На правах рукописи

МЕРЗЛЯКОВ ЕВГЕНИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ

ПРОЦЕССОВ В ОБЪЕМЕ КОЖУХА СИЛОВОГО БЛОКА

ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

Специальность

01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2013 2

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова».

Научный руководитель: Алиев Али Вейсович, доктор физико–математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова», декан;

Официальные оппоненты: Ваулин Сергей Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ), проректор по научной работе;

Карпов Александр Иванович, доктор физико–математических наук, ИМ УрО РАН, заведующий лабораторией.

Ведущая организация: ОАО НПО «Искра», г. Пермь.

Защита диссертации состоится «» 2013 г. в часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.01 при ИМ УрО РАН по адресу: г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, д. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМ УрО РАН.

Автореферат разослан «» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета _ М.Р. Королева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Технология трубопроводного транспорта углеводородного сырья от мест добычи до потребителя в настоящее время получила широкое техническое применение. В газовой промышленности для трубопроводного транспорта газа повсеместно используются газотурбинные газоперекачивающие агрегаты (далее ГПА), силовым приводом которых являются газотурбинные установки (далее по тексту ГТУ). На современных газоперекачивающих агрегатах силовой привод монтируется в отдельные кожуха. Укрытие газотурбинных установок в кожух обусловлено требованиями обеспечения безопасности эксплуатации и снижения шума. Работа газотурбинной установки сопряжена с высокими тепловыми выделениями, что может привести к выходу из строя вспомогательных систем, размещаемых в кожухе и негативно сказаться на аварийной устойчивости агрегата. Для обеспечения штатного температурного режима внутренний объем кожуха непрерывно охлаждается воздухом, прокачиваемым системой вентиляции. Анализ и моделирование рабочих процессов, происходящих при функционировании систем охлаждения, позволяет обеспечить их оптимальное проектирование. При этом актуальными являются вопросы, связанные с выбором адекватных математических моделей процессов обдува и охлаждения объема внутри кожуха, учитывающих его нетривиальную форму.

Вопросы охлаждения газотурбинных установок в составе газоперекачивающих агрегатов, в своих работах исследовали: Б.С. Ревзин, А.А. Инозмецев, Э.А. Микаэлян, Б.П. Поршаков, Ю.Д. Лебедев-Цветков. Среди зарубежных авторов, в работах которых рассматриваются процессы в газоперекачивающих агрегатах, следует отметить вклад Клера Суареса, В.П. Герасименко, К. Маравилла Херрера и других.

Большой цикл публикаций принадлежит сотрудникам ОАО НПО «Искра» и Пермского национального исследовательского политехнического университета, занимающихся изучением процессов в объеме кожуха. В частности, это работы П.В. Трусова, Д.А. Чарнцева, И.Р. Каца. В их работах описываются математические модели тепловых процессов внутри кожуха силового блока, комплекс программ, основанный на методе параллельных вычислений с использованием вычислительного кластера, исследуются особенности протекания тепловых и газодинамических процессов в объеме кожуха силового блока на нестационарных и квазистационарных режимах, при различных режимах работы системы вентиляции.

В работах С.И. Бурдюгова и Г.Н. Захарова (ОАО НПО «Искра») формулируются требования к компоновке кожуха с точки зрения безопасной эксплуатации газоперекачивающих агрегатов.

Модели газодинамических процессов, которые могут быть применены в задачах охлаждения ГПА, излагаются, например, в работах Лойцянского Л.Г., Абрамовича Г.Н., Черного Г.Г. и других. Исследования и математическая запись процессов теплообмена и теплопереноса содержатся в работах Патанкара С., Михеева М.А., Лагуна И.М., Кузьмина Н.П. и других.

Таким образом, исследования посвященные ГПА являются актуальными. Однако при наличии большого количества современных разработок в области проектирования и диагностики процессов в ГПА, вопросы компоновки системы охлаждения ГТУ в составе кожуха практически не рассматриваются. Выше записанное позволяет утверждать, что рассмотрение процессов в объеме кожуха силового блока, исследование влияния параметров на входе и выходе из кожуха на процессы обдува и охлаждения объема силового блока агрегата, разработка методик проектирования кожуха силового блока и его систем являются актуальными.

газоперекачивающих агрегатов, используемых для укрытия газотурбинных установок, с системой вентиляции и обдува.

Предмет исследования: математические модели функционирования систем вентиляции и охлаждения кожухов силовых блоков, методы и программные продукты их анализа, газодинамические и тепловые процессы в кожухах ГПА различных конструкций и оптимизация их компоновок.

Цель работы: создание математических моделей и вычислительных алгоритмов функционирования системы охлаждения кожухов силовых блоков, разработка на основе созданных моделей, методик проектирования систем охлаждения ГТУ в составе ГПА, которые позволят обеспечить штатный температурный режим в объеме кожуха.

