Введение к работе
Актуальность проблеми. В настоящее время в мире наблюдается тенденция к увеличению использования центробежных компрессоров высокого давления в химической, нефтяной и газовой добывающей и перерабатывающей промышленности в силу ряда преимуществ перед другими типами компрессоров как технического, так и экономического характера. Широкий спектр применения и постоянно увеличивающаяся энергоемкость оборудования приводит к необходимости проведения комплекса'научно-исследовательских работ, направленных на совершенствование проточной части и других узлов с целью достижения максимальной эффективности в широком диапазоне режимов работы и, тем самым, снижения себестоимости оборудования и эксплуатационных затрат. Высокая стоимость и трудоемкость экспериментальных исследований, требующих уникального оборудования, повышает роль разработки надежных расчетно-теоретических методов проектирования проточной части на основе анализа ее аэродинамического совершенства посредством оптимизационных расчетов.
Цель работы. Построение модели и разработка метода расчета вязкого течения реального газа в двухзвенной малорасходной ступени центробежного компрессора высокого давления с закрытым радиальным рабочим колесом и безлопаточным диффузором, проведение экспериментального исследования серии рабочих колес с различным профилированием лопаточной решетки, балансировка разработанной методики расчета по результатам сравнения с экспериментальными данными, проведение расчетно-теоретического анализа серии рабочих колес с целью выяснения оптимальных геометрических и газодинамических параметров, разработка рекомендаций по проектированию элементов проточной части.
Задачи исследования состоят в следующем: разработка алгоритма автоматизированного профилирования лопаточной решетки с лопатками постоянной тощины по заданному распределению углов средней линии и расчет обтекания решетки профилей потенциальным потоком методом особенностей; разработка модели идеально-вязкого взаимодействия потока с лопаточной решеткой, включающей методику расчета осредненного по шагу вязкого турбулентного течения реального газа в колесе и осесимметричного в безлопаточном
диффузоре, методики расчета турбулентного пограничного слоя на передней и задней сторонах лопатки рабочего колеса на осесимметричной поверхности тока с учетом кривизны поверхности, вращения, неравномерности по шагу внешнего течения и массо- и энергообмена со вторичными течениями; расчет составляющих потерь, коэффициента теоретического напора и гидравлического КПД двухзвенной ступени; проведение расчетно-теоретического / параметрического анализа влияния количества лопаток, геометрической диффузорности межлопаточных каналов, входного угла лопатки и диаметра входа в решетку, формы радиального профиля лопатки на потери и эффективность колеса и двухзвенной ступени; проектирование серии модельных ступеней с различным профилированием лопаточной решетки и проведение их экспериментального исследования на стенде замкнутого контура при различных числах Re; уточнение разработанной расчетной методики по результатам сравнения с экспериментальными данными; разработка рекомендаций по выбору основных геометрических параметров при проектировании малорасходных центробежных ступеней.
Научная новизна работы заключается в следующем: . разработана методика численного расчета осредненного по шагу вязкого турбулентного течения реальных газов и их смесей в меридиональной плоскости рабочего колеса с учетом осевых завихренностей в ядре потока и пограничном слое, допускающая возможность смыкания пограничных слоев на ограничивающих дисках и расчет полностью вязкого течения в рабочем колесе интегральным методом в идеально-вязкой постановке;
разработана методика численного расчета турбулентного пограничного слоя на передней и задней сторонах лопатки рабочего колеса в осредненной по ширине лопатки постановке интегральным методом с учетом кривизны поверхности, эффектов вращения, кориолисовых сил, массо- и энергообмена со вторичными течениями на дисках рабочего колеса;
разработана методика численного расчета осесимметричного полностью вязкого турбулентного течения в беэлопаточном диффузоре;
разработана расчетная модель, позволяющая определять отдельные составляющие потерь и суммарные гидравлические потери в элементах двухзвенной ступени в соответствии с принятой
классификацией, рассчитывать коэффициент теоретического напора и гидравлический КПД рабочего колеса и ступени как на оптимальном, так и на нерасчетных режимах.
Практическая ценность работы состоит в создании комплекса программ расчета параметров течения реального газа и потерь в малорасходной ступени центробежного компрессора высокого давления, имеющих приемлемое с инженерной точки зрения быстродействие, необходимое для решения развитых задач оптимизации. Выяснен характер влияния различных геометрических параметров на эффективность проточной части, показано наличие частных оптимальных решений; определены наиболее значимые геометрические параметры для корректной постановки задачи многопараметрической оптимизации.
Реализация результатов работы в промышленности.
Расчетные методики и предложенные рекомендации использовались во ВНИИКомпрессорМаше (г.Сумы) при разработке проточной части опытного цилиндра на давление 80 МПа и компрессоров для транспорта попутного газа на давление 5,6 МПа КС-3,0-ЦГТП/4-56, выполненной совместно с кафедрой компрессоростроения СПбГТУ.
Аппробация работы. Результаты исследований излагались на YII, YIII ВНТК и IX МНТК по компрессоростроению (Казань, 1986, Сумы, 1989 и Казань, 1993 г.) и семинарах кафедры компрессоростроения СПбГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликаованы три статьи и тезисы трех докладов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,
пяти глав, заключения, списка использованной литературы и
приложения. Она содержит страниц машинописного текста с