Оценка по виброакустическим характеристикам динамических нагрузок системы выхлопа газоперекачивающего агрегата

Одним из главных условий устойчивого развития газовой отрасли является обеспечение надёжности и эффективности эксплуатации газотранспортных предприятий. Проблемы повышения надежности и эффективности эксплуатации газоперекачивающих агрегатов (ГПА) тесно связаны с работоспособностью всех его элементов и узлов. В силу специфики функционирования ГПА и небольшого опыта технической эксплуатации (начиная с 70-х годов прошлого столетия) кардинально решить все возникающие проблемы в данных агрегатах не представляется возможным. Система технической диагностики в основном привязана к наиболее напряженным элементам и ответственным узлам конструкции агрегата [6,13]: газотурбинному двигателю (ГТД), нагнетателю, их подшипникам и Т.д.

На современных станциях, где используют ГПА различных типов, существуют системы непрерывного контроля технического состояния [52,96] отдельных узлов по величине температур, давления, уровня вибрации и т. д., поэтому отказы в работоспособности ГПА по элементам контроля сводятся к минимуму. Однако в конструкции системы выхлопа какие-либо элементы контроля отсутствуют, что привело к следующим отказам при эксплуатации ГПА:

— обрыв листов внутренней облицовки на агрегатах ГПА — 16ДКС-02, ГПА — 16 ДКС-03 на КС Ямбургского ГКМ, ГПА-16ДКС-02Л на КС «Пуртазовская»;

— прогар компенсаторов на агрегатах ГПА-12М (КС «Пермская»), ГПА-16 (КС «Горнозаводская»);

Отказы систем выхлопа в работе ГПА приводят к значительному повышению стоимости ремонтно-восстановительных работ, что диктует необходимость внедрения современных технологий оценки работоспособности. В этих условиях резко возрастает необходимость в научных разработках, направленных на решение неотложных задач, связанных с совершенствованием методов и средств анализа технического состояния газоперекачивающего оборудования.

Для выявления основных нагрузок, которые действуют на конструкцию элементов выхлопного тракта необходимо рассмотреть все факторы, которые могут влиять на возникновение различного типа нагрузок. По работам российских и зарубежных исследователей [15,25,81,84,87,101] нагрузки разделены:

• температурные нагрузки (температура газа в выхлопном тракте составляет 580−780°К), которые приводят к значительным деформациям конструкции элементов и снижению физико-механических свойств материалов;

• газодинамические нагрузки, которые связаны с условиями движения газового потока по тракту выхлопа.

Если температурные нагрузки можно контролировать в процессе эксплуатации и каким-то образом производить оценку их влияния на этапе конструирования, то газодинамические процессы особенно в тракте выхлопа выпадают из внимания разработчиков. Это связано в первую очередь с недооценкой системы выхлопа в работоспособности ГПА. Как следствие, данная проблема возникла только в процессе эксплуатации. Если температурные нагрузки рассчитываются на этапе проектирования и контролируются в процессе пуско-наладочных работ, что позволяет уточнять некоторые конструктивные решения (установка тепловых компенсаторов [81]). В основном оценка газодинамических параметров сводилась к анализу условий течения газа на выходе из улитки, как в конструкции элемента обеспечивающего работоспособность и КПД турбины. В последнее десятилетие появились публикации, в которых отмечается, что существующие экспериментальные и теоретические данные могут дать рекомендации по проектированию диффузоров только в некоторых частных случаях [17,44,101]. Общих рекомендаций нет и, как отмечает Д. Б. Бекурин, в принципе быть не может, так как оптимальная геометрия диффузора, кроме геометрических и режимных параметров, существенно зависит от поля скоростей на его входе, т. е. для различных входных условий нужны свои исследования и рекомендации по проектированию.

Для диффузоров, установленных за улиткой, подобные исследования необходимы, так как поле, создаваемое улиткой, крайне неравномерно, и имеет свои специфические особенности, влияние которых на аэродинамические характеристики диффузора практически не изучено.

В силу сложности прямых экспериментальных исследований газодинамических параметров из-за высоких температур и сложности доступа в систему выхлопа, важной является задача оценки динамических характеристик газового потока по косвенным параметрам.

