разработка метода расчета и проектирования водородных

На правах рукописи
О Г А Н Е С Я Н Аргур Влжтович
РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ВОДОРОДНЫХ ТУРБОДЕТАНДЕРОВ С У Л У Ч Ш Е Н Н Ы М И
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Специальность: 05.14.04 - Промьппленная теплоэнергетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж - 2006
Работа выполнена
университете
в
Воронежском
Научный руководитель
Официальные оппоненты:
государственном
техническом
доктор технических наук, профессор
Валюхов Сергей Георгиевич
доктор технических наук, профессор
Мозговой Николай Васильевич;
кандидат технических наук,
зам. нач. отдела О А О К Б Х А
Иванов Андрей Владимирович
Ведущая организахщя
Ф Г У П «Воронежский механический
завод», г. Воронеж
Защита состоится « 4 » мая 2006 г. в 12 часов в конференц-зале на за­
седании диссертационного совета Д 212.037.05 Воронежского государственно­
го технического университета по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский
просп., 14.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского госу­
дарственного технического университета.
Автореферат разослан «_
Ученый секретарь
диссертационного совета
2006 г.
Бараков А В.
lASl
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Использование газообразного водорода в качестве
рабочего тела водородных турбодегандеров является актуальной задачей Это
связано прежде всего с высокими энергетическими показателями водорода в
качестве рабочего тепа, доступностью сьфья для его получения, экологически
чистыми технологиями его использования, а также исчерпаемостью запасов уг­
леводородного горючего и непрерывным ростом его стоимости. Одним из наи­
более перспективных направлений в области энергосбережения является про­
блема рекуперации энергии избыточного давления водорода на узлах его реду­
цирования. Экономически целесообразным, а следовательно, и актуальным яв­
ляется конвертирование оборонных технологий в народное хозяйство.
Несмотря на достигнутые успехи в исследовании вопросов использования
газообразного водорода, вопросы создания новых конструкций теплопередающих и теплоиспользующих установок с осевыми дозвуковыми высокооборот­
ными водородными турбодетандерами (в дальнейшем тексте - «водородные
турбодетандерьго) изучены недостаточно.
Особенностью водородных турбодегандеров является их работа при в ы ­
соком уровне давления водорода {р > 20МПа ) и относительно низком уровне
его температуры ( Т is 300 К).Ъ процессе распшрения, в указанном диапазоне,
проявляется отличие реальных свойств газа от свойств газа идеального. Поэто­
му учет этих факторов и исследования, направленные на совершенствование
методов проектирования водородных турбодегандеров, являются актуальными.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления
«Физико-технические проблемы энергетики и экологии», тема Г Б 2004.26.
per. №0120. 0411791.
Цель и задачи исследования. Создание эффективной информационноинструментальной методологии для проведения расчетно-экспериментальных
исследований по формированию рационального облика водородных турбодетанд^ров.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи;
- разработка методов и средств, позволяющих спроектировать рацио­
нальные конструкции водородных турбодегандеров с повышением эффектив­
ности их эксплуатащюнных характеристик;
- разработка инженерного метода расчета зависимости коэффициента
сжимаемости и показателя адиабаты нормального водорода от давления и тем­
пературы в исследуемом диапазоне (Т=200... 400 К, р=8... 30МПа);
- экспериментальное исследование влияния термодинамических пара­
метров рабочего тела на энергетические 1ШКААт%яи,.щз^!а^'тгяно1л. конструкРОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ /
ВИ6ЛИОТЕКА
I
_«:^;3
ции водородного турбодетандера;
- разработка метода оценки влияния технологических погрешностей из­
готовления проточной части на эксплуатационные характеристики водородного
турбодетандера.
Методы исследований. Используются методы на базе классической тео­
рии газовой динамики и лопастных машин, технической термодинамики, со­
временные методы физического и математического моделирования с использо­
ванием вычислительной техники, методы регрессионного анализа.
Н а у ч н а я новизна.
