение объемоввихревых зон по сравнению с вариантом работы ЦбРТ с выходным патрубком, какпоказано на рисунке 9.Рисунок 8 – Исследованные варианты диффузоров ЦбРТРисунок 9 – Поле завихренности по критерию λ2 на выходе ЦбРТ с патрубком идиффузором15В главе также выполнена проработка бесконтактного ступенчатого лабиринтногоуплотнения и определена целесообразность применения контактных уплотнений вЦбРТ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