Условия движения газового потока по геометрически сложным каналам проточной части системы выхлопа приводят к созданию в потоке газодинамических источников его колебаний, амплитуда и частота которых определяется характером течения газа и граничными условиями. Под газодинамическими источниками колебаний газа в потоке понимают любые локальные изменения его параметров, способные приводить к возникновению колебаний давления газа или скорости потока. Ими могут быть: пристеночное турбулентное движение потокавихреобразованиеобтекание препятствийповороты потокавзаимодействие потоков и т. п.

1,3,4].

Условие формирования потока и его движение по конструктивным элементам тракта выхлопа связано с изучением газодинамических источников, которые формируются за счет условий взаимодействия газа в процессе формирования потока и его движения [14]. Кроме того, при движении газа по трактам в потоке формируются вторичные источники акустического шума, связанные с условиями формирования потока, различными переходами, поворотами, трением в вязком газе и т. п. [9]. Величины акустической интенсивности данных источников зависят от достаточно большого числа факторов: геометрических характеристик газового тракта (длина участка, площадь проходного сечения, углы и радиусы поворота и т. д.) — термои газодинамических характеристик потока (скорости, градиентов скорости, давления, температуры и т. д.).

Так же, газовый поток несет в себе и первичные источники, связанные с возникновением возмущений любых нагнетательных аппаратов (насосов, турбин, вентиляторов и др. систем).

Условия взаимодействия газодинамических источников в потоке носят избирательный характер, связанный с частотой и фазой колебательного процесса, формирующегося колебательного процесса, что для данных конструкций выхлопа малоизученно [24,84]. Если возникает режим автомодельности в колебательном процессе газа в тракте, то величина амплитуды давления акустических колебаний может достигать достаточно значительной величины, являющейся вынуждающей силой для колебаний механических систем (стенок, элементов газовых трактов). Амплитуда колебаний механических систем зависит от жесткостных и массовых характеристик системы. Кроме того, акустическая волновая структура потока генерирует акустические волны, которые проходят через механические элементы, как по звукопроводу [5]. Граничные условия и система источников акустической энергии определенным образом создают колебательную систему, которую возможно оценить по анализу косвенных параметров (вибрации наружной стенки). Работы по оценке параметров потока по акустическим характеристикам излучения проводились российскими учеными и за рубежом это связано в основном для изучения шумовых факторов самолетов и других летательных аппаратов [1,2].

Таким образом, на наружной поверхности газовода могут быть реализованы вибрации конструкции от воздействия вынуждающих колебаний газа и излучения акустических волн, прошедших через стенку (конструкцию). Основной проблемой, которая должна быть решена в данной постановке — определение передаточной функции которая бы связала величину и характер динамической нагрузки, действующей на внутреннюю стенку с вибрациями наружной стенки. Для этого необходимо глубокое изучение колебательных механизмов, условий их возникновения, проявления и взаимодействия.

Распространение вибраций от источника (механизма их возникновения) по элементам конструкции выхлопного тракта определяется полем вибраций и его характеристикам (передаточной функцией среды, объекта). Величина интенсивности любого возмущения может быть связана с величиной изменения виброакустического давления в возникающем поле.

Газовый поток выхлопного тракта может взаимодействовать с возникающими в нем газодинамическими источниками и создавать условия, приводящие к усилению колебаний давления газа в потоке, а, следовательно, приводить к возникновению значительных динамических нагрузок, действующих на его конструктивные материалы. Как вынуждающая сила, энергия колебаний от газодинамических источников в потоке будет реализовываться в форме вынужденной силы для конструктивных элементов выходного тракта со своими частотными характеристиками, т. е. приводить к виброколебаниям на вынужденных частотах в элементах (стенках). В выходном сигнале (на наружной стенке) данные частоты должны присутствовать! Кроме того, должны быть и парциальные (модальные) частоты, которые усложняют систему диагностики. Тем не менее, величина (энергия) вынужденных колебаний на наружной стенке будет определяющей в решении задачи по определению динамической нагрузки, действующей со стороны газового потока. Зная передаточную функцию, можно определять величину динамической силы.

Условия формирования потока и роль газодинамических источников в выхлопном тракте практически не изучены, с точки зрения формирования нагрузок. Таким образом, рассматриваемая задача определения динамических нагрузок в конструкциях выхлопного тракта ГПА по косвенным параметрам является актуальной.