1. Разработан метод газодинамического расчета водородных турбодетан­
деров с применением итерационных коррекций значений коэффициента сжи­
маемости г по каждому из элеменгов турбодетандерной ступени (сопловой ап­
парат и рабочее колесо), позволяющий спроектировать рациональные консягрукции водородных турбодетандеров с повышением эффективности их экс­
плуатационных характеристик
2. Повышена точность газодинамических расчетов водородных турбоде­
тандеров на основе учета реальных свойств водорода в исследуемом диапазоне
изменения параметров температуры и давления (Т=200 400К,р=8. ЗОМПа).
3. Получено
экспериментальное
подтверждение
эффективности
разработанного метода в водородных турбодетандерах.
4. Создан метод оценки влиянии технологических погрешностей изготов­
ления проточной части на эксплуатационные характеристики водородного тур­
бодетандера, основанньй на статистическом анализе.
Практическая значимость и реализация результатов. Результаты ра­
боты применены при проектировании и изготовлении осевых водородных тур­
бодетандеров в Ф Г У П «Турбонасос», а также использованы при создании агре­
гатов, работающих на водороде, в институте проблем мапшностроения
им. А . Н . Подгорного.
Достоверность результатов. Обеспечивается обоснованностью исполь­
зуемых теоретических зависимостей и принятых допущений, применением из­
вестных математических методов, а также подтверждается количественным со­
гласованием результатов испытаний и теоретических исследований.
Объектом исследования служат водородные турбодетандеры.
Предметом исследования являются газодинамические процессы в про­
точной части водородного турбодета1вдера и отвечающие им элементы конст­
руктивных решений объектов исследования
Апробация работы. Основные результаты докладьшались на 3-ей Меж­
дународной научно-технической конференции СИНТ (Воронеж, 2005), на 2-ой
научно-технической конференции «Новые разработки и технологии в газотур-
бостроении» (Украина, Кривой Рог, 2004), на отчетной конференции В Г Т У
(Воронеж, 2003), обсуждались на семинарах и совещаниях во Ф Г У П «Турбона­
сос», на кафедре Н Г О и Т В Г Т У .
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ Из них в рабо­
тах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит:
[2] - экспериментальное исследование влияния термодинамических параметров
рабочего тела на энергетические показатели конкретного водородного турбодетандера, [3, 4] - получение инженерных соотношений для определения теплофизических свойств нормального водорода в исследуемом диапазоне по темпе­
ратуре и давлению; [5] - разработка структурной схемы алгоритма метода газо­
динамического расчета водородного турбодетандера на среднем диаметре;
[ 1 , 6, 7] - проведение расчетных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, основных результатов и вьшодов, библиографического списка из 83 на­
именований, содержит 104 страницы, включая 11 таблиц, 29 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ Р А Б О Т Ы
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертапци,
сформулированы цели и задачи исследования, представлена ннуч1гая новизна и
практическая значимость результатов работы
П е р в а я глава посвящена анализу особенностей влияния реальных
свойств рабочего тела на работу водородных турбодетандеров применительно к
различным газам Рассмотрена физическая природа отклонения свойств реаль­
ных газов от законов, сгфаведливых для идеального газа. Отмечается, что в
диапазоне температур Т=200. 400 К и при высоких давлениях на термодина­
мические характеристики водорода оказъгоает существенные влияния его сжи­
маемость Однако при проектировании водородных турбомашин реальные
свойства в настоящее время не учитываются
На основе проведенного в первой главе анализа сформулированы цель и
задачи исследования.
Во второй главе излагаются теоретические основы и алгоритм метода га­
зодинамического расчета водородных турбодетандеров
Указывается, что использование среднего значения коэффициента сжи­
маемости, принятого постоянным для всего процесса расширения в одномерной
модели течения газа, позволяет достичь вполне удовлетворительных результа­
тов при разработке метода проектировочного газодинамического расчета водо­
родных турбодетандеров Введение итерационньк коррекций значения коэф­
фициента сжимаемости по каждому из элементов турбодетандерной ступени
(сопловому аппарату и рабочему колесу) позволит спроектировать рациональ­
ную конструкцию, обеспечивающую повьппение эффективности ее эксплуата­
ционных характеристик. Расчетная схема ступени водородного турбодетандера
приведена на рис. 1.
