Введение к работе
Актуальность проблемы.
Технология трубопроводного транспорта углеводородного сырья от мест добычи до потребителя в настоящее время получила широкое техническое применение. В газовой промышленности для трубопроводного транспорта газа повсеместно используются газотурбинные газоперекачивающие агрегаты (далее ГПА), силовым приводом которых являются газотурбинные установки (далее по тексту ГТУ). На современных газоперекачивающих агрегатах силовой привод монтируется в отдельные кожуха. Укрытие газотурбинных установок в кожух обусловлено требованиями обеспечения безопасности эксплуатации и снижения шума. Работа газотурбинной установки сопряжена с высокими тепловыми выделениями, что может привести к выходу из строя вспомогательных систем, размещаемых в кожухе и негативно сказаться на аварийной устойчивости агрегата. Для обеспечения штатного температурного режима внутренний объем кожуха непрерывно охлаждается воздухом, прокачиваемым системой вентиляции. Анализ и моделирование рабочих процессов, происходящих при функционировании систем охлаждения, позволяет обеспечить их оптимальное проектирование. При этом актуальными являются вопросы, связанные с выбором адекватных математических моделей процессов обдува и охлаждения объема внутри кожуха, учитывающих его нетривиальную форму.
Вопросы охлаждения газотурбинных установок в составе газоперекачивающих агрегатов, в своих работах исследовали: Б.С. Ревзин, А.А. Инозмецев, Э.А. Микаэлян, Б.П. Поршаков, Ю.Д. Лебедев-Цветков. Среди зарубежных авторов, в работах которых рассматриваются процессы в газоперекачивающих агрегатах, следует отметить вклад Клера Суареса, В.П. Герасименко, К. Маравилла Херрера и других.
Большой цикл публикаций принадлежит сотрудникам ОАО НПО «Искра» и Пермского национального исследовательского политехнического университета, занимающихся изучением процессов в объеме кожуха. В частности, это работы П.В. Трусова, Д.А. Чарнцева, И.Р. Каца. В их работах описываются математические модели тепловых процессов внутри кожуха силового блока, комплекс программ, основанный на методе параллельных вычислений с использованием вычислительного кластера, исследуются особенности протекания тепловых и газодинамических процессов в объеме кожуха силового блока на нестационарных и квазистационарных режимах, при различных режимах работы системы вентиляции. В работах СИ. Бурдюгова и Г.Н. Захарова (ОАО НПО «Искра») формулируются требования к компоновке кожуха с точки зрения безопасной эксплуатации газоперекачивающих агрегатов.
Модели газодинамических процессов, которые могут быть применены в задачах охлаждения ГПА, излагаются, например, в работах Лойцянского Л.Г., Абрамовича Г.Н., Черного Г.Г. и других. Исследования и математическая запись процессов теплообмена и теплопереноса содержатся в работах Патанкара С, Михеева М.А., Лагуна И.М., Кузьмина Н.П. и других.
Таким образом, исследования посвященные ГПА являются актуальными. Однако при наличии большого количества современных разработок в области проектирования и диагностики процессов в ГПА, вопросы компоновки системы
охлаждения ГТУ в составе кожуха практически не рассматриваются. Выше записанное позволяет утверждать, что рассмотрение процессов в объеме кожуха силового блока, исследование влияния параметров на входе и выходе из кожуха на процессы обдува и охлаждения объема силового блока агрегата, разработка методик проектирования кожуха силового блока и его систем являются актуальными.
Объект исследования: конструкции кожуха силовых блоков газоперекачивающих агрегатов, используемых для укрытия газотурбинных установок, с системой вентиляции и обдува.
Предмет исследования: математические модели функционирования систем вентиляции и охлаждения кожухов силовых блоков, методы и программные продукты их анализа, газодинамические и тепловые процессы в кожухах ГПА различных конструкций и оптимизация их компоновок.
Цель работы: создание математических моделей и вычислительных алгоритмов функционирования системы охлаждения кожухов силовых блоков, разработка на основе созданных моделей, методик проектирования систем охлаждения ГТУ в составе ГПА, которые позволят обеспечить штатный температурный режим в объеме кожуха.
Для реализации поставленной цели решаются следующие задачи:
разработка математических моделей, основанных на пространственно-трехмерном представлении газодинамических процессов;
разработка для трехмерного случая эффективных алгоритмов решения газодинамических задач;
определение основных закономерностей развития нестационарных процессов в объеме кожуха с учетом различных способов внутренней компоновки кожуха и способов подачи охлаждающего воздуха;
проведение исследований с определением оптимальных конструктивных решений, обеспечивающих безаварийный тепловой режим работы ГПА;
проведение экспериментов, подтверждающих основные результаты выполненных численных исследований.
На защиту выносятся:
математические модели и алгоритмы расчета газодинамических и тепловых процессов в объеме кожуха силового блока, учитывающие нетривиальную форму расчетной области, влияние на рабочие процессы параметров охлаждающего воздуха, компоновки узлов и агрегатов в объеме кожуха, способов подачи охлаждающего воздуха;
результаты исследования основных закономерностей газодинамических и тепловых процессов внутри кожуха силового блока при изменении параметров охлаждающего потока на входе в кожух;
результаты исследования основных закономерностей газодинамических и тепловых процессов при изменении внутренней компоновки кожуха и способов подвода охлаждающего потока;
результаты экспериментальных исследований влияния локального подвода охлаждающего воздуха в области застоя охлаждающего потока на тепловое состояние в объеме кожуха;
методика проектирования систем охлаждения газотурбинных установок в составе газоперекачивающих агрегатов, обеспечивающих штатный температурный режим в объеме кожуха.