Определение величины динамической нагрузки любого конструктивного элемента возможно по результатам измерений виброакустической интенсивности. Основными задачами в определении величины динамической нагрузки являются: определение передаточной функции конструктивного элемента исследуемой системырасчет величины виброакустического давления источника, реализуемого источником возбуждения системы.

В каждом конкретном случае анализ источников динамического нагружения системы формализуется в соответствии с конструктивными особенностями, условиями технологического процесса и режимом работы.

Прямое измерение параметров газового потока достаточно сложно и требует специального оборудования, что является очень дорогостоящим мероприятием. Метод оценки динамических характеристик газового потока по косвенным параметрам, в качестве которых очевидно использование виброакустических характеристик наружной стенки системы выхлопа, позволяет получить доступный и надежный инструмент повышения надежности конструктивных элементов системы выхлопа газоперекачивающего агрегата. Из физики известно, что любое движение газа связано с акустическими колебаниями [12] (например, о скорости ветра можно судить по количеству акустического шума). Основная проблема состоит в том, чтобы связать параметры газового потока с величиной колебаний, для этого необходимо определить передаточную функцию.

Для определения передаточной функции необходимо проведение исследований, суть которых состоит в том, что для исследуемого объекта необходимо знать задаваемый входной и измерять выходной сигнал в направлениях максимальной интенсивности излучения виброакустического поля. Более общей возможностью построения передаточной функции объекта является проведение модального анализа. Суть последнего состоит в том, что при определенной схеме установки датчиков производится импульсное нагружение конструкции в районе установки датчиков. Анализ структуры передаточной функции определяется по прохождению импульсного сигнала от датчика к датчику, т. е. определяется характеристики волнопровода. Количество датчиков должно быть не мене двух [64]. Сопоставление сигналов датчиков с учетом условий прохождения виброакустического сигнала от датчика к датчику в амплитудно-частотном и временном соотношении позволяет в первом приближении оценить характеристики волновода, а, следовательно, получить основные параметры передаточной функции исследуемой конструкции.

В связи с ростом новых типов конструкций ГПА на базе ПС-90А возникает необходимость привлечения математических алгоритмов, которые позволят проводить оценку работоспособности конструктивных элементов без проведения натурных испытаний. Данные алгоритмы должны позволять проводить оценку величины и структуры колебания давления с учетом начальных и граничных условий, применительно к выхлопному, тракту. Поэтому разработка математических алгоритмов, позволяющих решать данную задачу, является актуальной.

На кафедре РКТ и ЭУ при ПГТУ разработан алгоритм задачи, которая позволяет определять не только структуру течения газа по любым геометрически сложным каналам, но и определять амплитуды и частоты газодинамических колебаний в потоке. Математическая модель разработана для реального газа (алгоритм на основе уравнений Навье-Стокса). Проведена оценка конкретной конструкции ГПА-16−01 «Урал». Разработанная модель численного моделирования существенно расширяет возможности исследований условий возникновения динамических нагрузок для вновь проектируемых конструкций выхлопа ГПА.

При разработке новых конструкций систем выхлопа основной задачей является снижение затрат (стоимости) производства. Необоснованная толщина стенок выхлопного тракта без учета динамики процессов приводит к необоснованному удорожанию конструкции в целом. Оптимизация конструкционных схем является сложной проблемой. Ее решение представлено в данной работе, которая базируется на результатах научно-исследовательских работ, выполненных НПО «ИСКРА» совместно с ПГТУ. При решении задачи возникла необходимость детального изучения условий формирования газового потока в конструкции конкретного выхлопного тракта ГПА-16−01. Данная работа не дает возможности оценить условия формирования газодинамических источников в выхлопных трактах различных ГПА. Тем не менее, результаты очень важны для построения передаточной функции, чтобы отработать разработанную методику (представленную ниже) по оценке динамических параметров газового потока выхлопного тракта по косвенным измерениям.

На данном этапе отрабатывалась методология формализации информации, полученной от датчиков, измеряющих виброакустические характеристики конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА, с анализом и сопоставлением результатов прямого измерения амплитуды колебаний давления в газовом тракте для последующего этапа доработки методики пересчета амплитуды виброколебаний стенки конструкции в амплитуду колебаний давления газа в выхлопном тракте.

