Попов Юрий Андреевич. Создание методики газодинамического расчета, оптимизация и анализ проточной части осевых компрессоров и ступеней

Короткий опис

Попов, Юрий Андреевич. Создание методики газодинамического расчета, оптимизация и анализ проточной части осевых компрессоров и ступеней : диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.06 / Попов Юрий Андреевич; [Место защиты: С.-Петерб. гос. политехн. ун-т].- Санкт-Петербург, 2010.- 151 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/393

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
042011 5201 S
На правах рукописи
ПОПОВ Юрий Андреевич
СОЗДАНИЕ МЕТОДИКИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА,
ОПТИМИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ОСЕВЫХ
КОМПРЕССОРОВ И СТУПЕНЕЙ
Специальность: 05.04.06 - вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук
Научный руководитель: д. т. н., проф. Ю.Б.Галеркин
Санкт-Петербург -2010

ОГЛАВЛЕНИЕ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 9
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 14
1.1. Принципы первичного проектирования - вариантного расчета
изолированной ступени 14
1.1.1. Профилирование на расчетном радиусе 15
1.1.2. Профилирование по высоте лопаток 22
1.2. Многоступенчатый компрессор 25
*
1.3. Методы профилирования плоских решеток 26
1.4. Сравнение методик расчета потерь в лопаточной решетке 30'
1.5. Влияние сжимаемости 34
1.6. Влияние относительного удлинения лопаток на КПД ступеней 35
1.7. Взаимное влияние ступеней 37
1.8. Экспериментальные данные по эффективности модельных ступеней и
осевых компрессоров 38'
1.9. Заключение 44
ГЛАВА 2. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ПРОГРАММЫ ДЛЯ АНАЛИЗА ПОТОКА И ВАРИАНТНОГО РАСЧЕТА СТУПЕНЕЙ И КОМПРЕССОРОВ 45
2.1. Компьютерная программа ОДОС-ГП04: «Оптимизация дозвуковых
ступеней осевых компрессоров, расчет характеристик» 45
2.1.1. Назначение программы 45
2.1.2. Расчетные возможности программы 46
2.1.3. Расчет параметров потока в элементарной плоской решетке 48
2.1.4. Расчет параметров потока по высоте лопаток 51
2.1.5. Расчет характеристик ступени 59
2.1.6. Пример расчета характеристик 62

з
2.2. Компьютерная программа АППОС-ГП06: «Анализ пространственного
потока осевых ступеней» 63
2.2.1. Назначение программы 63
2.2.2. Задаваемые параметры ступени 65
2.2.3. Основы алгоритма расчета 67
2.2.4. Пользование программой 72
2.2.5. Заключение 77
2.3. Компьютерная программа ДОК-ГП-09: «Расчет КПД и основных
параметров осевого компрессора» 78
2.3.1. Назначение программы 78
2.3.2. Задаваемые параметры компрессора и основы алгоритма расчета 79
2.3.3. Алгоритм расчета конструктивных параметров 82
2.3.4. Анализируемые результаты 84
2.3.5. Сопоставление расчетов КПД с результатами испытаний ОК и
модельных ступеней 87
2.3.6. Заключение 90
ГЛАВА 3. РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ДОЗВУКОВЫХ
СТУПЕНЕЙ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ 91
3.1. Объекты численного эксперимента 91
3.2. Оптимизация построения пространственного потока 92
3.3. Влияние степени реактивности 95
3.4. Влияние фактора диффузорности 97
3.5. Определение максимально возможной производительности и напора
дозвуковых ступеней 98
3.6. Анализ результатов расчетного исследования 105
ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДОЗВУКОВЫХ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК 108
4.1. Объекты численного эксперимента 108

4
4.2. Осевой компрессор для энергетической ГТУ большой мощности 110
4.2.1. Влияние расчетного коэффициента расхода 110
4.2.2. Влияние степени реактивности на расчетном радиусе 113
4.2.3. Влияние фактора диффузорности 114
4.2.4. Влияние типа проточной части 117
4.3. Анализ параметров осевого компрессора современной приводной газовой
турбины 120
4.3.1. Исходные данные 120
4.3.2. Влияние расчетного коэффициента расхода 121
4.3.3. Влияние степени реактивности на расчетном радиусе 128
4.3.4. Влияние кинематики пространственного потока 131
4.4. Анализ результатов. Рекомендации по оптимизации проточных частей на
стадии вариантного расчета 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 146