Рис 1. Расчетная схема
проточной части
водородного турбодетандера
Приводятся аналитические соотнотения стационарного одномерного те­
чения реального газа с учетом коэффициента сжимаемости Предполагается од­
нородность потока вблизи перед рабочим колесом и за ним и эмпирически устативливается связь между углами выхода потока из решеток и их геометриче­
скими размерами, потери энергии и давления учитываются с помощью полу­
ченных из опьггов коэффициентов; поток рассматривается как осесимметричшлй и однородный при небольшой длине лопаток
При течении реального газа располагаемая адиабатная работа ступени во­
дородного турбодетандера Ь^д вычисляется по формуле
'^СР
се
где
f'
-;
"
■"
1-
К
(
кср-1 \
2х
\ кср
(1)
Уо.
Zc;. =--{2{р'о,То)+г{р2^2ла))
'
kr.=y{k{plT;)+k{p„T,j),
т
^2ЛД
=т' ■
(
-"о
^
'W"
^АД
г
угп
г
1
^СР
к -1
к +J
"^СР
^
'
. , _ \2-к СР RT'o
\кср
¥1
а
\
)
,^АД
= л / 'АД
^
■
В сопловом аппарате и рабочем колесе параметры статического потока
газа определяются по параметрам заторможенного потока с использованием
4
модифицированных газодинамических функций.
В сопловом аппарате:
С
1
1-- ^
Pi=Po-
■'IJK
к
"СРСА
~^0
-1
CFCA
Z
V,
CFCA
Ti=To
к
-1
к
+1
,
;--
i^-Pr)-^:
+1
'■СРСЛ
СРСА
■'
^СРГЛ
■ij'Pr)-^'^
к
к
-1
CFCA
+1
4,
(2)
(3)
(4)
в рабочем колесе:
1
P2=Plc
\^
TZ=TL-
*с,
•7
k
^СРРК
^СРРК
1—
\
1
^СРРК
^р рк~^
+7
^2алд
(5)
'
^СРРК
'
л2
'^СР РК "^ ^
(6)
где
^срсл
=^{''ipoX)+k(p,.Tj^));
^сР PK=Y i^ip''-^' ^^^ )+ ^(Pi' ^i ^ ) ) '
*с/>ж =^{*0'*'»'^/<»)+*^(/'^'^2лг))Для построения аналитической зависимости коэффициента сжимаемости
z(p,T) и показателя адиабаты к(р,Т) от давления и температуры применен рег­
рессионный анализ. Построение кривых регрессии проводится методом наи­
меньших квадратов.
Пол5^ены уравнения двумерной полиноминальной регрессии третьей
степени зависимости коэффициента сжимаемости z и показателя адиабаты от
давления и температуры
Коэффициент сжимаемости в уравнении состояния реального газа ап­
проксимируется по формуле
z(plO~' ,Т) = 0,975 + 1,55510'^ ■р + 3,б84-10-^ ■Т-5,32210'' ■Тр +
+ 8,28110-^ -р^ +5,19410"'
Т^ -3,362-Ю"'" ■ р^ -
-1,64210-" Тр^ -1,161-10'" -Т' +6,481-10'" -р-Т^
5
(7)
Локальный показатель адиабаты водорода аппроксимируется по формуле
к(р10'\Т)--1,633~1,70310'^
T-SJOS-IO'^
■р + 4.17910'^ Т^ +
+ 1,975 10''^ ■Тр +5,253-10-' -р^ -1,956 10-" -Т^ р- 3,478 ■ 10-' ■ Т^ -1,092 Ю''
Тр^-1,252
■ IQ-'" р'
Указьгоается, что в результате проектировочного расчета должны быть
определены геометрия проточной части, внутренний коэффициент полезного
действия и внутренняя мощность водородного турбодетандера Эффективная
мощность будет меньше внутренней на величину механических потерь в агре­
гате. Механические потери (т. е. потери в подшипниках, манжетах, контактньпс
торцевых уплотнениях вала и т д.) могут быть оценены только по окончании
компоновки агрегата.
Разработанный метод предполагает определенность в выборе предвари­
тельного облика двухступенчатой осевого водородного турбодетандера со сту­
пенями давления. Предложенный метод газодинамического расчета водород­
ных турбодетандеров проводится при вьшолнении следующих условий
1 Отсутствие парциального подвода газа к венцу рабочего колеса (сте­
пень парциальности е= 1}.
