Совершенствование метода оптимального проектирования центробежных компрессорных ступеней введением модели потерь напора в квазитрёхмерной постановке
Локтаев С. В. Анализ пространственного течения и профилирования рабочих колес унифицированных центробежных компрессорных ступеней повышенной эффективности: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. — Л., 1985. — 294 с. Саламе С. И. Расчет потерь в центробежных компрессорных ступенях с осерадиальными полуоткрытыми рабочими колесами на основе математического моделирования: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. — Л… Читать ещё >
Совершенствование метода оптимального проектирования центробежных компрессорных ступеней введением модели потерь напора в квазитрёхмерной постановке (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Содержание
5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В представленной работе реализован метод универсального моделирования, использующий квазитрёхмерный подход при расчёте потерь в центробежном рабочем колесе. Разработан новый алгоритм расчёта потерь, более универсальный и точный в сравнении со всеми предшествующими двухмерными версиями. Наиболее важные нововведения, обеспечивающие преимущества представленной квазитрёхмерной версии математической модели потерь, связаны с переходом от двухмерной схематизированной диаграммы скоростей на лопатке к диаграмме скоростей, полученной квазитрёхмерным невязким расчётом, весьма точно соответствующим действительному характеру обтекания. Основные результаты проделанной работы заключаются в следующем:
1. При расчёте невязкого распределения скоростей в лопаточной решётке учитывается форма средней линии лопатки, в результате корректно определяется средняя скорость и среднекубическая скорость газа на поверхностях лопатки и дисков, а так же замедление потока на этих поверхностях, что позволяет точнее рассчитать потери трения.
2. Рассчитанное распределение скоростей на участке разгрузки лопатки корректно определяет потери смешения для РК разной напорности, что было невозможно при использовании схематизированной диаграммы скоростей.
3. Уточнён алгоритм расчёта ударных потерь. Расчёт распределения скоростей на начальном участке лопатки позволяет использовать для определения ударных потерь пики скоростей на передней или задней сторонах лопатки в области входной кромки.
4. Корректно учитываются различия в условиях обтекания по высоте лопатки.
5. Коэффициент силы трения определяется не для всего лопаточного участка в целом, а независимо для каждой поверхности участка (передняя сторона лопатки, задняя сторона лопатки, основной диск, покрывающий диск).
6. Уточнена формула для определения условного числа Россби, влияющего на потери трения и определяющего скорость в точке отрыва на задней стороне лопатки. Внесённые изменения позволяют корректно рассчитать число RoycJI для любого произвольного случая, что особенно важно при расчёте высокорасходных осерадиальных колёс.
7. Поправка на сжимаемость вводится только в ударные потери, что представляется более целесообразным при моделировании промышленных ЦК, работающих при дозвуковых скоростях на входе в лопаточную решётку, когда сжимаемость существенно проявляется в пиках скоростей на входной кромке при работе на нерасчётных режимах.
8. Внесены некоторые усовершенствования в программу идентификации модели и непосредственно в алгоритм идентификации, что позволило в значительной степени упростить процесс идентификации математической модели.
9. Выполнено тестирование разработанной математической модели путём пробной оптимизации рабочего колеса с цилиндрическими лопатками и пространственных рабочих колёс. Проведён тщательный анализ полученных результатов расчёта. Показано, что новая математическая модель даёт логически обоснованные результаты, согласующиеся с теоретическими представлениями о течении в центробежном рабочем колесе.
10. Разработанные программы идентификации модели, оптимизации расчётного режима работы и газодинамической характеристики в целом делают более удобным подробный анализ всех составляющих потерь в рабочем колесе. Программы оснащены встроенным графическим модулем, позволяющим представлять результаты расчёта в удобном для восприятия графическом виде без необходимости использования каких-либо коммерческих программ (например, Microsoft Excel). На примере оптимизации формы рабочего колеса с цилиндрическими лопатками демонстрируется возможность подробного анализа изменения всех составляющих профильных потерь по высоте лопатки, недоступная в двухмерной версии.
