Диссертация (1143937), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Для нее может быть реализованопростое профилирование, утолщение лопаток способно обеспечить эрозионную стойкость.Центростремительная турбина, при этом, будет обладать большей эффективностью, чемцентробежная, что напрямую следует из уравнения Эйлера для окружной работы иэффективности (выражение (2.4)).Однако, выбор автора сделан все же в сторону центробежно-реактивной турбины последующим причинам:1.Как было показано, как низко-, так и высокооборотные компоновки являютсявозможнымидляДГА.Центростремительнаяреактивнаятурбинавнизкооборотном исполнении будет иметь существенные диаметры, что повлечетнеобходимость введения малых степеней парциальности и существенно снизитэффективность.
Для центробежной же турбины увеличение площади приувеличении диаметра коррелирует с увеличением объема рабочего тела в процессерасширения.2.При реализации переменных режимов центростремительная турбина будетиспытывать снижение эффективности ввиду появления углов атаки. Особенностикинематики центробежной турбины, как следует из треугольников скоростей,рисунок 2.1, делают ее эффективность стабильной в широком диапазонерасполагаемых перепадов.3.Технологическая простота и низкая стоимость изготовления центробежнореактивной турбины обусловлена наличием 4-5 каналов в рабочем колесе иотсутствием соплового аппарата.
В то же время, лопаточная центростремительнаяреактивная турбина требует изготовления подводящей камеры, соплового аппарата,рабочего колеса с множеством лопаток.4.Наконец, наличие обширных экспериментальных исследований, проведенных накафедре Турбин, Гидромашин и Авиационных Двигателей по центробежнореактивным машинам, окончательно определяет выбор этого типа расширительноймашины как наиболее подходящего для применения в ДГА.Таким образом, обоснованным является выбор центробежно-реактивных турбин какнаиболее предпочтительного типа расширительных машин для ДГА.401.5.Выводы по Главе 1 и постановка задач исследованияВ первой главе проведен анализ проблем широкого внедрения ДГА на объектахгазотранспортной системы. Произведена оценка потенциала генерации энергии с помощьюДГАвразличныхстранахмира,причемрассмотреныстраныкакявляющиесягазодобывающими, так и импортирующие природный газ.
Сформулированы основныеограничения, препятствующие повсеместному внедрению ДГА малой мощности. Рассмотренывопросы подогрева газа перед ДГА. На основе анализа потенциала генерации и потребляемыхмощностейопределенвостребованныйдиапазонмощностиустановок.Определенпредпочтительный конструктивный облик установок ДГА. Показано, что безлопаточныетурбины имеют существенные преимущества, связанные с их высокими эксплуатационнымипоказателями. Центробежно-реактивные турбины при этом обладают более высокойэффективностью, по сравнению со струйно-реактивными машинами, в связи с чемцелесообразна их дальнейшая проработка в качестве расширительных машин ДГА.По материалам Главы 1 могут быть сформулированы следующие выводы:1.Суммарный потенциал генерации электроэнергии на ДГА позволяет существеннымобразом покрыть собственные нужды газотранспортной системы в электрическойэнергии.
При этом примерно на 40% ГРС возможна выработка не более 100 кВтэлектрической мощности. Только около 10% объектов имеют потенциал генерациив 1 МВт, и не более 3% – более 2,5 МВт.2.Показано, что потенциал генерации на объектах газотранспортной системы высоккак в газодобывающих странах, таких как Россия, США или Канада, но также и встранах, не имеющих собственных ископаемых ресурсов.3.Обоснована актуальность создания ДГА малой мощности (до 100 кВт), чтообусловлено балансом потенциала выработки и потребления электрическойэнергии на объектах газотранспортной системы.4.Рассмотрены различные схемные решения с интеграцией ДГА малой мощности всистемы нетрадиционной и возобновляемой энергетики.
Это позволяет достигатьэффективногоэлектрическогоКПДдо75%ивышебезпроизведениядополнительного сжигания топлива.5.Могут применяться различные компоновочные схемы ДГА. Выбор конечнойкомпоновки определяется технико-экономическими соображениями.6.БезлопаточныетурбиныболеепредпочтительнывДГАввидулучшихэксплуатационных показателей, технологической простоты и низкой стоимости.При этом, центробежно-реактивные турбины представляются на текущий момент41самыми эффективными из безлопаточных со значением внутреннего КПД более42%.Из соответствия ЦбРТ требованиям к турбине ДГА, раздел 1.4.4, могут быть однозначносделаны выводы об их пригодности к применению в установках.