2 Коэффициент полезного действия узла водородного турбодетандера jjz
и коэффициент полезного действия проточной части tjm определяются при ус­
ловии, что выходная кинетическая энергия полностью теряется.
3. В о всех сечениях проточной части скорость дозвуковая.
4. Массовый расход газа рассчитывается на выходе из каждого лопаточ­
ного венца с учетом конструктивной схемы узла водородного турбодетандера,
т. е. с учетом возможных утечек рабочего тела
Для выходного сечения рабочих колес ступени уравнение сплошности
может быть загмсано в виде:
G,=p,-F,W,=
р, {тгП,, If. ■sinifi,))W, .
(9)
Программа расчета проточной части построена таким образом, что обес­
печение уравнения сплошности (9) осуществляется за счет подбора потока ^2 на
выходе из рабочего колеса При этом обеспечивается принятая проектировщи­
ком степень реактивности па среднем диаметре
После окончания компоновки узла водородного турбодетандера эти па­
раметры используются для уточнения коэффициента сохранения полного дав­
ления в корпусе отвода ог и располагаемой адиабатной работы проточной части
Описывается алгоритм метода газодинамического расчета водородных
турбодетандеров, состояпщй из следующих элементов.
1 Система одномерных уравнений сохранения, а также уравнений про6
(8)
цесса и состояния.
2 Кинематические соотношения, определяемые формой треугольников
скоростей.
3 Эмпирические зависимости, позволяющие определить коэффициент
сжимаемости рабочего тела z(p,T), показатель адиабаты к(р,Т) потери в решет­
ках и коэффициенты скорости в них фтл. цг.
4. Зависимости для определения внутренней мощности ступени и узла
водородного турбодетандера.
В вычислительном процессе метода газодинамического расчета водород­
ных Турбо детандеров используется метод последовательных приближений.
Представлена структурная схема алгоритма метода газодинамического
расчета водородных турбодетандеров на среднем диаметре.
В третьей главе рассмотрен комплекс вопросов, касающихся экспери­
ментальных и теоретических исследований работы водородного турбодетанде­
ра.
Проведен анализ влияния реальных свойств рабочего тела на облик про­
точной части водородного турбодетандера.
На основе метода и алгоритма, изложенных в предыдущей главе, разра­
ботана программа проектировочного расчета водородного турбодетандера в
среде Mathcad 8.0/2000 P R O .
Основные исходные данные для проектирования водородного турбоде­
тандера следующие:
Расход газа G,, кг/с
2,659
Полная температура на входе То, К
294
Полное давление на входе ро', МПа (кгс/см)
19,914 (203)
Давление на выходе/ij, MUa (кгс/см^)
9,123 (90)
Степень расширения лт
2,183
Частота вращения ротора п, об/мин
123220
Проектирование проводилось по двум вариантам:
- с использованием уравнения состояния идеального газа z(p,T) = 1;
- с использованием уравнения состояния реального газа z - z(p,T)
Основные геометрические и газодинамические параметры вариантов во­
дородного турбодетандера представлены в табл. 1.
В табл. 1 приведенный расход газа через водородный турбодетандер G ,
характеризующий пропускную способность, определяется вьфажением
г
G,4^(PO-T'O)RT;
G=
гяеА - термодинамический комплекс.
г~
Ро^
=
(10)
Таблица 1
Параметр
Вариант!
II ст.
I ст.
1
1
2СТСЛ
ZcttK
Dicp.M
D2cp,M
I], MM
12, MM
ai, град
аг, град
Pi, град
Вариант I I
1
1
0,066
0,066
4,66
0,066
0,066
6,77
5,96
8,32
90
87,33
I ст.
Пет.
1,103
1,091
0,070
0,070
5,20
1,075
1,062
0,070
0,070
6,82
90
89,43
6,50
8,37
14
14
14
31,71
14
29,21
28,16
29,28
21,18
20,36
21,23
20,45
^Cj
0,6950
0,6917
0,6873
0,6947
ЛР,
0,3758
0,3574
0,3615
0,3543
■Vj
0,3430
0,3274
0,3287
0,3247
0,1327
0,1467
p2. град
^c.