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Осевые компрессоры - наиболее мощные и широко распространенные среди других типов турбокомпрессоров. Они обслуживают наиболее производительные установки в химической и металлургической промышленности, являются важной составной частью газотурбинных двигателей самого широкого применения. Это предъявляет высокие требования к эффективности рабочего процесса. Высокое качество газодинамического проектирования может быть достигнуто на основе тщательного учета многочисленных параметров, определяющих размеры и КПД ступеней и многоступенчатых компрессоров.
2. Анализ литературных источников показал, что в отечественной и мировой практике принято выполнять газодинамическое проектирование ступеней в два этапа.
Первый этап:
- Профилирование лопаточной решетки ступеней на расчетном радиусе, где в качестве параметров проектирования выступают степень реактивности, коэффициент расхода, относительный шаг решетки. Оптимальная нагрузка лопаток выбирается либо по диаграмме Хауэлла, дающей непосредственно значение коэффициента теоретического напора, либо по рекомендованному значению фактора диффузорности С. Либляйна.
- По треугольникам скоростей выполняется профилирование лопаточного аппарата с учетом угла отставания и оптимального угла атаки. Из имеющихся экспериментальных данных наиболее детальными и обоснованными представляются эмпирические формулы А. Комарова.
- Для расчета профильных потерь и потерь на ограничивающих поверхностях рядом отечественных и зарубежных авторов рекомендованы различные эмпирические формулы.

140
Представленные в работе пробные расчеты, выполненные по разным методикам, показали существенно различающиеся результаты. Сопоставление с экспериментальными данными по модельным ступеням А. Гофлина подтвердило, что наиболее близкое совпадение дают результаты, полученные по эмпирическим формулам А. Комарова.
- Для выбора оптимальной нагрузки лопаток был избран подход С. Либляйна, основанный на выборе того или иного значения фактора диффузорности. Приведенные С. Либляйном эмпирические зависимости позволяют рассчитать коэффициент теоретического напора. Достоинства такого подхода в том, что фактор диффузорности определяет местную максимальную скорость на профиле решеток рабочего колеса и направляющего аппарата.
Второй этап:
- Треугольники скоростей строятся на ряде радиусов от наружного до втулочного в соответствии с общепринятым принципом - подведение одинакового теоретического напора на всех радиусах, что обеспечивает потенциальность течения и отсутствие потерь смешения по высоте лопаток. Для этого окружная и расходная составляющие скорости должны находиться в строгом соотношении, определяемом формулами К. Холщевникова. Различные варианты пространственного течения определяются значениями показателя степени т в уравнении, связывающем изменение окружной составляющей скорости с радиусом.
3. В соответствии с методикой проектирования заданный расход и напор ступени могут быть обеспечены при произвольной комбинации коэффициента расхода, степени реактивности, относительного шага, теоретического напора, втулочного отношения, удлинения лопаток, отношения расходных скоростей на выходе и входе в ступень и некоторых второстепенных факторов. Для анализа

141
этих факторов и вариантного расчета ступеней разработаны две компьютерные программы:
- ОДОС-ГП04. Программа для расчета схематизированных (гомогенных) ступеней с возможностью анализа максимального количества параметров проектирования. Программа определяет основные размеры, КПД и отношение давлений ступени в расчетной точке, а также предоставляет возможность оценочного расчета газодинамических характеристик. Для учета влияния сжимаемости предложены эмпирические формулы с использованием значений местных максимальных скоростных коэффициентов Я.
- АППОС-ГП06. Программа для расчета ступеней с постоянным'
наружным, расчетным или втулочным радиусом, различным отношением расходных скоростей на выходе и входе в ступень и возможностью автоматического определения оптимального варианта построения пространственного потока путем перебора различных вариантов. ,
В обеих программах использована эмпирическая формула для расчета профильных потерь С. Либляйна, скорректированная для значений фактора диффузорности, отличных от рекомендованного FD =0.45.
4. Компьютерная программа ДОК-ГП-09 предназначена для вариантного расчета и анализа параметров проектирования многоступенчатых компрессоров. В ней использован алгоритм расчета ступеней, аналогичный по возможностям алгоритму программы АППОС-ГП06, но с использованием модели потерь по эмпирическим формулам А. Комарова. В алгоритм введена эмпирическая формула, учитывающая возможность негативного взаимного влияния ступеней в проточной части. Программа дает возможность исследовать влияние параметров проектирования ступеней, а также влияние количества