Тем не менее, подробныеисследования ЦбРТ не представлены в настоящий момент ни в российских работах, ни зарубежом. Исследования возможности применения этих машин в ДГА также отсутствуют.Возможность достижения относительно высоких значений эффективности при наличиикачественных эксплуатационных характеристик делает актуальной дальнейшую разработкуЦбРТ в качестве расширительным машин ДГА.Для подтверждения предполагаемого уровня эффективности при работе на натурномрабочем теле, а также для детального анализа рабочего процесса и его особенностей должнабыть проведена апробация ЦбРТ в составе ДГА путем численного моделирования.
Дляподтверждения возможности применения ЦбРТ в низко- и высокообротных компоновкахапробация должна проводится в широком диапазоне частот вращения.422.ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТНОГОИССЛЕДОВАНИЯЦЕНТРОБЕЖНО-РЕАКТИВНЫХТУРБИНМОЩНОСТЬЮ ДО 100 кВтКак было показано в Главе 1, для генерации электрической энергии на объектахгазотранспортной системы необходимы конструктивно и технологически простые турбины, неимеющие лопаточного аппарата и сложных уплотнений, какими могут стать центробежнореактивные турбины.Отсутствие лопаточного аппарата, специфика применения на объектах газотранспортнойсистемы, необходимость конструктивной простоты и диапазон малых мощностей во многомопределяют облик исследуемой турбоустановки, ее геометрические и режимные параметры.Они существенно отличаются от таковых, характерных для лопаточных турбомашин.
Дляоптимизации процесса проектирования турбоустановки и исключения проработки заведомонецелесообразных вариантов, оптимальные диапазоны геометрических и режимных параметровдолжны предварительно определяться. Первичной оценке параметров установки посвященраздел 2.1 текущей главы.Далее, в пределах установленного диапазона параметров проводятся расчеты ЦбРТ спомощью одномерной математической модели. Геометрические и режимные параметрыуточняются для достижения необходимых мощности и эффективности.Перед разработкой одномерной модели целесообразно установить целевые показатели вчасти ее точности и определить подход к реализации.
При этом, необходимо учитыватьсовременные тенденции в области проектирования и расчетных исследований новыхтурбомашин, которые в общем могут быть сформулированы как усиление роли численногомоделирования при одновременном увеличении достоверности полученных результатов. Приэтом требования к точности одномерной модели могут быть снижены.В эпоху слабого развития ЭВМ, на заре становления вычислительной газодинамики,единственным способом увеличения достоверности расчетных моделей было внедрениеэмпирических зависимостей. Для их получения требовалось проведение многочисленныхэкспериментов для покрытия широкого диапазона параметров работы установок, что делалопроцесс разработки таких моделей длительным и дорогостоящим, но позволяло достигнутьвысокой точности. К недостаткам также следует отнести непредсказуемое поведение созданныхмоделей при выходе за установленные границы применимости эмпирических зависимостей[39], что является неизбежным при создании новых турбомашин.Общемировая тенденция к сокращению времени выхода новой продукции на рынокделает подход к проектированию принципиально новых турбомашин с проведениеммногочисленных экспериментальных исследований несостоятельным.
Более современным и43эффективным представляется подход «расчетного проектирования», т.е. использованияпростых одномерных моделей в комбинации с численным моделированием для полученияхарактеристик разрабатываемого объекта и его финальной экспериментальной апробацией.Для одномерной модели в применяемом подходе к проектированию отведена роль уточнениягеометрических и режимных параметров установки. Численное моделирование используется нетолько как инструмент поверочного расчета, но и как собственно инструмент проектирования,что позволяет получить достоверные характеристики при отсутствии устройств-аналогов ирекомендаций по проектированию.
Разумеется, при получении характеристик объекта путемнатурного или численного эксперимента, они могут использоваться для увеличения точностиодномерной модели.На основании вышеизложенного подхода, автором была разработана одномерная модельЦбРТ, реализованная средствами MS Excel, включая средства автоматизации вычислений.Подробное описание разработанной одномерной модели и ее основные уравнения приведены вразделе 2.3.Разделмоделирования2.4настоящейработыисследуемогообъектапосвящениееопределениювалидации.методикиБлагодарячисленноговозможностямСуперкомпьютерного центра СПбПУ (Политехнического университета) URANS подход внастоящее время удалось перевести из категории исследовательских в категорию инженерноисследовательских (расчет одной точки характеристики занимает менее суток).С учетом высоких начальных параметров ДГА, вопросу расчета термодинамическихпараметров рабочего тела уделено особое внимание.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