0,1469
0,1461
P
0,9394
0,9457
0,9420
0,9470
¥
Лт]р^
0,9128
0,9161
0,9092
0,0614
0,9164
0,0781
0,0731
0,12
0,08
0,0608
0,08
1,4317
1,4513
1,4214
1,4572
Pm
Яст
r
0,4624
0,779
Ц1ПЧ
m
L
0,12
0,4624
0,774
0,698
0,690
кВт
1633,35
1767,06
L^^.JIpic/KZ
880440
962432
214,8
228,3
Ni,
G, MM
k(poXo)+l
A = ^\k(plT'oA
l'(PoJ'o)-'
в сравниваемых вариантах водородного турбодетандера (табл. 1) при рав­
ных задагшых значениях числа Парсонса Y, расхода G„ частоты вращения и
приводит к увеличению внутренней мощности N^ на 8%, располагаемой адиа­
батной работы L^ J.на Р,5% , приведенного расхода G на 6,2%.
Значение располагаемой адиабатной работы при термическом способе
определения, основанном на законе сохранения энергии и предполагающем
8
использование таблш! теплофизических свойств водорода
^Mi^h-hs,
(П)
где io - энтальпия рабочего тела по параметрам на входе, /^ ^ - энтальпия, со­
ответствующая конечному состоянию рабочего тела при адиабатном расшире­
нии, составило J.^ J. = 962439 Дж/кг, что практически совпадает с результата­
ми, тфиведенными в табл 1 (вариант 2).
Рассматривается методология экспериментальной отработки водородных
турбодетандеров, которая включает в себя следующие виды доводочных испы­
таний:
- автономные
доводочные
исныгания
водородного
турбодетандера,
целью которых является определение характеристик r]r=f(Y, жт), G =/(Т, жт);
- испытания водородного турбодетандера в составе энергетической
установки.
Автономные доводочные испытания водородных турбодетандеров про­
водились на газодинамическом стенде, Гфинципиальная схема которого гфиведенанарис 2 Испытания проводились на воздухе.
Параметры модельных режимов водородного турбодетандера представ­
лены в табл. 2, где полагается коэффициент сжимаемости z(p,T) = /.
Рис. 2. Стенд для автономных
доводочных испытаний
1
источник
рабочего
тела,
2 — дроссель для регулирования парамет­
ров на входе, 3 - мерный участок для из- -*.^
мерения расхода, 4 - теплообменник,
5 - мерный участок для измерения пара­
метров на входе, 6 - водородный турбодетандер, 7 ~ мерный участок для измерения
параметров на выходе, 8 - дроссель для
регулирования параметров на выходе,
9 - система откачки рабочего теяа
^^Н^
Приводятся зависимости для оценки предела относительной системати­
ческой погрешности определения коэффициента полезного действия 6„ , пре­
дела относительной систематической погрешности определения приведенного
расхода д^
Анализ работы водородного турбодетандера в составе энергетической ус­
тановки проводился с использованием замеренных параметров (давлений, тем­
ператур и частоты вращения ротора) В результате расчетов определялись зна­
чения коэффициента полезного действия водородного турбодетандера T]S и
приведенного расхода (7, представленные в табл 3.
Таблица 2
Значение параметра
Наименование параметра
2,183
1,5
Kf
2,5
ро , МПа (кгс/см )
0,589 (6,0)
0,491 (5,0)
0,491 (5,0)
рт, МПа (кгс/см )
0,3924 (4,0)
0,225 (2,29)
0,1962(2,0)
То', К
=260
G,, кг/с
0,28
К,Дж/(кгК)
к
287,14
1,4
п, об/мин
21336
28839
0,07
Dcp,M
Y
0,462
Пт
=0,69
Nz кВт
Тт,К
30912
5,5
10,1
11,6
240,4
224,1
218,7
Таблица 3
Наименование параметра
Значение параметра при испытании
№6
№7
То. К
273,8
283,8
Тт,К
240,3
249,9
Ро, бар
188,1
175,5
рт, бар
95,45
94,19
Лт
1,995
1,883
Z
1,097
1,09
к
1,399
1,398
п, об/мин
118971
113585
Y
0,4906
0.4848
G,, кг/с
2,601
2,369
G-10-\M^
227,2
224,3
V£
0,692
0,725
10
Значения приведенных расходов газа, определенные по результатам об­
работки испытаний в составе энергетической установки Ооя, сопоставлялись с
величинами, полученными при проведении автономных доводочных испыта­
ний водородных турбодетандеров С^аи.
