Введение к работе
Актуальность темы. Важным условием устойчивого развития газовой отрасли является обеспечение надёжности и эффективности эксплуатации газотранспортных предприятий.
На современных станциях, где используют газоперекачивающие агрегаты (ГПА) с газотурбинным двигателем (ГТД), существуют системы непрерывного контроля технического состояния основных узлов по величине температур, давления, уровня вибрации и т.д. Однако в конструкции системы выхлопа какие-либо элементы контроля отсутствуют, что привело к следующим отказам при эксплуатации ГПА:
обрыв листов внутренней облицовки на агрегатах ГПА - 16ДКС-02, ГПА -16 ДКС-03 на КС Ямбургского ГКМ, ГПА-16ДКС-02Л на КС «Пуртазовская»;
прогар компенсаторов на агрегатах ГПА-12М (КС «Пермская»), ГПА- 16 (КС «Горнозаводская»).
В этих условиях возрастает необходимость в научных разработках, направленных на решение неотложных задач, связанных с совершенствованием методов и средств анализа технического состояния газоперекачивающего оборудования, в том числе системы выхлопа.
Для выявления основных нагрузок, действующих на конструктивные элементы выхлопного тракта, необходимо рассмотреть все факторы, влияющие на возникновение различного типа нагрузок. В работах А.В. Римского-Корсакова, A.M. Губертова, М.К. Сидоренко нагрузки разделены на две основные группы:
температурные нагрузки (температура газа в выхлопном тракте составляет 580-680(К)), которые приводят к значительным деформациям конструкции элементов и снижению физико-механических свойств материалов;
динамические нагрузки, которые в основном связаны с условиями движения газового потока по выхлопному тракту, хотя также могут являться и следствием воздействия вынужденных колебаний элементов ГПА.
Если температурные нагрузки рассчитываются на этапе проектирования и контролируются в процессе пуско-наладочных работ, что позволяет уточнять некоторые конструктивные решения (установка тепловых компенсаторов), то динамические процессы в тракте выхлопа практически выпадают из внимания разработчиков. В основном оценка газодинамических параметров сводилась к анализу условий течения газа на выходе из улитки, как в конструкции элемента обеспечивающего работоспособность и КПД турбины. В последнее десятилетие появились публикации, в которых отмечается, что существующие экспериментальные и теоретические данные могут дать рекомендации по проектированию диффузоров только в некоторых частных случаях. Общих рекомендаций нет и, как отмечает Д.Б. Бекурин, в принципе быть не может, так как оптимальная геометрия диффузора, кроме геометрических и режимных параметров, существенно зависит от поля скоростей на его входе, т.е. для различных входных условий нужны свои исследования и рекомендации по проектированию.
Для диффузоров, установленных за улиткой, подобные исследования необходимы, так как поле, создаваемое улиткой, крайне неравномерно, и имеет свои
специфические особенности, влияние которых на аэродинамические характеристики диффузора практически не изучено.
В силу сложности прямых экспериментальных исследований газодинамических параметров из-за высоких температур и сложности доступа в систему выхлопа, важной является задача оценки динамических характеристик газового потока по косвенным параметрам.
Объект исследования - газодинамические процессы в системе выхлопного тракта газоперекачивающего агрегата.
Цель работы - решение технической задачи по оценке газодинамических нагрузок, действующих на конструктивные элементы системы выхлопа ГПА, по виброакустическим характеристикам наружной стенки.
Задачи исследования:
Произвести структурный анализ газодинамических нагрузок и экспериментально подтвердить условия вихреобразования и срыва вихря как основного источника динамической нагрузки в газовом потоке выхлопного тракта ГПА.
Провести моделирование газодинамических процессов в проточной части с целью анализа условий формирования и воздействия динамических нагрузок на конструктивные элементы системы выхлопа ГПА.
Экспериментально исследовать связь динамических параметров (колебания давления) в потоке продуктов выхлопа с вибрацией наружной стенки.
Исследовать передаточную функцию стенки конструкции выхлопного тракта, связывающую виброакустические характеристики наружной стенки с динамическими нагрузками в потоке продуктов сгорания ГПА.
Разработать методику расчета величины колебаний давления в газовом потоке системы выхлопа ГПА по виброакустическим колебаниям наружной стенки.
Предмет исследования - динамические нагрузки, возникающие в системе выхлопа ГПА и метод их определения по виброакустическим характеристикам наружной стенки выхлопного тракта.
Методы исследования. Использовались известные методы и уравнения газовой динамики реальных газов, теория колебаний в газе, волн и волновых процессов в средах. Экспериментальные исследования проводились на реальных конструкциях с использованием сертифицированных измерительных средств и -лицензированных программ обработки измерений.
Научная новизна работы:
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено наличие крупномасштабной вихревой структуры в потоке, создающей значительные по амплитуде колебания в проточной части системы выхлопа ГПА.
Впервые получена связь виброакустических характеристик наружной стенки выхлопного тракта с газодинамическими процессами потока продуктов выхлопа ГПА.
Конкретизирована передаточная функция стенки выхлопного тракта ГПА, позволяющая связать виброакустические характеристики наружной стенки с газодинамическими параметрами газового потока применительно к любой конструкции ГПА.
Практическая ценность работы:
Произведенные экспериментальные и теоретические исследования движения газа по тракту выхлопа ГПА позволили выявить и связать вихревую структуру течения газа с динамическими нагрузками, действующими на конструктивные элементы тракта.
Уточненная структура передаточной функции позволяет использовать инженерные методы для построения технической диагностики конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА.
Разработана методика пересчета результатов виброакустических измерений колебаний наружной стенки в величину колебаний давления в газовом потоке выхлопа ГПА, которая может быть использована и для других типов ГПА, при проведении модального анализа конкретного конструктивного исполнения выхлопного тракта.
Результаты расчетов, полученные с помощью разработанной инженерной методики, могут быть использованы для расчета напряженно деформированного состояния конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА и прогнозирования их дальнейшей работоспособности.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается:
Использованием уравнения динамики вязкого газа, значений термодинамических и теплофизических величин, приведенных в академических справочниках, а так же известных, проверенных на практике, экспериментальных характеристик взаимодействия газа с элементами конструкции.
Хорошим согласованием результатов расчета, полученных при математическом моделировании и экспериментов проведенных в работе на натурном объекте.
Применением современных сертифицированных приборов, проверенных и надежных средств измерения и регистрации, опробованных методик.
На защиту автором выносится:
Результаты математической модели условий формирования газового потока в проточной части выхлопа ГПА-16-01 «Урал».
Методика пересчета измерений колебаний стенки в величину амплитуды колебания давления.
3. Результаты экспериментальных исследований газодинамических процессов.
Апробация работы. Основные положения и результаты разработанной
методики докладывались и обсуждались на научно технических конференциях: «Математическое моделирование - 2003» (ПГТУ, г. Пермь); «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2006» (ПГТУ, г. Пермь); «Проблемы баллистики -2006» Пятая международная школа-семинар «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем» (Санкт-Петербург, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ (в том числе одна статья в издании, указанном в перечне ВАК).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 102 наименования. Работа содержит 135 страниц текста, 34 рисунка и 10 таблиц.
