Введение к работе
Актуальность проблемы, Автономные энергетические установки (АЭУ) находят широкое применение в различных областях науки и технике: в морской подводной технике, в космических станциях, в судовой энергетике и др.. В настоящее время, в условиях дефицита электрической энергии, ухудшения качества и удорожания топливных ресурсов возможно резкое возрастание роли многотопливных АЭУ (от нескольких киловат до нескольких мегават). Потребность в таких АЭУ определяется недостатком электрической и тепловой энергии в энергодефицитных районах страны (Крайний Север, Дальний Восток, и др.) и потребителями, находящимися в отдалении от основных источников энергоснабжения, топливообеспечение которых будет зависить от кояьюктуры рынка. Такие установки могут быть предназначены для работы с различными устройствами (потребители механической энергии, движители судов и морских подводных аппаратов (МПА), электрогенераторы, компрессоры, насосы) и заданными графиками нагрузок. Поэтому такие установки должны удовлетворять следующим основным требованиям: 1. Многотопливность. 2. Многорежимность. 3. Многоцелевое назначение. 4-. Приспособляемость. 5. Комплектность и блочность. б. Экологическая безопасность.
Для удовлетворения указанных требований и дальнейшего повышения технико-экономических показателей ЭУ необходимо создание нового класса многорекимшх АЭУ на базе турбинных двигателей, способных работать в широком диапазоне необходимых графиков нагрузок с максимальной мощностью с секундного расхода топлива при высоком уровне экономичности. Это может быть реализовано при использовании турбин, имеющих высокую экономичность при малых объемных расходах рабочего тела. На таких принципах построены сверхзвуковые малорасходные турбины (МРТ) с полным и парциальным подводом рабочего тела. Таким образом, решение задачи оптимального проектирования многорежимной МРТ в составе АЭУ является актуальной для малой энергетики России.
Целью работы является разработка метода оптимального проектирования многорежимных МРТ с использованием теоретически и экспериментально обоснованных математических моделей (ММ) физических процессов и явлений в проточной части (ПЧ).
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-разработка и апробация ММ переменного режима парциальной МРТ;
-разработка оптимизационной модели МРТ в составе АЭУ, позволяющей осуществить формализованный выбор оптимального варианта
ПЧ и программы регулирования для заданного графика нагрузки;
-обобщение экспериментальных характеристик элементов проточної части МРТ с целью создания методик определения потерь кинетическо! энергии и коэффициентов расхода в широком интервале измененш геометрических и режимных параметров;
-проведение численного эксперимента в рамках многорежимноі оптимизации (МО) с целью совершенствования существующих и повышение качества вновь проектируемых конструкций автономных турбоагрегатов, а также для анализа оптимизационной модели.
Научную новизну составляют:
-методологические основы проектирования многорежимных МРТ і составе АЭУ;
-ММ иерархического типа МО МРТ в составе АЭУ;
-ММ переменного режима сверхзвуковой парциальной МРТ;
-обобщенные характеристики сопловых аппаратов (СА) с осесимметричными и прямоугольными соплами в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров;
-ММ определения потерь кинетической энергии в элементах ІГС парциальных МРТ в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров;
-результаты численного эксперимента в рамках задачи МО МРТ.
Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечивается использованием основных законов сохранения (энергии и массы), обоснованным обобщением надежных экспериментальных данных, применением адекватных ММ, апробированных опытными данными различных авторов, накопленным научным и практическим опытом при создании МРТ, применением современных методов решения экстремальных задач.
Практическая ценность работы:
-разработан метод проектирования многорежимных МРТ и пакет прикладных программ, позволяющий проводить оптимальное проектирование как новых конструкций, так и модернизацию существующих на заданный график нагрузки с выбором программы регулирования;
-разработан алгоритм вычислительного процесса МО МРТ в составе АЭУ, обеспечивающий заданный график нагрузки при минимальном расходе топлива, позволяющий проводить оптимизацию и численный эксперимент как непосредственно МРТ. так и отдельных элементов АЭУ с учетом их связей в установке;
-разработан алгоритм расчета сверхзвуковой парциальной МРТ на переменном режиме и пакет прикладных програш, позволяющие проводить численный эксперимент и оптимизацию на заданный график нагрузки;
-получены обобщавшие полиномиальные зависимости потерь энергии в сопловых и рабочіа решетках различного типа, которые могут быть использованы при моделировании переменных режимов МРТ.
Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи, разработке метода и концепции оптимального проектирования многорежимшх МРГ в составе АЭУ, создании ММ и комплекса программ переменного режима и МО МРГ, обобщении характеристик СА с осесимметричными и прямоугольными соплами и рабочих сверхзвуковых решеток, проведении численного эксперимента в рамках МО МРТ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуздались на Региональной научно-технической конференции "Вопросы повышения эффективности судовых технических средств" (Владивосток, 1990); Региональной научно-технической конференции "Механизация технологических процессов в рыбной и пищевой промышленности" (Владивосток, 1994); Дальневосточной научно-практической конференции "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (Владивосток, 1995).
Публикации. По результатам работы имеется три публикации, изданы 6 научно-технических отчетов.
На защиту выносятся метод проектирования многорежимных МРТ в составе АЗУ, ММ иерархического типа МО МРТ в составе АЭУ, ММ модель многорежимной сверхзвуковой парциальной МРТ, обобщения характеристик СА с осесимметричными и прямоугольными соплами и ММ определения потерь энергии в рабоих решетках сверхзвуковых МРТ, результаты численного эксперимента в рамках задачи МО МРТ.
Структура и объем работы. Общий объем диссертации 317 страниц, в том числе 85 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 233 наименований.