Результаты расхождения значений приведенного расхода
,р; _ GoH — САДИ
(12)
приведены в табл. 4.
Наименование параметра
и, об/мин
Ят
Таблица 4
Значение параметра при испытания
№4
№5
106445
118493
1,896
2,0
225,0
227,4
ОАДИ 10'
AG,%
,М
220,5
2,06
№9
113585
1,995
111443
1,883
1,848
227,2
224,3
223,3
225,0
225,0
219,5
219,2
1,06
0,98
2,19
1,85
228,3
G ■ 10'^ при Яг = 2,183 , м^
Ош10~\м^
№7
Хоб
118971
Получены значения основных параметров водородного турбодетандера
при автономных доводочных испытаниях в широком диапазоне значений числа
Парсонса Y и степени расширения в водородном турбодетапдере щ-. На расчет­
ном режиме (лг = 2,183 и F = 0,462) полученное экспериментальное значение
коэффициента полезного действия водородного турбодетандера {T]Z = 0,716)
незначительно превышает верхний предел по конструкторской документации,
значение приведенного расхода ( G = 240,7-10'^м^) вьшадает за верхний предел
■на. 3,1% (рис 3, 4) Для водородного турбодетандера, используемого при испыG =Г(жт)
0.72
Пт
tji:=f(KT)
Рис. 3. Экспериментальные
зависимости коэффициента
полезного действия ris =/(п:т) и
приведенного расхода Ъ = /(Лт)
при числе Парсонса
Y = Г „ „ , - 0,462
07
0 67
'
^
//
1...
11
^
/ /
/ /
«» ОМ
\^
У'''"^\ж^*'\Г^
97Г
1
г
1
.
1
1
и
Пт
г/т
0Д1 ■ - -
'Г". ":i
~"P
'J-i
Рис 4 Экспериментальные зависимости
коэффициента полезного действия
Лг=/(У,пт)
I -1—
I 1
i , '_i
I
таниях в составе энергетической установки, получены значения коэффициента
полезного действия rjz = 0,703 и приведенного расхода G = 231-Ш }л , Предел
относительной систематической погрешности определения коэффициента по­
лезного действия 8
составляет ±1,35 %, предел относительной систематиче­
ской погрешности определения приведенного расхода <5g - ±0,86 %.
Значения приведенных расходов газа, определенные по результатам об­
работки испьстаний в составе энергетической установки и автономных испыта­
ний водородного турбодетандера, хорошо согласуются, и расхождения состав­
ляют не более 2,2%, при коэффицие1гге сжимаемости водорода z = 1,09, показа­
теле адиабаты к = 1,398. При этом коэффициент полезного действия водород­
ного турбодетандера составил rjj: = 0,725. Предел относительной систематиче­
ской погрешности определения коэффициента полезного действия 8
состав­
ляет ±2,5 %, предел относительной систематической погрешности определения
приведехшого расхода 8^ - ± 1,87 %.
Сравнение величин приведенного расхода G, рассчита1гаых по разрабо­
танному методу, с результатами, полученными при испытаниях водородного
турбодетандера в составе энергетической установки, показывает высокую для
инженерной практики сходимость (расхождение составляет ~ 0,5%) В то же
время расчеты без учета коэффициента сжимаемости z(p,T) показьшают расхо­
ждения ~ 6%, что свидетельствует о значимости учета влияния коэффициента
сжимаемости водорода в расчет1п>1х соотношениях.
В четвертой главе разработан метод оценки влияния технологических
12
погрешностей изготовления проточной части при проектировании водородных
турбодетандеров.
Отмечается, что конструктивной особенностью водородных турбодетан­
деров является достаточно узкий межлопаточный канал д; = а^ = 2,5... 3,5 мм,
тонкие
входные
и
выходные
кромки
с
радиусами
скругления
di = dj- 0,25 .0,35 мм, рабочее колесо, в котором диск, лопатки и бандаж вы­
полнены как одно целое.
