Исследование процессов неадиабатного сжатия с целью усовершенствования методики оценки параметров, эффективности и термогазодинамического расчета компрессоров

Характерной особенностью развития энергетических систем является переход к более высоким параметрам рабочего тела для улучшения экономичности.

В двигателях и энергетических установках, в которых рабочее тело находится при высоком давлении, возрастает степень неадиабатности процесса сжатия и возникает необходимость при расчетах и оценке эффективности работы турбомашин учитывать влияние тепловых потоков между рабочим телом, корпусными деталями и окружающей средой, а так же влияние физических свойств рабочего тела, отличающихся от свойств совершенного газа. Такая необходимость возникает, например, при разработке и испытании перспективных авиационных компрессоров с высокой степенью повышения давления (л-к), особенно при кк=40 и более, а так же промышленных компрессоров высокого и сверхвысокого давления.

Усовершенствованием методов оценки эффективности турбомашин и расчета процессов сжатия занимались многие исследователи: К. В. Холщевников [1, 8], Дж. М. Шульц [2], В. Ф. Рис [3, 4], К. П. Селезнев [5, 6, 9], Н. Н. Бухарин [7], В. Т. Митрохин [8], Ю. Б. Галеркин [6, 9, 35], Г. Н. Ден [10, 11, 12, 36] и другие [13 — 27]. Полученные ими результаты позволили разработать методы расчета и оценки эффективности процесса сжатия в компрессорах при высоком давлении рабочего тела. Однако не были рассмотрены процессы, в которых тепло не только отводится от сжимаемого газа через корпус в окружающую среду (внешний теплообмен), но и подводится к газу в первых ступенях компрессора от горячего газа в последних ступенях через корпусные детали (внутренний теплообмен). Не разработаны термодинамические методы определения интенсивности тепловых потоков между рабочим телом, корпусными деталями и окружающей средой, а так же методы оценки параметров, эффективности и термогазодинамического расчета процессов неадиабатного сжатия в компрессорах.

Таким образом, актуальными являются работы:

— по разработке методов оценки параметров и эффективности компрессоров с учетом внешнего и внутреннего теплообмена;

— по разработке методов термогазодинамического расчета процессов сжатия в компрессорах с учетом внешнего и внутреннего теплообмена;

— по усовершенствованию методов термогазодинамического расчета компрессоров, сжимающих реальные газы.

В диссертации обобщены работы автора по вышеуказанным темам.

Научная новизна работы заключается в следующих защищаемых автором положениях.

1. Разработана термодинамическая и математическая модели процесса неадиабатного сжатия газа в компрессоре с учетом внешнего и внутреннего теплообмена.

2. Упрощены дифференциальные уравнения процесса сжатия реальных газов.

Достоверность научных результатов подтверждается анализом экспериментальных характеристик компрессоров высокого давления, испытанных в АОЗТ «НИКТИТ» и АООТ «Невский завод», а так же экспериментальных характеристик авиационных компрессоров ОАО «НПО «Сатурн».

Практическая ценность работы заключается в:

— разработке усовершенствованного метода, позволяющего оценить параметры и эффективность процесса сжатия в компрессорах с учетом внешнего и внутреннего теплообмена;

— разработке метода термогазодинамического расчета компрессоров с учетом внешнего и внутреннего теплообмена;

— упрощении методики расчета процесса сжатия реальных газов.

Реализация работы. Разработанные методы рекомендованы для включения в «Методические указания по проведению теплотехнических и газодинамических расчетов при испытаниях газотурбинных газоперекачивающих агрегатов» [28, 29].

Материалы работы используются в учебном пособии РГАТА для студентов специальности «Авиационные двигатели и энергетические установки», которое находится в печати.

Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях.

1. XXVI конференции молодых ученых и студентов (Рыбинск: РГАТА, 1999 г.).

2. Всероссийской конференции молодых специалистов «Проблемы исследований и разработок по созданию силовых и энергетических установок XXI века» (Москва: ЦИАМ, 2000 г.).

3. Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва: МГТУ им. Баумана, 2001 г.).

4. V Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика процессов горения и охрана окружающей средытеория и практика интенсивно закрученных потоков» (Рыбинск: РГАТА, 2001 г.).

5. XII Международной научно-технической конференции по компрессорной технике (Казань: ЗАО «НИИ турбокомпрессор», 2001 г.).

6. Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков» (Рыбинск: РГАТА, 2002 г.).

По теме диссертации опубликовано 15 работ (в том числе 6 тезисов докладов).

Выводы по работе.

1. В работе показано, что в малорасходных компрессорах высокого давления нельзя пренебрегать влиянием внутреннего и внешнего теплообмена на термогазодинамические параметры и эффективность процесса сжатия.

2. Разработана термодинамическая и математическая модели процесса неадиабатного сжатия газа в компрессоре с учетом внешнего и внутреннего теплообмена.

3. Выполнено уточнение существующей методики расчета процесса сжатия реальных газов.

4. На основании предложенных зависимостей разработаны методики оценки параметров, эффективности и термогазодинамического расчета процесса сжатия (в том числе и реальных газов) с учетом внутреннего и внешнего теплообмена.

5. Показано, что при введении теплоизоляции ступеней компрессора, в которых наблюдается подвод тепла от корпусных деталей к сжимаемому газу (определенный по предложенной методике), и увеличении теплоотдачи в окружающую среду от сжимаемого газа, можно уменьшить внутреннюю удельную работу сжатия газа в компрессоре на 1 — 2% и более.

1 Холщевников К. В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1970. 610 с.

2 Шульц Дж. Политропический анализ центробежного компрессора // Энергетическое машиностроение. — 1962. — № 1. — С. 87−100.

3 Рис В. Ф. Центробежные компрессорные машины. JL: Машиностроение, 1964. 336 с.

4 Рис В. Ф. Центробежные компрессорные машины. JL: Машиностроение, 1981. 351 с.

5 Селезнев К. П., Стрижак Л. Я. О некоторых проблемах термодинамики центробежных компрессоров высокого давления // Известия вузов. Машиностроение. — 1993. — № 7−9. — С. 65−80.

6 Селезнев К. П., Галеркин Ю. Б., Анисимов С. А. Теория и расчет турбокомпрессоров. Д.: Машиностроение, 1986. 392 с.

7 Бухарин H.H. Моделирование характеристик центробежных компрессоров. JL: Машиностроение, 1983. 214 с.

8 Холщевников К. В., Емин О. Н., Митрохин В. Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1986. 432 с.

9 Галеркин Ю. Б., Селезнев К. П. Центробежные компрессоры. Л.: Машиностроение, 1982. 271 с.

ЮДен Г. Н.

Введение

в термогазодинамику реальных газов. С-Петербург.: Издательство СПбГТУ, 1998. 141 с.

11 Ден Г. Н., Куликов В. М. О критериях подобия при сжатии реальных газов, моделировании проточных частей и пересчете газодинамических характеристик ЦКМ на иные условия работы // Турбины и компрессоры. — 2000. — Вып. 1−2. — С. 49−51.

12 Ден Г. Н., Малышев А. А., Гнатюк И. В. Критерии подобия сжимаемых потоков и инженерное моделирование проточных частей турбокомпрессоров для сжатия реальных газов // Компрессорная техника и пневматика. — 2000. — № 3. — С 26−29.

13 Розен A.M. Термодинамический расчет компрессии при высоком давлении // Химическая промышленность. — 1945. — № 9 — С 11−19.

14Траупель В. Тепловые турбомашины. М.: Госэнергоиздат. Т. 1, 1961.344 с.

15 Thompson P.A. A Fundamental derivative in Gasdynamics // Phys. Fluids.-V.14. 1971.-№ 9.-P. 1843−1849.

16 Казаченко A.H. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. М.: Нефть и газ, 1999. 463 с.

