оценка динамических нагрузок в конструкции выхлопного тракта
advertisement
¸ Æ .qxd 03.11.2006 17:05 Page 21 21 НОЯБРЬ 2006 А. Лобанов, аспирант кафедры РКТ и ЭУ, А. Сальников, д.т.н., Пермский государственный технический университет ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В КОНСТРУКЦИИ ВЫХЛОПНОГО ТРАКТА ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ (ГПА) Одним из главных условий устойчивого развития газовой от расли является обеспечение надежности и эффективности экс плуатации газотранспортных предприятий. Проблемы повыше ния надежности и эффективности эксплуатации газоперекачи вающих агрегатов (ГПА) тесно связаны с работоспособностью всех его элементов и узлов. Одной из основных задач прогнози рования работоспособности ГПА является задача снижения производственных затрат на проведение ремонтновосстано вительных мероприятий в процессе функционирования. На современных станциях, где используют и ГПА типа «Урал 16» существуют системы непрерывного контроля технического состояния основных узлов по величине температур, давления, уровня вибрации и т.д., поэтому отказы в работоспособности ГПА по элементам контроля сводятся к минимуму. Однако в си стеме выхлопа и входного тракта какиелибо элементы контро ля технического состояния вообще отсутствуют. Это привело к следующим отказам при эксплуатации ГПА серии «Урал»: g обрыв листов внутренней облицовки на агрегатах ГПА 16ДКС02, ГПА16 ДКС03 на КС Ямбургского ГКМ, ГПА16ДКС 02Л на КС «Пуртазовская»; g прогар компенсаторов на агрегатах ГПА12М (КС «Перм ская»), ГПА16 (КС «Горнозаводская»); g десятки остановов ГПА, особенно в октябре, ноябре и апре ле каждого года эксплуатации в районах городов Уренгоя и Сур гута за счет обледенения входного тракта; g взаимное силовое влияние выходного устройства ГТУ и вы хлопного тракта. В этих условиях резко возрастает необходимость в научных разработках, направленных на решение неотложных задач, свя занных с совершенствованием методов и средств анализа тех нического состояния газоперекачивающего оборудования, в том числе системы выхлопа. Для выявления основных нагрузок, которые действуют на кон струкцию элементов выхлопного тракта необходимо рассмот реть все факторы, которые могут влиять на возникновение раз личного типа нагрузок. По работам российских исследователей нагрузки разделены: g температурные нагрузки (температура газа в выхлопном тракте составляет 580—680°K), которые приводят к значитель ным деформациям конструкции элементов и снижению физи комеханических свойств материалов; Рис.1. Результаты математического моделирования ¸ Æ .qxd 03.11.2006 17:05 Page 22 22 ОБОРУДОВАНИЕ Рис. 2. Схема проведения исследований: а) схема расположения вибропреобразователей ВК310&А; б) схема расположения датчиков динамического давления ДПС013 g газодинамические нагрузки, которые связаны с условиями движения газового потока по тракту выхлопа. Если температурные нагрузки можно контролировать в про цессе эксплуатации и какимто образом производить оценку их влияния на этапе конструирования, то газодинамические процессы особенно в тракте выхлопа выпадают из внимания разработчиков. Конструкция системы выхлопа имеет слож ную геометрическую форму, и возникновение динамических нагрузок в тракте в первую очередь связано с условиями не равномерного движения продуктов сгорания по этой конст рукции. Данная проблема практически не изучена. В основ ном, оценка газодинамических параметров сводилась к ана лизу условий течения газа на выходе из улитки, как в конст рукции элемента обеспечивающего работоспособность и КПД турбины. Фактически условия формирования газового потока в элементах не рассматривались. Таким образом, от казы, связанные с разрушением конструкции элементов вы хлопного тракта, указывают на тот факт, что данная проблема существует и является составной частью работоспособности ГПА в целом. Можно предположить, что на наружной поверхности выхлопно го тракта могут быть реализованы вибрации конструкции от воз действия вынуждающих колебаний газа и излучение акустичес ких волн, прошедших через стенку (конструкцию). Основной про блемой, которая должна быть решена в данной постановке — оп ределение передаточной функции, которая бы связала величи ну и характер