Поскольку технологические операции являются неотъемлемой частью
всего процесса создания проточных частей водородных турбодетандеров и оказьшают влияние на основные их характеристики, возникает настоятельная не­
обходимость в оценке степени влияния технологических погрешностей на ос­
новные показатели эффективности водородного турбодетандера
Для количественной оценки влияния технологических погрешностей из­
готовления проточной части на энергетические характеристики водородного
турбодетандера рассмотрен вероятностно-статистический метод
Проведена оценка влияния технологических погрешностей изготовления
проточной части на энергетические характеристики водородного турбодетанде­
ра
Отклонения, главным образом, связаны с точностью обеспечения наруж­
ных и втулочных диаметров проточной части водородного турбодетандера, а
также размеров горла решеток соплового аппарата aj и рабочего колеса д^.
Анализ значения процентного отклонения параметров свидетельствует о том,
что максимальные отклонения соответствуют горлу соплового аппарата первой
ступени и рабочего колеса второй ступени водородного турбодетандера
(Лил = - 7,9% и Лага = + 7,5%). Достаточно большое технологическое откло­
нение приходится и на суммарную площадь межлопаточных каналов и сопло­
вого аппарата второй ступени водородного турбодетандера (^IF г а я = 6,3%).
Вьшолнена оценка влияния отклонения размеров проточной части водо­
родного турбодетандера на его энергетические характеристики.
Для оценки значимости влияния z и технологических отклонений в рас­
сматриваемой задаче проведен анализ величин AG, ATJ^, ANI
для расчетного
режима.
Выбор метода расчета характеристик не является принципиальным, по­
скольку сравнительный анализ приводится в относительных величинах. В рабо­
те применен метод расчета характеристик, разработанный в Ц И А М .
Параметрические расчетные исследования проведены при следующих ус­
ловиях:
/. D^ = const; Aai = -7,9%; Асц = 7,5%; А'ряиг = 6,3%;
13
2 D^= const, Aai = -7,9%; Ла2 = 7,5%; AFUIAI = 0%
В результате
получено'
расчетных
оценок для
приведенных
выше
условий
при условии \- AG = 5,8%, Ат)^ = 3,2%, A~Ni = 5,2%;
при условии 1- AG = 0,9%, Arj^ = 1,9%, A~Nz = 4,8%.
Анализ полученных результатов свидетельствует о бол1»шой значимости
влияния как 7(р,Т) и к{р,Т) в методе расчета на основные энергетические пара­
метры водородного Турбо детандера, так и отклонений его геометрических па­
раметров вследствие технологических погрешностей Это не противоречит то­
му факту, что указанные техночогические отклонения в процентном отношении
весьма значительны (особенно отклонения в размере горла), т к. технологиче­
ские отклонения Аал и Аа^л противоположны по знаку Вероятностностатический метод дает возможность еще на стадии проектирования, при выбо­
ре рациональной конструкции учесть влияние технологических погрешностей
изготовления проточной части на основные эксплуатационные характеристики
водородного турбодетандера
ОСНОВНЫЕ Р Е З У Л Ь Т А Т Ы Р А Б О Т Ы
1 Разработан метод газодинамического расчета водородных турбодетандеров с применешгем итерационных коррекций значений коэффициента сжи­
маемости Z ло каждому из элементов турбодетапдерной ступени (сотовой ап­
парат и рабочее колесо), позволяющий спроектировать рап;иональные конструктщи водородных турбодетандеров с повьпнснием эффективности их экс­
плуатационных характеристик.
2 Получены инженерные соотношения коэффициента сжимаемости, по­
казателя адиабаты от давления и температуры для определения теплофизических свойств нормального водорода в исследуемом диапазоне по
Т=200 400 К, р-8 30 МПа при среднеквадратичных отклонениях от таблич­
ных значений в пределах 0,05%.