142
ступеней, частоты вращения, и задаваемых параметров ОК: массового расхода, отношения давлений, температуры, давления и физических свойств газа.
5. Апробирование программ выполнено путем расчетного анализа нескольких модельных ступеней А. Гофлина и более тридцати промышленных осевых компрессоров производства Уральского турбомоторного и Невского заводов. Эмпирические формулы А. Комарова дают значения КПД весьма близкие к измеренным.
6. С помощью программы АППОС-ГП06 было проведено расчетное
исследование с целью определения предельных возможностей дозвуковых ступеней. То есть, рассчитывалась такая комбинация параметров проектирования, при которой ступени могут давать максимальную производительность и максимальное отношение давлений. ,
Максимальный условный коэффициент . расхода достигается при наибольшем коэффициенте расхода и наименьшем из приемлемых втулочном отношении, а именно, Ф = 0.296 при Dem = 0.55 и <р = 0.575. Максимальная производительность характеризуется произведением условного коэффициента расхода на условный скоростной коэффициент Линтах, при котором поток
остается дозвуковым. Максимальное произведение ФЛинтах достигает значения
0.272 при втулочном отношении 0.55 и коэффициенте расхода 0.525. ,
Максимальное отношение давлений дозвуковой ступени определяется коэффициентом КІІ=7іу/тІІЛІн- Этот параметр тем больше, чем больше
втулочное отношение и меньше коэффициент расхода. Например, у ступени с Dem= 0.85 и (р = 0.225 это значение оказалось наивысшим из исследованных. Однако у нее невысокий КПД из-за маленького коэффициента расхода. Среди ступеней с высоким КПД наиболее высоконапорная - с тем же втулочным отношениемDem = 0.85 и коэффициентом расхода $>=0.550.

143
7. С помощью программы ДОК-ГП-09 было проведено расчетное исследование двух осевых компрессоров с параметрами, характерными для современных газотурбинных двигателей.
Параметры компрессора энергетической ГТУ с отношением давлений 30, количеством ступеней 22 и частотой вращения 3000 об/мин, были исследованы на предмет получения наибольшей производительности при дозвуковом течении в проточной части. Изучались варианты в диапазоне коэффициентов расхода 0.30 - 0.55, степеней реактивности 0.50 - 0.42, факторов диффузорности 0.450 - 0.325. Форма построения пространственного потока соответствовала переменным по высоте лопаток значениям показателя т, полученным в качестве оптимальных при исследовании отдельных ступеней. Оказалось, что за счет отказа от традиционных значений степени реактивности (0.45 вместо 0.50), рекомендованного С. Либляйном значения фактора диффузорности (0.35 вместо 0.45), выбора рационального коэффициента расхода (0.35), максимальная производительность компрессора может быть увеличена на 52%, но за счет снижения КПД на 0,55%.
Параметры компрессора ГТД для привода нагнетателя природного газа с массовым расходом 101 кг/с, с отношением давлений 17, с 11-ю ступенями, частотой вращения 7455 об/мин, делают необходимым использование трансзвуковых ступеней. В этом случае предметом исследования был поиск варианта с достаточно высоким КПД, наименьшей возможной окружной скоростью и минимальными местными числами Маха. Такая задача расчетного исследования привела к другой оптимальной комбинации параметров проектирования. Преимущество получили варианты с более высокими коэффициентами теоретического напора. Наилучшие результаты получены при коэффициенте расхода (рнХ = 0.35, проточной части с постоянным наружным диаметром DH-const и степенью реактивности 0.550. Оптимальным
является постоянное по высоте лопатки значение показателя т — -0.5.

144
Заданные параметры могут быть получены при окружной скорости 440 м/с и политропном КПД почти 90%.
8. В процессе работы достигнута поставленная цель — разработана методика расчета, компьютерные программы для анализа течения в проточной части и вариантного расчета. Выполнено расчетное исследование для совершенствования проточной части ступеней и компрессоров, определены их предельно достижимые параметры. Решены следующие задачи: изучены результаты газодинамических исследований лопаточных решеток, с учетом экспериментальных данных по модельным ступеням и промышленным компрессорам разработаны алгоритмы и программы газодинамического проектирования ступеней и компрессоров, произведено численное исследование роли параметров проектирования, найдены оптимальные соотношения параметров проектирования, обеспечивающих наибольшую производительность, или наибольшее отношение давлений дозвуковых ступеней, наибольшую производительность дозвукового компрессора с заданной частотой вращения, наименьшую окружную скорость трансзвукового компрессора - все с учетом КПД и габаритных размеров проточной части.
9. Результаты работы опубликованы в 11 статьях, представлены на двух международных конференциях [43, 44]. Представленные в работе и некоторые другие разработанные автором аналогичные компьютерные программы с 2004 г. используются в практических занятиях, сопровождающих лекционные курсы «Теория турбомашин», «Турбокомпрессоры», и при выполнении курсовых и дипломных работ на кафедре КВХТ СПбГПУ.
Научные основы алгоритма использованы при разработке компьютерной программы вариантного расчета и анализа осевых компрессоров для газоперекачивающих агрегатов, выполненной по заданию ОАО «Газпром» (ХД № 0639-07-5/140306712, «Исследование и анализ эффективности
газодинамических и конструктивных параметров осевых компрессоров ГПА с целью определения рациональной области применения», 2007 - 2008 г.г.,

145
1,220,000 руб.). С помощью одной из компьютерных программ выполняется работа по созданию вентиляторов охлаждения мощных турбогенераторов для ОАО «Силовые машины» (ХД № 140306002, «Аэродинамическое
проектирование осевых вентиляторов для турбогенераторов с водородно¬водяным охлаждением», 2010 г., 2,150,000 руб.).