17Бартош Е. Т. Термодинамические процессы. М.: Изд-во МГОУ. А/О Росвузнаука, 1992. 330 с.

18 Бам-Зеликович Г. М. Расчет газодинамических параметров при течении реального газа // ЦИАМ: Технический отчет № 122, 1959 20 с.

19 Газоперекачивающие агрегаты с газотурбинным приводом. Учебное пособие / Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. 269 с.

20 Оруджалиев Э. А. К теории течения реального газа в магистральных газопроводах // Известия вузов. Нефть и газ. — 1961. — № 6 -С 12−16.

21 Оруджалиев Э. А. Расчетное уравнение для течения реального газа в магистральных газопроводах при наличии теплообмена на головном участке // Известия вузов. Нефть и газ. — 1961. — № 7 — С 27−33.

22 Колюбакин P.A., Серманов В. Н. Некоторые газодинамические соотношения для реального газа. ЦИАМ. № 707, 1976. 8 с.

23 Епифанова В. И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального типа. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998. 623 с.

24Шехтман A.M. Газодинамические функции реальных газов. М.: Энергоатомиздат, 1988. 175 с.

25 Загорученко В. А. Теплотехнические расчеты процессов транспорта и регазификации природных газов. М.: Недра, 1980. 320 с.

26 Гайгеров В. И. Влияние свойств рабочего тела на характеристики центробежного компрессора и газовой турбины. НИЛД. Тр. № 4. М.: 1957. 109 с.

27 Коршунов A.B., Стрижак Л. Я. Термогазодинамический расчет центробежных компрессоров, сжимающих реальные газы и их смеси. СПбГТУ, 1998. 59 с.

28 Добродеев В. П., Добродеев A.B. Метод оценки параметров и эффективности процесса сжатия газа в турбокомпрессорах // Компрессорная техника и пневматика. — 2001. — № 8. — С. 22−24.

29 Добродеев В .П., Добродеев A.B. Оценка эффективности процесса сжатия в центробежных компрессорах высокого давления газотурбинных газоперекачивающих агрегатов И Турбины и компрессоры. СПб. — 2002 -(№ 20, 21) Вып. № з, 4. — С. 48−52.

30 Щуровский В. А., Синицин Н. С. Опыт применения международных стандартов при испытаниях компрессоров природных газов // Компрессорная техника и пневматика. — 2002. — № 6. — С. 11−13.

31 Schmitt W., Thomas V. Comparison of test measurements taken on a pipeline compress-or/gas turbine unit in the workshop and on site // ASME paper 95-GT- 125. 1995.

32 Галеркин Ю. Б. К оценке некоторых методов измерения и расчета газодинамических характеристик модельных ступеней и нагнетателей природного газа // Компрессорная техника и пневматика. — 2001. — № 2 -С 7−12.

33 ISO 5389−1991(Е). Turbokompressors. Performance test code.

34 Методические указания по проведению теплотехнических и газодинамических расчетов при испытаниях газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. М.: ВНИИГАЗ, 1999. 51 с.

35 Галеркин Ю. Б., Прокофьев А. Ю. Оценка эффективности нагнетателей природного газа с помощью разного рода КПД при заводских испытаниях // Турбины и компрессоры. — 2002. — С. 67−71.

36 Ден Г. Н. О связи между внутренним КПД неохлаждаемых ЦКМ и политропным КПД по полным параметрам // Турбины и компрессоры -2002. -№ 1−2.-С. 67−71.

37 Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. JL: Химия, 1982. 592 с.

38 Добродеев В. П., Добродеев A.B. Метод оценки параметров, эффективности процесса сжатия и тепловых потоков по корпусу малорасходного нагнетателя высокого давления // Турбины и компрессоры. СПб. — 2002 — Вып. № 1,2 (№ 18, 19). — С. 20−23.

39 Базаров И. П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. 376 с.

40 Зельдович Я. Б., Мышкис А. Д. Элементы математической физики. М.: Наука, 1973.24 с.

41 Карапетьянц М. Х. Химическая термодинамика. М.: Химия. 1975.