Для реализации поставленной цели решаются следующие задачи:

- разработка математических моделей, основанных на пространственнотрехмерном представлении газодинамических процессов;

- разработка для трехмерного случая эффективных алгоритмов решения газодинамических задач;

- определение основных закономерностей развития нестационарных процессов в объеме кожуха с учетом различных способов внутренней компоновки кожуха и способов подачи охлаждающего воздуха;

- проведение исследований с определением оптимальных конструктивных решений, обеспечивающих безаварийный тепловой режим работы ГПА;

- проведение экспериментов, подтверждающих основные результаты выполненных численных исследований.

На защиту выносятся:

- математические модели и алгоритмы расчета газодинамических и тепловых процессов в объеме кожуха силового блока, учитывающие нетривиальную форму расчетной области, влияние на рабочие процессы параметров охлаждающего воздуха, компоновки узлов и агрегатов в объеме кожуха, способов подачи охлаждающего воздуха;

- результаты исследования основных закономерностей газодинамических и тепловых процессов внутри кожуха силового блока при изменении параметров охлаждающего потока на входе в кожух;

- результаты исследования основных закономерностей газодинамических и тепловых процессов при изменении внутренней компоновки кожуха и способов подвода охлаждающего потока;

- результаты экспериментальных исследований влияния локального подвода охлаждающего воздуха в области застоя охлаждающего потока на тепловое состояние в объеме кожуха;

- методика проектирования систем охлаждения газотурбинных установок в составе газоперекачивающих агрегатов, обеспечивающих штатный температурный режим в объеме кожуха.

Научная новизна работы:

- решением задачи о процессах в объеме кожуха силового блока выявлено, что наибольшее влияние на тепловое состояние оказывает температура, скорость и массовый расход охлаждающего воздуха. Показано, что снижение температуры в объеме кожуха силового блока только за счет увеличения массового расхода воздуха, пропускаемого через кожух, энергозатратно и эффективно до определенного значения;

- установлено образование областей, где скорости охлаждающей среды близки к нулю (от 0 до 0,4 м/с) – зоны застоя потока. Показано, что данные области формируются в подрамном пространстве двигателя, в окрестности камеры сгорания газотурбинного двигателя и улитки системы выхлопных газов;

- установлено образование областей, где поток совершает круговые движения – зоны возвратных течений, скорости потока в данных областях изменяются от 0,4 до 1,8 м/с. Показано, что данные области формируются в подрамном пространстве двигателя между боковыми стенками кожуха и опорами двигателя, перед улиткой перепуска воздуха;

- обобщением аналитических данных и данных, полученных при натурных замерах, показано, что эффективность охлаждения ГТУ может быть повышена вытеснением из внутреннего объема кожуха застойных областей горячего газа и областей возвратных течений. Вытеснить эти области удается за счет повышения скорости потока на входе в кожух, увеличения объема кожуха, локального подвода охлаждающей среды в области застоя потока;

- показано, что изменение способа подачи охлаждающего воздуха может положительно влиять на равномерность полей температур и скоростей воздуха внутри кожуха. На основе расчетных данных и результатов натурных замеров, показано, что перенаправление потока в зоны застоя охлаждающего воздуха позволяет увеличить количество тепла, выводимое из внутреннего объема кожуха.

Полученные результаты являются новыми.

Методы исследования. В диссертации используются фундаментальные законы механики жидкости и газа (закон сохранения массы, количества движения и энергии). При проведении расчетов используются вычислительные методы и пакеты прикладных программ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается применением фундаментальных законов механики жидкости и газа. Для решения сформулированных задач используются надежный, апробированный вычислительный метод крупных частиц и пакет прикладных программ SolidWorks (номер лицензии 0010007015227777СС77XJC4). Тестирование моделей выполнено численным решением задачи обдува газотурбинной установки в «кожухе шумотеплозащитном» ГПА-25Р-ПС «Урал» с последующим сравнением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Теоретическая значимость.

Результаты расчетных и экспериментальных исследований позволяют определить зависимости теплового состояния в объеме кожуха силовых блоков ГПА от особенностей течения охлаждающей среды, что способствует получению новых знаний о развитии процессов в системах охлаждения тепловых установок.

Практическая значимость.

Разработанные математические модели и алгоритмы могут быть использованы при проектировании и оптимизации конструкций кожухов силовых приводов машин и агрегатов в газовой промышленности и в смежных областях техники.

Разработанные модели, алгоритмы и пакеты программ использовались при доработке системы охлаждения силового блока ГПА-25Р-ПС «Урал», эксплуатируемого на компрессорной станции «Игринская» ООО «Газпром трансгаз Чайковский», доработки внедрены рационализаторским предложением. Материалы по расчету газодинамических параметров в рассматриваемых технических устройствах рекомендованы к включению в курсы лекций и практических занятий по дисциплинам «Математическое моделирование» и «Тепловые двигатели»

(направление 141100 «Энергетическое машиностроение»), читаемых на кафедре «Тепловые двигатели и установки» ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.