11. В двухмерной версии математической модели имелась возможность оптимизации только основных размеров (диаметр и ширина канала на входе и выходе, лопаточные углы на входе и выходе). Квазитрёхмерная модель позволяет выполнять численную оптимизацию всех геометрических параметров рабочего колеса. Это демонстрируют представленные примеры численной оптимизации рабочих колёс с цилиндрической лопаткой и пространственных осерадиальных колёс.
Таким образом, создан новый инструмент для проектирования и оптимизации центробежных компрессоров, имеющий ряд существенных преимуществ по сравнению с реализованными ранее двухмерными моделями.
1. Валландер С. В. О применении метода особенностей к расчёту течений жидкости в радиально-осевых турбинах. — ДАН СССР, 1958. — Т. 123, № 3, с. 413 -416.
2. Галеркин Ю. Б. Исследование, методы расчета и проектирования проточной части стационарных центробежных компрессоров: Автореф. дис. д-ра. техн. наук / ЛПИ. Л., 1974. — 34 с.
3. Галеркин Ю. Б. Ожидаемые параметры центробежных нагнетателей перспективных газоперекачивающих агрегатов//Труды 3-го международного симпозиума «Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования». 1997. — С.54−71.
4. Галеркин Ю. Б. и др. Отработка проточных частей нагнетателей природного газа газоперекачивающих агрегатов ГПА-Ц-16/100−125//Тез. докл. УП ВНТК. Казань, 1985.
5. Галеркин Ю. Б. и др. Труды научной школы компрессоростроения СПбГТУ. Под редакцией проф. Ю. Б. Галеркина. СПб, 2000. — 443 с.
6. Галеркин Ю. Б., Данилов К. А., Митрофанов В. П., Попова Е. Ю. К использованию численных методов при проектировании проточной части центробежных компрессоров. СПб.: СПбГТУ, 1996. — 68 с.
7. Галеркин Ю. Б., Данилов К. А., Попова Е. Ю. Развитие метода универсального моделирования рабочего процесса ЦК — программные комплексы первого уровня (третье поколение), опыт разработки и практического использования комплекса третьего уровня. — СПб, 1995.
8. Галёркин Ю. Б., Зараев В. И. и др. Отчёт о научно-исследовательской работе «Анализ пространственного течения и профилирование рабочих колёсунифицированных центробежных компрессорных ступеней повышенной эффективности» / ЛПИ. Л., 1987. — 290 с.
9. Галеркин Ю. Б. Никифоров А.Г., Тихонов В. В. и др. Математическое моделирование характеристики ступени центробежного компрессора// Динамика тепловых процессов. — Киев: АН УССР, 1980. — С. 16−20.
10. И. Галёркин Ю. Б., Попова Е. Ю. Промышленные центробежные компрессоры, — физические основы рабочего процесса, применение численных методов для решения задач оптимального проектирования и оптимальной эксплуатации. СПб., 1994. — 79 с.
11. Галеркин Ю. Б., Прокофьев А. Ю. Оценка эффективности нагнетателей природного газа с помощью разного рода КПД при заводских испытаниях// Турбины и компрессоры. 2002. — № 1−2 (18,19). — С.64−67.
12. Галеркин Ю. Б., Рекстин Ф. С. Методы исследования центробежных компрессорных машин. — Л.: Машиностроение, 1969. 303 с.
13. Герасимов. А. В. Структура потока и потери в центробежных компрессорных колёсах, спрофилированных по методу ЛПИ: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. Л., 1982. — 308 с.
14. Данилов К. А. Создание математической модели и программных комплексов для оптимального газодинамического проектирования холодильных центробежных компрессоров: Дис. канд. техн. наук / СПбГТУ. — СПб., 1999.-176 с.
15. Ден Г. Н. Механика потока в центробежных компрессорах. — Л.: Машиностроение, 1973. 268 с.
16. Джонстон Дж.П. Подавление турбулентности в течениях со сдвигом во вращающихся системах//Теоретические основы инженерных расчетов.: Тр. Амер. об-ва инж.-мех. 1973. -№ 2. — С. 131−140.
17. Жуковский М. И. Аэродинамический расчёт потока в осевых турбомашинах. Л.: Машиностроение, 1967. — 287 с.
18. Зуев А. В. Исследование рабочих колес центробежных компрессоров с различным законом распределения скоростей по лопаткам: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. Л., 1970. — 293с.
19. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М.: Машиностроение, 1975. — 464 с.
20. Козлов А. Е. Исследование эффективности стационарных центробежных компрессорных ступеней методом математического моделирования: Дис. канд. тех. наук / ЛПИ. Л., 1977. — 319 с.
21. Колтон А. Ю., Казачков Л .Я. Обтекание многорядной решётки на осесимметричной поверхности тока в слое переменной толщины/УИзвестия вузов. Энергетика. 1970. -№ 6. -С.83−89.
22. Костюченко А. Ф. и др. Математическая модель промежуточной компрессорной ступени и многоцелевой комплекс программ для системы автоматизированного проектирования//ЦНТИХИМНЕФТЕМАШ. — 1987. — № 1731.
23. Ладе Ю. Б. Исследование безлопаточных диффузоров и обратных направляющих аппаратов малорасходных ступеней центробежных компрессоров: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. Л., 1980. — 321 с.
24. Лойцянский Л. Г. Механика жидкостей и газа. — М.: Наука, 1973. — 736с.
25. Локтаев С. В. Анализ пространственного течения и профилирования рабочих колес унифицированных центробежных компрессорных ступеней повышенной эффективности: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. — Л., 1985. — 294 с.
26. Митрофанов. В.П. исследование течения газа в центробежных компрессорных колесах с различным характером распределения скоростей и нагрузкой по лопаткам: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ — Л., 1977. 313 с.
27. Мифтахов А. А. Исследование, расчет и проектирование выходных устройств центробежных компрессоров: учеб. пособие. — Казань: КХТИ, 1980. — 78 с.
28. Михайлов В. А. Математическая модель для расчета энергетических характеристик центробежных компрессорных ступеней в квазитрехмерной постановке: Дис. канд. техн. наук/ЛПИ. — Л., 1985. -245 с.
29. Набавани Р. Н. Определение радиальных размеров входа в рабочие колеса промышленных центробежных компрессоров с учетом пространственного обтекания лопаток: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. Л., 1982. -201 с.
30. Никифоров А. Г. Исследование потерь в двухзвенной ступени центробежного компрессора: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. — Л., 1973. — 251 с.
31. Нуждин А. С. Повышение энергетической эффективности центробежных холодильных компрессоров путем совершенствования проточной части: Дис. докт. техн. наук / ЛПИ. Л, 1987. — 380 с.
32. Полес М. Р. Разработка методов проектирования ступеней промышленных центробеж-ных компрессоров с высокорасходными рабочими колесами с пространственными лопатками. Автореф. дис. канд. техн. наук / ЛПИ.-Л, 1982.-18 с.
33. Попова Е. Ю. Оптимизация основных параметров ступеней турбомашин на основе математического моделирования: Дис. канд. техн. наук /СПбГТУ.-СПб., 1991.-275 с.
34. Пфляйдерер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М.: Машгиз, 1960.-683 с.
35. Раухман Б. С. Расчёт обтекания несжимаемой жидкостью решётки профилей на осесимметричной поверхности тока в слое переменной толщины// Механика жидкости и газа: Изв. АН СССР. — 1971. — № 1.
36. Рекстин А. Ф. Оптимизация проточной части промежуточных ступеней центро-бежного компрессора с применением математической модели потерь и элементов САПР: Автореф. дис. канд. техн. наук / ЛПИ. Л., 1990. — 16 с.
37. Рекстин Ф. С. Исследование влияния числа лопаток на эффективность работы центробежного компрессорного колеса с одноярусной и двухъярусной решетками: Автореф. дис. канд. техн. наук / ЛПИ. -Л., 1961. — 18 с.
38. Рис В. Ф. Центробежные компрессорные машины. — M.-JL: Машиностроение, 1964. 335 с.
39. Рис В. Ф. Центробежные компрессорные машины. — Л.: Машиностроение, 1981. -351 с.
40. Савин Б. Н. Исследование течения в проточной части центробежных компрессорных ступеней общепромышленного назначения с осерадиальными колесами и безлопаточными диффузорами: Автореф. дис. канд. техн. наук / ЛПИ.-Л.,-16 с.