584 с.

42 Добродеев В. П., Клячкин A. J1. Преобразование дифференциальных уравнений термодинамики введением безразмерных показателей // Теплоэнергетика. — 1969. — № 12. — С. 81−84.

43 Добродеев В. П., Мочалова H.A., Добродеев A.B. Модули упругости и показатели политропы в процессах изменения состояния реальных газов и жидкостей // Инженерно-физический журнал. — 2000. Т. 73.-№ 2.-С. 414−417.

44 Добродеев В. П., Мочалова H.A., Добродеев A.B. О термодинамической эффективности лопаточных машин, работающих на реальных газах и жидкостях. 1. Компрессоры и газовые турбины // Изв. вузов. Авиационная техника. — 2000. — № 1 — С. 33−36.

45 Добродеев В. П., Мочалова H.A., Добродеев A.B. Критерии подобия течений, характеризующие термодинамические свойства жидкостей и реальных газов // Инженерно-физический журнал т. 74. -2001.-№ 3. С. 164−168.

46 Сычев В. В., Вассерман A.A., Козлов А. Д. и др. Термодинамические свойства воздуха. М.: Изд-во стандартов, 1978 г. 276 с.

47 Сычев В. В., Вассерман A.A., Козлов А. Д. и др. Термодинамические свойства кислорода. М.: Изд-во стандартов, 1981. 304 с.

48 Сычев В. В., Вассерман A.A., Козлов А. Д. и др. Термодинамические свойства пропана. М.: Изд-во стандартов, 1989. 268 с.

49 Сычев В. В., Вассерман A.A., Загорученко В. А. и др. Термодинамические свойства метана. М.: Изд-во стандартов, 1979. 348 с.

50Поляев В.М., Чернов В. А. Диаграммы энтальпия-энтропия для продуктов сгорания с воздухом углеводородного горючего. М.: 1961 г.

51 Ривкин С. Л., Александров A.A., Кременевская Е. А. Термодинамические производные для воды и водяного пара. М.: Энергия, 1974. 264 с.

52 Дубовкин Н. Ф., Маланичева В. Г., Массур Ю. П. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. М.: Химия. 1985.240 с.

53 Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 с.

54 Нагнетатель центробежный газоперекачивающего агрегата ГПА-4РМ. Расчетные исследования 5359 ДО. С-Петербург. АОЗТ «НИКТИТ», 1999. 164 с.

55 Добродеев В. П., Добродеев A.B. К вопросу термогазодинамического расчета и оценки эффективности центробежного компрессора при наличии внешнего теплообмена // Компрессорная техника и пневматика. — 2002. — № 4. — С. 23−24.

56 Акт приемки опытного образца центробежного нагнетателя 47−71−1, разработанного АОЗТ «НИКТИТ» и изготовленного АООТ «Невский завод». С-Петербург, 2001.

57 ГОСТ 23 194–83. Нагнетатели центробежные для транспортировки природного газа. Основные параметры.

58 Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. Новосибирск.: Наука, 1970. 659 с.

59 Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоиздат, 1990. 367 с.

60 Технический отчет № 7747−90−092 «Анализ результатов работы компрессора в составе газогенератора № 7761−5 (ГГ № 2 сб. 5). Рыбинск. РКБМ, 1990. 42 с.

61 Технический отчет «Анализ результатов работы компрессора в составе газогенератора № 7761−5 (ГГ № 2 сб. 4). Рыбинск. РКБМ, 1990. 61 с.

62 Добродеев В. П., Добродеев А. В. Критерии подобия сжимаемых потоков и метод оценки эффективности турбомашин // Изв. вузов. Авиационная техника. — 2002. — № 1. — С. 46−49.

63 Добродеев В. П., Добродеев А. В. Термогазодинамический расчет малорасходных центробежных компрессоров высокого давления с учетом тепловых потоков по корпусам и диафрагмам // Компрессорная техника и пневматика. — 2002. — № 3. — С. 14−15.