Поскольку конструкция выхлопного тракта любого ГПА [32,38,99] включает улитку, обеспечивающую отвод газа от турбины в приемную камеру системы выхлопа: диффузор с температурным компенсатором деформаций конструкции, горизонтальную и вертикальную часть выхлопа (труба), то исследования должны определить влияние каждого из этих элементов на условие формирования потока.

В ходе экспериментальных исследований было отмечено, что при выходе газа из улитки ГПА и его движении по выхлопному тракту наблюдаются значительные динамические нагрузки, которые реализуются в колебаниях конструктивных элементов тракта с определенной циклической зависимостью проявления этого действия.

Конструктивная схема улитки ГТУ позволяет предположить наличие значительной неустойчивости в формировании потока выхлопа, что может приводить к формированию вихревой структуры потока с отрывом и движением вихря по тракту [9,15]. Наличие такого вихря приводит к перераспределению основных параметров потока (давление, скорость, плотность), что и создает условия возникновения динамической нагрузки на конструктивные элементы выхлопного тракта.

Для выявления характерных особенностей потока выхлопа и учета газодинамических факторов конструкции необходимо как физическое исследование, так и построение математических моделей для более детального изучения особенностей формирования и движения потока по выхлопному тракту.

В данной работе приведена расчетная схема, позволяющая оценить уровень амплитуды колебаний газа при его движении, как по конструкции улитки, так и по приемнику и диффузору. Отличительной особенностью данной реализации является использование уравнения Навье-Стокса для реального (вязкого) газа. Трехмерная постановка заменена на плоскую, тем самым значительно сокращено время расчета. Программа позволяет учитывать любую конструкцию выхлопа, а следовательно использовать данный алгоритм при проведении конструкторской проработки разработанных трактов.

В данной работе для численной реализации поставленной задачи используется метод крупных частиц (МКЧ), разработанный Ю. М. Давыдовым [20,21,40−43], как реализующий наиболее адекватный подход при решении полных уравнений газовой динамики и хорошо зарекомендовавший себя при решении различных задач. Его принципиальная сущность заключается в возможности разбиения сложного вычислительного процесса определения газодинамических параметров на простые этапы, что позволяет получать необходимое решение путем наращивания его простыми решениями.

Основная идея метода состоит в расщеплении по физическим процессам исходной нестационарной системы уравнений, записанной в форме законов сохранения. Среда здесь моделируется системой из «крупных» частиц, совпадающих в данный момент с ячейками эйлеровой сетки. Стационарное решение задачи, если оно существует, получается в результате установления, поэтому весь вычислительный процесс состоит из многократного повторения шагов по времени.

Таким образом, выше приведенные проблемы в обеспечении работоспособности ГПА позволили сформировать основные задачи диссертационной работы.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Решение научной задачи по оценке газодинамических нагрузок, действующих на конструктивные элементы системы выхлопа газоперекачивающего агрегата, по виброакустическим характеристикам наружной стенки.

ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Для достижения указанной цели необходимо:

1. Произвести структурный анализ газодинамических нагрузок и экспериментально подтвердить условия вихреобразования и срыва вихря как основного источника динамической нагрузки в газовом потоке выхлопного тракта ГПА.

2. Провести моделирование газодинамических процессов в проточной части с целью анализа условий формирования и воздействия динамических нагрузок на конструктивные элементы системы выхлопа ГПА.

3. Экспериментально исследовать связь динамических параметров (колебания давления) в потоке продуктов выхлопа с вибрацией наружной стенки.

4. Исследовать передаточную функцию стенки конструкции выхлопного тракта, связывающую виброакустические характеристики наружной стенки с динамическими нагрузками в потоке продуктов сгорания ГПА.

5. Разработать методику расчета величины колебаний давления в газовом потоке системы выхлопа ГПА по виброакустическим колебаниям наружной стенки.

МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ.

Использовались известные методы и уравнения газовой динамики реальных газов, теория колебаний в газе, распространение волн и волновых процессов в средах. Экспериментальные исследования проводились на реальных конструкциях с использованием сертифицированных измерительных средств и лицензированных программ, обработки измерений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Впервые для расчета крупномасштабных вихревых структур в газовом потоке использован метод крупных частиц с переменны размером ячеек в расчетной области. При записи системы уравнений течения вязкого газа учтены дополнительные внутренние удельные массовые силы, определяющие закрутку потока и функции, определяющие силовые взаимодействия в потоке.