3. Повышена точность газодинамических расчетов водородных турбоде­
тандеров на основе учета реальных свойств водорода в исследуемом диапазоне
изменения температуры и давления (Т=200 400 К, р=8 30 МПа)
4 Получены экспериментальные результаты о влиянии термодинамиче­
ских параметров рабочего тела на эксплуататцгонные характеристики водород­
ного турбодетандера на основании проведения опытно-промышленных иссле­
дований реального объекта Экспериментальное отклонение не более 2,2% ве­
личины приведенного расхода AG, рассчитанного с учетом коэффициента
14
сжимаемости.
5. Установлено, что полученные результаты свидетельствуют о большей
значимости влияния коэффициента сжимаемости z(p,T) и показателя адиабаты
к(р,Т) на основные технические показатели водородного турбодетандера, по
сравнению с влиянием отклонений его геометрических параметров вследствие
технологических погрешностей изготовления проточной части.
6. Разработанный метод применен при Хфоектировании и изготовлении
осевых водородньк турбодетандеров в Ф Г У П «Турбонасос», а также использо­
ван в институте проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного при создании
агрегатов, работающих на водороде.
Условные обозначения и размерности
С, W — скорость потока в абсолютном и относительном движении, м/с,
D — диаметр, м; G, — массовый расход газа, кг/с; I — высота лопатки, м;
N — мощность, Вт; п — частота вращения, об/мин; v, р, р, Т — удельный объ­
ем, MWZ; давление. Па; плотность, кг/м^; температура газа. К; Я — приведенная
скорость потока; а, J3— углы потока в абсолютном и относительном движении,
щ)ад; (р, у/— коэффициент скорости в сопловой и рабочей решетках; z — коэф­
фициент сжимаемости реального газа; к — показатеха адиабаты; R — газовая
постоянная, Док/кгК; Ср, Су — удельная теплоемкость изобарная и изохорная,
Дж/кг-К
Нижние индексы
Т — на выходе из турбины; S — суммарный; О — на входе в турбину;
1 — за сопловым аппаратом; 2 — за рабочим колесом; c,w— в абсолютном и
относительном движении; ср — среднее значение.
Верхние индексы
♦ — относится к параметрам заторможенного потока.
Основные результаты диссертации опубликованы
в следующих работах:
1 Оболонская Е.М., Оганесян А.В., Ярославцев С В Инженерная мето­
дика проектировочного расчета центробежных компрессоров // СИНТ'01: Тру­
ды I Междунар науч.-техн. конф. Воронеж, 2001. С. 75-77.
2. Учет реальньк свойств водородного газа при расчете турбин /
С.Г. Валюхов, В И Гуров, Л.Е. Стернин, А В. Оганесян // Конверсия в машино­
строении 2004. Х25.С.11-13.
3 Валюхов С.Г , Оганесян А В. Расчет характеристик газообразного во15
дорода как топлива для агрегатных турбин // Новые разработки и технологии в
газотурбостроении: Сб. тр. 2-й науч.-техн. конф. Кр Рог, 2004 С 22-23.
4 Валюхов С Г , Коваль В. А , Оганесян А В Аппроксимационные ха­
рактеристики водородного топливного газа // Проблемы машиностроения- Сб
НАМ Украины Харьков, 2005 № 1 . С 31-32.
5 Валюхов С Г , Оганесян А.В. Метод формирования облика малораз­
мерных водородных турбин // СИНТ'05' Труды Ш Междунар науч -техн. конф.
Воронеж, 2005 С.40-45.
6 Повышение эффективности газовой турбины путем применения паро­
газового рабочего тела / С.Г. Валюхов, В. А Коваль, Б П Васильев, А В Огане­
сян//СИНТ'05-Труды I I I Междунар науч.-техн конф Воронеж, 2005 С 45-50
7. Улучшение эксплуатационных характеристик газотурбинной установ­
ки на частичных режимах путем совершенствования процессов сжатия в осевом
компрессоре / В А. Коваль, Б П Васильев, А . В Оганесян, А Ю Пеганов //
СИНТ'05- Труды Ш Междунар. науч -техн конф. Воронеж, 2005 С 50-54
Подписано в печать 28 03.06
Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л 1,0. Тираж 70 экз. Зак №
Воронежский государственный технический университет
Ъ9Л^1(> Воронеж, Московский 1фосп., 14
16
;iooG(^
1\ъ1
•-7157