41. Садовский Н. И., Стрижак Л. Я., Васильев А. Н. Влияние числа Re и шероховатости поверхностей на характеристики малорасходных рабочих колес центробежных компрессоров высокого давления. — Сумы: ЦИНТХИМНЕФТЕМАШ, 1989;С.81.
42. Саламе С. И. Расчет потерь в центробежных компрессорных ступенях с осерадиальными полуоткрытыми рабочими колесами на основе математического моделирования: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. — Л., 1982. — 198 с.
43. Сальников B.C. К расчёту осесимметричного потока газа в турбомашинах/Шопастные и струйные аппараты. М.: Машиностроение, 1972. — вып.6, С.25−48.
44. Сальников B.C., Вячкилев О. А. Алгоритм расчёта осесимметричного потока сжимаемой жидкости в каналах турбомапшн. — М., 1980. Деп. в ЦИНТИхимнефтемаш, № 709. — 32 с.
45. Селезнев К. П. и др. Теория и расчет турбокомпрессоров. — Л.: Машиностроение, 1986. — 389 с.
46. Селезнев К. П., Галеркин Ю. Б. Центробежные компрессоры. — Л.: Машиностроение, 1982.-271 с.
47. Селезнев К. П., Галеркин Ю. Б., Зыков В. И. Исследование межступенчатого канала секции центробежного компрессора//Тр. ЛПИ. — 1965. № 247. — С.64—74.
48. Селезнев К. П., Галеркин Ю. Б., Попова Е. Ю. Упрощенная математическая модель потерь в центробежной компрессорной ступени// Химическое и нефтяное машиностроение. — 1987. — № 10. — 5 с.
49. Селезнев К. П., Подобуев Ю. С., Анисимов С. А. Теория и расчет турбокомпрессоров. — Л.: Машиностроение, 1968. — 408 с.
50. Селезнев К. П., Тучина И. А., Шкарбуль С. Н. Исследование пространственной структуры потока в каналах центробежного колеса с радиальными на выходе лопатками//Тр. ЛПИ. 1970. — № 316. — С. 157−162.
51. Сено Ю., Накасе Ю. Анализ течения в рабочем колесе компрессора с осерадиальной решёткой//Тр. Амер. об-ва инж.-мех. — 1979. — № 1, сер.А. — С.45−52.
52. Стрижак Л. Я. Исследование влияния формы межлопаточных каналов центробежного компрессорного колеса на его характеристики: Дис. канд. техн. наук / ЛПИ. Л., 1968. — 235 с.
53. Тихонов В. В. Разработка метода расчета энергетических характеристик ступени центробежного компрессора на основе математического моделирования рабочего процесса: Автореф. дис. канд. техн. наук / ЛПИ. — Л., 1981.-20 с.
54. Фоулер Х. С. Распределение скоростей и устойчивость течения во вращающемся каналеЮнергетические машины и установки: Тр. Амер. об-ва инж.-мех. 1968. -№ 3. — С. 17−25.
55. Шкарбуль С. Н. Исследование пространственных течений вязкой жидкости в рабочих колесах центробежных компрессоров: Автореф. дис. д-ра техн. наук / ЛПИ. Л., 1973. — 20 с.
56. Эккерт Б. Осевые и центробежные компрессоры. — М.: Машгиз, 1959. -679 с.
57. Этинберг И. Э., Раухман Б. С, Гидродинамика гидравлических турбин. Л.: Машиностроение, 1978. — 279 с.
58. Advanced Topics in Turbomachinery Technology Principal Lecture Series № 2 (PLS-2). / Editor D. Japikse, Concepts ETI Inc., Norwich, Vermont 5 055, USA. -1986.
59. Galerkin Y., Danilov K., Popova E. Design philosophy for industrial centrifugal compressors//IMechE Conference transactions «Compressors and their systems». London, 1999.
60. Galerkin Y., Mitrofanov V., Geller M., Toews A. Experimental and numerical investigation of flow in industrial centrifugal impeller//Inernational Conference on Compressors and their Systems. — London: City University, UK., 2001. — p.251—259.
61. Gallus H.E. Recent Research Work on Turbomachinery Flow//Yokohama International Gas Turbine Congress. Yokohama, 1995.
62. Kline S.J., Johnston J.P. Diffusers-flow phenomena and design. An /60/, chapter 6.