2. Впервые проведены комплексные исследования, направленные на научное обоснование корреляционной связи амплитудно-частотных характеристик вихревой структуры газового потока в выхлопном тракте газоперекачивающего агрегата и механических колебаний его наружной стенки.

3. Новой является методика расчета параметров газового потока по виброакустическим характеристикам наружной стенки, основанная на коэффициентах передаточных функций, полученных в ходе анализа экспериментальных и расчетных данных.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

1. Произведенные экспериментальные и теоретические исследования движения газа по тракту выхлопа ГПА позволили выявить вихревую структуру течения газа и связать ее с динамическими нагрузками, действующими на конструктивные элементы тракта.

2. Уточненная структура передаточной функции позволяет использовать инженерные методы для построения технической диагностики конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА.

3. Разработана методика пересчета результатов виброакустических измерений колебаний наружной стенки в величину колебаний давления в газовом потоке выхлопа ГПА, которая может быть использована и для других типов ГПА, при проведении модального анализа конкретного конструктивного исполнения выхлопного тракта.

4. Результаты расчетов, полученные с помощью разработанной инженерной методики, могут быть использованы для расчета напряженно деформированного состояния конструктивных элементов выхлопного тракта ГПА и прогнозирования их дальнейшей работоспособности.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ.

1. Результаты расчетов формирования газового потока в проточной части выхлопа газоперекачивающего агрегата.

2. Методика оценки по виброакустической активности наружной стенки параметров газового потока системы выхлопа газоперекачивающего агрегата.

3. Результаты экспериментальных исследований газодинамических процессов.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается:

1. Использованием уравнения динамики вязкого газа, значений термодинамических и теплофизических величин, приведенных в академических справочниках, а так же известных, проверенных на практике, экспериментальных характеристик взаимодействия газа с элементами конструкции.

2. Хорошим согласованием результатов расчета, полученных при математическом моделировании, и экспериментов, проведенных в работе на натурном объекте.

3. Применением современных сертифицированных приборов, проверенных и надежных средств измерения и регистрации, опробованных методик.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ.

1. Разработанная методика позволяет производить оценки динамических нагрузок любых выхлопных трактов ГПА.

2. Разработаны основные рекомендации по проектированию выхлопного тракта ГПА.

3. Методика пересчета перенесена на оценку динамических нагрузок в трубопроводах по транспортировке различных сред.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные положения и результаты разработанной методики докладывались и обсуждались на научно технических конференциях: «Математическое моделирование — 2003» (ПГТУ, г. Пермь) — «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2006» (ПГТУ, г. Пермь) — «Проблемы баллистики — 2006» Пятая международная школа-семинар «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем» (Санкт-Петербург, 2006).

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 102 наименования. Работа содержит 135 страниц текста, 34 рисунка и 10 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате проведенного исследования выявлены характерные особенности формирования и движения газового потока по выхлопному тракту ГПА. Установлено, что в газовом потоке наблюдается высокая нестабильность его движения. Отмечается низкочастотная природа колебательных процессов в газе, связанных с формированием вихрей и их прохождением по выхлопному тракту ГПА. Уровень колебаний давления газа достигает амплитуды ~110 кПа с частотой ~10. 15 Гц.

2. Показано, что энергия и форма колебаний наружной стенки выхлопного тракта и соответствующие параметры динамических нагрузок, возникающих за счет колебания давления в газовом потоке выхлопа, совпадают. Это позволяет достаточно корректно использовать разработанную методику пересчета результатов измерения вибраций стенки в амплитуды колебаний давления.

3. Используемая математическая модель на основе течения реального газа по оценке динамических нагрузок позволяет выявить наиболее нагруженные конструктивные элементы выхлопного тракта, что дает возможность обоснованно сформировать граничные условия по расчету напряженно-деформированного состояния выбранной конструкции.

4. Разработана методика пересчета результатов виброакустических измерений колебаний наружной стенки в величину колебаний давления в газовом потоке выхлопа ГПА, которая может быть использована и для других типов ГПА, при проведении модального анализа конкретного конструктивного исполнения выхлопного тракта.

5. Результаты расчетов, полученные с помощью разработанной инженерной методики, могут быть использованы для расчета напряженно деформированного состояния конструктивных элементов системы выхлопа ГПА и прогнозирования их дальнейшей работоспособности.