Введение к работе
Актуальность темы работы. Центробежные компрессоры (ЦК) широко применяются в важнейших отраслях промышленности: авиация, химия, нефтехимия, металлургия, добыча, переработка и транспорт газа. К ЦК в указанных отраслях предъявляются высокие требования по надежности и экономичности. Важнейшим фактором последних являются осевые газодинамические силы, действующие на рабочие колеса (РК) и, соответственно, на ротор. На снижение и уравновешивание этих сил в ЦК высокого давления расходуется до 10% полезной мощности. Правильная оценка осевых сил в процессе проектирования ЦК сокращает затраты на доводку в процессе пуско-наладки, исключает разрушение упорных подшипников и аварийные ситуации.
Дальнейшее повышение точности расчетов осевых газодинамических сил, объемных и дисковых потерь в ЦК с учетом особенностей течения в боковых зазорах разных форм между колесом и корпусом с использованием возможностей современных программных комплексов (ПК) и с привлечением надежных экспериментальных данных является актуальной проблемой.
Цель работы - разработка метода расчета осевых газодинамических сил, объемных и дисковых потерь в ЦК с разными формами боковых зазоров между РК и корпусом на основе результатов численного моделирования течения в этих областях по ПК Fluent и сопоставления их с имеющимися экспериментальными данными.
В соответствии с этой целью решались следующие задачи:
-
Разработка методических аспектов практического использования ПК Fluent для численного моделирования течения в боковых зазорах между РК и корпусом ЦК.
-
Численное моделирование течения в боковых зазорах 4-х разных форм и сопоставление результатов с имеющимися экспериментальными данными.
-
Разработка метода и программы расчета на ПЭВМ осевых газодинамических сил, объемных и дисковых потерь в ЦК с выбранными формами боковых зазоров и демонстрация возможности использования созданного метода для реальных ступеней ЦК.
Научная новизна. На основе обобщения расчетных и экспериментальных данных разработаны метод и программа расчета на ПЭВМ осевых газодинамических сил, объемных и дисковых потерь в ЦК с учетом особенностей течения в предлагаемых 4-х разных формах боковых зазоров между колесом и корпусом, соответствующих расходности ступеней ЦК.
Уточнены граничные условия непосредственно на входе в боковые зазоры исследованных форм, позволяющие повысить точность расчетов течения в этих областях по известным методам.
Достоверность и обоснованность результатов. Численное моделирование течения в боковых зазорах между РК и корпусом ЦК выполнено на основе решения осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса с помощью сертифицированного ПК Fluent 6.2.16 (RANS) в широком интервале изменения определяющих критериев. Получено удовлетворительное согласование расчетов с экспериментальными данными, имеющими минимальные относительные
погрешности. При соответствующем выборе модели турбулентности, решении методических вопросов по практическому применению ПК Fluent для данной задачи, соблюдении условий подобия отличие расчетов и экспериментов на моделях и реальных ступенях ЦК не превышает 5...7%. Это отличие приемлемо для создания инженерного метода расчета осевых сил, объемных и дисковых потерь в ЦК для изученных в работе форм боковых зазоров между РК и корпусом.
Практическая значимость. Создан более совершенный метод расчета осевых сил для разных форм боковых зазоров между РК и корпусом ЦК, позволяющий на стадии проектирования определять осевые силы в широком интервале изменения определяющих критериев, характерных для ЦК. Это позволяет существенно сократить затраты на доводку в условиях эксплуатации и исключить аварийные ситуации по причине неожиданных осевых сил.
Разработан обоснованный метод расчета объемных и дисковых потерь в ЦК для рассмотренных форм боковых зазоров, входящий в общую программу на ПЭВМ расчета осевых сил и позволяющий повысить точность расчета параметров за РК, являющихся граничными условиями, по известной суммарной характеристике компрессора.
Материалы работы используются в учебном процессе на кафедре «Теплотехника и энергетическое машиностроение» КНИТУ-КАИ, а также в ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» и в ПАО «Казаньоргсинтез» при проектировании и эксплуатации компрессорных установок и рекомендуются для применения всем организациям-разработчикам турбокомпрессорного оборудования в РФ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика численного моделирования турбулентного течения в предлагаемых боковых зазорах разных форм между РК и корпусом ЦК с использованием ПК Fluent 6.2.16 (RANS).
-
Результаты численного моделирования течения в боковых зазорах в виде распределения давлений, скоростей по радиусу и ширине зазоров, мощности трения дисков при расходном течении к оси и от оси вращения и при изменениях определяющих критериев в характерных для ЦК интервалах.
-
Результаты сопоставления расчетных по ПК Fluent и наиболее точных экспериментальных данных, позволяющие создать инженерный метод расчета на ПЭВМ осевых сил, объемных и дисковых потерь.
-
Метод и программа расчета на ПЭВМ осевых сил, объемных и дисковых потерь в ЦК с исследованными формами боковых зазоров.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались автором на IX и дважды на X Международных научно-технических конференциях молодых специалистов «Исследование, конструктирование и технология изготовления компрессорных машин» (г. Казань, ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа, 2012 и 2014), Международной научно-технической конференции «Проблемы развития авиации, наземного транспорта и энергетики, (г. Казань, КНИТУ-КАИ, 2013), Международной научно-практической конференции «Поиск эффективных решений в процессе создания и реализации научных разработок в Российской авиационной и ракетно-космической промышленности», «АКТО-2014» (г. Казань,
КНИТУ-КАИ, 2014), XVI Международной научно-технической конференции по компрессоростроению (г. Санкт-Петербург, ЗАО «РЭПХолдинг», АСКОМП, 2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 5 статей в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК РФ, и 8 работ в периодических изданиях и трудах конференций.
Личный вклад автора. Разработана методика и выполнено численное моделирование течения в боковых зазорах разных форм между РК и корпусом ЦК. На основе анализа расчетных и экспериментальных данных создан инженерный метод расчета осевых сил, объемных и дисковых потерь в ЦК, который рекомендован для практики проектирования.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 199 страницах и содержит 49 рисунков и 1 таблицу в основном тексте и 30 рисунков, 24 таблицы, 2 Акта и Справку о внедрении результатов работы в приложении. Список литературы включает 80 наименований.