динамической нагрузки, действующей на внут реннюю стенку с вибрациями наружной стенки. Для этого необ ходимо глубокое изучение колебательных механизмов, условий их возникновения, проявления и взаимодействия. На кафедре РКТ и ЭУ при ПГТУ разработан алгоритм такой за дачи, которая позволяет определять не только структуру тече ния газа по любым геометрически сложным каналам, но и опре делять амплитуды и частоты газодинамических колебаний в по токе. Математическая модель разработана для реального газа (алгоритм на основе уравнений НавьеСтокса). Проведена оценка конкретной конструкции ГПА1601 «Урал», для которой проведены натурные исследования. Разработанная модель численного моделирования существенно расширяет возмож ности исследований условию возникновения динамических на грузок для вновь проектируемых конструкций выхлопа ГПА. В этом направлении разработана двухмерная математическая модель, которая позволяет оценить условия течения продуктов сгорания на выходе из улитки в выхлопном тракте. Результаты моделирования течения газа в конструктивных элементах улитки и диффузора приведены на рисунке 1. Анализ результатов показывает, что по длине выхлопного тракта суще ствуют зоны с повышенным давлением, которые могут служить источниками колебаний давления в потоке. По результатам расчета величина перепада давления в таких зонах может до стигать до 0,1 МПа. Кроме того, ПГТУ совместно с НПО «ИСКРА» провели натурные исследования ГПА1601 «Урал» на КС «Крупская». Программа ми и методиками испытаний было предусмотрено измерение полного давления на входе в выхлопной тракт в восьми точках (параметры 6ДВ1…6ДВ8). Схема расположения заборников давления представлена на рисунке 2. Измерение колебаний давления производилось с помощью датчиков ДПС013 с диапазоном измерения 250 кПа и погреш ностью измерения по каналу 3,5%, при этом ожидаемое рас четное значение колебаний давления составило: по амплитуде 50 кПа, по частоте 15…30 Гц. Одновременно измерялись коле бания наружной стенки входного диффузора в зонах установки датчиков колебаний давления (вибропреобразователь ВК 310А с диапазоном измерения ускорений от 0,05 до 400 м/с2 и диа пазоном частот от 3 до 5000 Гц). Исследования проводились на трех режимах работы агрега та, характеризующихся следующими числами оборотов сво бодной турбины: минимальный режим работы — 3770 об./мин; номинальный режим работы агрегата — 4500 об./мин и макси мальный режим работы агрегата — 5000 об./мин. Для записи результатов замера использовался многоканальный синхрон ный анализатор «Камертон». Для уменьшения погрешности сопоставления сигналов запись проводилась одновременно по четырем каналам измерения колебаний давления в газо вом потоке выхлопа и четырем каналам измерения вибрации на наружной стенке переходника в зонах установки датчиков прямого измерения динамического давления в потоке. Так как каналов измерения было 16, то сначала проводилась запись сигналов с датчиков ДПС013 из зон их установки 6ДВ1—6ДВ4 и с вибропреобразователей ВК 310А №1—4. Затем на том же режиме работы ГПА проводились замеры и одновременная запись с датчиков ДПС013 из зон их установки 6ДВ5—6ДВ8 и вибропреобразователей ВК 310А №№5—8. Результаты заме ров колебаний давления и вибрации стенки на каждом режиме записывались в память прибора. Проводились записи вре менной формы сигнала продолжительностью более 3 мин. Для анализа характера течения продуктов выхлопа было про ¸ Æ .qxd 03.11.2006 17:05 Page 23 23 НОЯБРЬ 2006 Рис. 3. Спектральный анализ временного сигнала динамического датчика давления ДПС 013 и вибропреобразователя ВК 310А а) спектр с датчика динамического давления; б) спектр с датчика вибрации ведено исследование с записью процесса остановки агрега та. Регистрация велась по четырем каналам с датчиков ДПС013 из зон их установки 6ДВ5—6ДВ8 и вибропреобразо вателей ВК 310А №5—8 в течение 10 минут (от начала выклю чения агрегата до остановки вращения турбины). После остановки агрегата и охлаждения стенки тракта выхло па были проведены исследования ее передаточной функции. Для этого датчик №1 (вибропреобразователь ВК 310А) устанав ливали последовательно на внутренней стенке (зона замера давления датчиками ДПС013) в районе установки датчиков №2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 (наружная стенка) и создавали последовательно импульсную нагрузку на внутренней стенке против каждого датчика, т.