Научная новизна работы:
решением задачи о процессах в объеме кожуха силового блока выявлено, что наибольшее влияние на тепловое состояние оказывает температура, скорость и массовый расход охлаждающего воздуха. Показано, что снижение температуры в объеме кожуха силового блока только за счет увеличения массового расхода воздуха, пропускаемого через кожух, энергозатратно и эффективно до определенного значения;
установлено образование областей, где скорости охлаждающей среды близки к нулю (от 0 до 0,4 м/с) - зоны застоя потока. Показано, что данные области формируются в подрамном пространстве двигателя, в окрестности камеры сгорания газотурбинного двигателя и улитки системы выхлопных газов;
установлено образование областей, где поток совершает круговые движения -зоны возвратных течений, скорости потока в данных областях изменяются от 0,4 до 1,8 м/с. Показано, что данные области формируются в подрамном пространстве двигателя между боковыми стенками кожуха и опорами двигателя, перед улиткой перепуска воздуха;
обобщением аналитических данных и данных, полученных при натурных замерах, показано, что эффективность охлаждения ГТУ может быть повышена вытеснением из внутреннего объема кожуха застойных областей горячего газа и областей возвратных течений. Вытеснить эти области удается за счет повышения скорости потока на входе в кожух, увеличения объема кожуха, локального подвода охлаждающей среды в области застоя потока;
показано, что изменение способа подачи охлаждающего воздуха может положительно влиять на равномерность полей температур и скоростей воздуха внутри кожуха. На основе расчетных данных и результатов натурных замеров, показано, что перенаправление потока в зоны застоя охлаждающего воздуха позволяет увеличить количество тепла, выводимое из внутреннего объема кожуха.
Полученные результаты являются новыми.
Методы исследования. В диссертации используются фундаментальные законы механики жидкости и газа (закон сохранения массы, количества движения и энергии). При проведении расчетов используются вычислительные методы и пакеты прикладных программ.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением фундаментальных законов механики жидкости и газа. Для решения сформулированных задач используются надежный, апробированный вычислительный метод крупных частиц и пакет прикладных программ SolidWorks (номер лицензии 0010007015227777CC77XJC4). Тестирование моделей выполнено численным решением задачи обдува газотурбинной установки в «кожухе шумо-теплозащитном» ГПА-25Р-ПС «Урал» с последующим сравнением результатов расчетов и экспериментальных данных.
Теоретическая значимость.
Результаты расчетных и экспериментальных исследований позволяют определить зависимости теплового состояния в объеме кожуха силовых блоков ГПА от особенностей течения охлаждающей среды, что способствует получению новых знаний о развитии процессов в системах охлаждения тепловых установок.
Практическая значимость.
Разработанные математические модели и алгоритмы могут быть использованы при проектировании и оптимизации конструкций кожухов силовых приводов машин и агрегатов в газовой промышленности и в смежных областях техники.
Разработанные модели, алгоритмы и пакеты программ использовались при доработке системы охлаждения силового блока ГПА-25Р-ПС «Урал», эксплуатируемого на компрессорной станции «Игринская» ООО «Газпром трансгаз Чайковский», доработки внедрены рационализаторским предложением. Материалы по расчету газодинамических параметров в рассматриваемых технических устройствах рекомендованы к включению в курсы лекций и практических занятий по дисциплинам «Математическое моделирование» и «Тепловые двигатели» (направление 141100 «Энергетическое машиностроение»), читаемых на кафедре «Тепловые двигатели и установки» ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова».
Апробация работы.
Основные положения и результаты исследований, содержащиеся в диссертации, докладывались и обсуждались на научных конференциях:
международная научно-практическая конференция «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве», г. Тирасполь, 8-10 июня 2011 г., 3-5 октября 2013 г.;
всероссийская конференция «Внутрикамерные процессы и горение в установках на твердом топливе и ствольных системах» (ICOC2011), г. Ижевск, 29-31 марта 2011г.;
международная научно-практическая молодежная конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность», г. Москва, Газпром ВНИИГАЗ, 18 - 19 октября 2012 г.;
международная научно-практическая конференция «Наука и образование XXI века», г. Уфа, РИЦ БашГУ, 31 мая 2013 г.;
международная заочная научно-практическая конференция «Современные проблемы науки и образования», г. Липецк, 15 июня 2013 г., Липецкая областная общественная организация Всероссийского общества изобретателей и рационализаторов;
пакет программ для определения газодинамических и тепловых параметров охлаждающей среды в объеме кожуха шумо-теплозащитного защищен свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ №2013617910.
Полностью работа докладывалась на научных семинарах в ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» и в Институте механики УрО РАН, г. Ижевск.
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в 9 научных статьях. В изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов работы, опубликованы 3 статьи.
Личное участие автора состоит в формулировке задач исследования, в разработке математических моделей, алгоритмов и программных продуктов по расчету нестационарных процессов в объеме кожуха ГПА, в проведении экспериментов и сравнительном анализе данных натурных замеров и расчетных данных, в проведении расчетов процессов в объеме кожуха, а также в анализе полученных результатов.
Структура диссертационной работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 171 страницах, содержит 111 рисунков, 25 таблиц и библиографический список, включающий 143 наименования.