е. в зоне прямого измерения датчиков ДПС013 (6ДВ2…6ДВ8) с параллельной записью по всем 8 каналам. Это позволяло сравнивать амплитудночастотные характеристики сигналов, полученных при воздействии импульсной нагрузке на внутреннею стенку, от вибропреобразователя ВК 310А №1 и любого другого вибропреобразователя ВК 310А №2…8, уста новленного на наружной стенке выхлопного тракта. Полученные записи исследовались как по временной форме представления сигнала (визуальный осмотр и оценка разма ха амплитуды колебаний), так и проводился спектральный анализ в диапазоне частот от 3 до 5000 Гц и в низкочастотной области от 3 до 50 Гц. Спектральная обработка сигналов всех датчиков позволила получить значение несущих частот и зна чение амплитуд колебаний давления в газовом потоке выхло па. Анализ проведенных измерений показал, что течение га за в тракте выхлопа имеет существенно неравномерный ха рактер с возможным формированием вихревых структур. С увеличением числа оборотов свободной турбины амплиту да колебаний давления существенно возрастает и при nст=5000 об./мин достигает 110 кПа в области установки датчика 6ДВ7, при этом частота колебаний давления в потоке лежит в диапазоне от 10 до 15 Гц. (рис. 3 а). Кроме того, с увеличением числа оборотов свободной турбины наблюдает ся уменьшение времени срыва вихря и увеличение частоты с 11,2 Гц на 3770 об./мин до 13 Гц на 5000 об./мин. Динамика потока на входе в диффузор выхлопного тракта с отмеченны ми выше амплитудами и частотами колебаний давления оп ределяется, прежде всего, сложной пространственной кар тиной течения в улитке ГТУ с наличием вихревых зон и суще ственной неравномерностью параметров потока, которые проникают из улитки в начальный участок выхлопного тракта. На данном этапе отрабатывалась методология формализации информации, полученной от датчиков, измеряющих виброакус тические характеристики конструктивных элементов выхлопно го тракта ГПА, с анализом и сопоставлением результатов пря мого 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. В ходе экспериментальных исследований было отмечено, что при выходе газа из улитки ГПА и его движении по выхлоп ному тракту наблюдаются значительные динамические на грузки, которые реализуются в колебаниях конструктивных элементов тракта с определенной циклической зависимос тью проявления этого действия. Результаты исследований по обработке спектрограмм сигна лов датчиков вибрации и динамических датчиков давления поз волил сделать следующие выводы: g Исследования показали, что в газовом потоке отмечается высокая нестабильность его движения. Отмечается низкочас тотная природа колебательных процессов в газе, связанных с формированием вихрей и их прохождением по выхлопному тракту ГПА. g Частота несущих (вынужденных) колебаний лежит в диапа зоне 10—15 Гц. Отмечена тенденция увеличения частоты с мак симальным значением амплитуды с ростом числа оборотов свободной турбины. Так при частоте вращения 3770 об./мин эта частота составляет 12,1 Гц, а при 5000 об./мин частота со ставляет 13 Гц. g Динамика потока на входе в диффузор выхлопного тракта с отмеченными выше амплитудами и частотами колебаний дав ления определяется, прежде всего, сложной пространственной картиной течения в улитке ГТУ. Из анализа временной записи сигналов следует, что наличие в амплитуде колебаний давления пиков в некоторый момент времени в области значительно ни же среднего уровня давления в газе выхлопного тракта может приводить к ударной (импульсной) нагрузке на конструкцию выхлопного тракта. g Показано, что несущие частоты виброускорений стенки вы хлопного тракта и частоты вынужденной силы, возникающие за счет колебания давления в газовом потоке выхлопа, совпадают (рис. 3). Это позволяет достаточно корректно использовать разработанную методику пересчета результатов измерения ви браций стенки в амплитуды колебаний давления. g Результаты математического моделирования процессов те чения газа в выхлопном тракте достаточно хорошо согласуются с результатами анализа, полученных исследований газового потока в выхлопном тракте ГПА1601 «Урал».