Калашникова».

Апробация работы.

Основные положения и результаты исследований, содержащиеся в диссертации, докладывались и обсуждались на научных конференциях:

- международная научно–практическая конференция «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве», г. Тирасполь, 8 – 10 июня 2011 г., 3 – 5 октября 2013 г.;

- всероссийская конференция «Внутрикамерные процессы и горение в установках на твердом топливе и ствольных системах» (ICOC'2011), г. Ижевск, 29 – 31 марта 2011 г.;

- международная научно-практическая молодежная конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность», г. Москва, Газпром ВНИИГАЗ, 18 – 19 октября 2012 г.;

- международная научно-практическая конференция «Наука и образование XXI века», г. Уфа, РИЦ БашГУ, 31 мая 2013 г.;

- международная заочная научно-практическая конференция «Современные проблемы науки и образования», г. Липецк, 15 июня 2013 г., Липецкая областная общественная организация Всероссийского общества изобретателей и рационализаторов;

- пакет программ для определения газодинамических и тепловых параметров охлаждающей среды в объеме кожуха шумо-теплозащитного защищен свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ №2013617910.

Полностью работа докладывалась на научных семинарах в ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» и в Институте механики УрО РАН, г. Ижевск.

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в 9 научных статьях. В изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов работы, опубликованы 3 статьи.

Личное участие автора состоит в формулировке задач исследования, в разработке математических моделей, алгоритмов и программных продуктов по расчету нестационарных процессов в объеме кожуха ГПА, в проведении экспериментов и сравнительном анализе данных натурных замеров и расчетных данных, в проведении расчетов процессов в объеме кожуха, а также в анализе полученных результатов.

Структура диссертационной работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 171 страницах, содержит 111 рисунков, 25 таблиц и библиографический список, включающий 143 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются конструктивные особенности силового блока газоперекачивающего агрегата и процессы, происходящие в объеме кожуха силового блока.

Технология трубопроводной транспортировки углеводородов от мест добычи до потребителя в настоящее время получила широкое применение. ОАО «Газпром»

располагает уникальной и наиболее протяженной газотранспортной системой (далее ГТС) в мире. ГТС ОАО «Газпром» в упрощенном виде представляет собой совокупность компрессорных станций, расположенных вдоль магистрального трубопровода. Компрессорная станция – это сложный технологический комплекс, осуществляющий очистку, компримирование и охлаждение газа для дальнейшего транспорта углеводородного сырья по трубопроводу.

На магистральных газопроводах ОАО «Газпром» широкое распространение получили газотурбинные газоперекачивающие агрегаты, силовым приводом которых являются газотурбинные установки. Силовой привод газоперекачивающего агрегата может быть смонтирован в отдельный контейнер, называемый кожух шумо-теплозащитный или кожух силового блока.

Так как газоперекачивающие агрегаты являются основным оборудованием, необходимым для дальнего транспорта газа, научные исследования в области совершенствования процессов ГПА являются актуальными. Среди современных разработок можно выделить исследования в области снижения вредных воздействий от эксплуатации агрегатов, обеспечения безаварийной работы и своевременной диагностики эксплуатационных характеристик, эксплуатации газотурбинных установок в составе кожухов шумо-теплозащитных и обеспечения штатного температурного режима внутри кожухов.

При наличии большого количества современных разработок в области проектирования и диагностики работы газоперекачивающих агрегатов, вопросы обеспечения штатного температурного режима кожуха силового блока ГПА, процессы в системе охлаждения ГТУ в составе кожуха и теоретические основы компоновки системы охлаждения ГТУ практически не рассматриваются.

Конструкция силового блока газотурбинной установки рассмотрена на примере ГПА-25Р-ПС «Урал». Силовой блок данного ГПА (рисунок 1) представляет собой раму с газотурбинной установкой ГТУ-25П, заключенной в контейнер, изготовленный из металлических щитов и называемый кожухом силового блока.

Помимо газотурбинной установки внутри кожуха монтируются элементы систем обогрева, освещения, пожарной сигнализации и пожаротушения. Кожух ГТУ предназначен для шумо- и теплоизоляции газотурбинной установки ГТУ-25П. При эксплуатации силового блока газоперекачивающего агрегата особый интерес представляет вопрос охлаждения оборудования, размещенного внутри кожуха.

Работа газотурбинной установки сопровождается выделением тепла и образованием шума. Снижение шума при работе ГТУ обеспечивается за счет шумо-изоляционных свойств материала стенок кожуха.

Тепло, выделяемое при работе ГТУ, необходимо отводить из-под кожуха для обеспечения стабильности работы газотурбинной установки и вспомогательных систем. Для отвода тепла, выделяемого при работе ГТУ в атмосферу, применяется система охлаждения. Подача охлаждающего воздуха производится по воздуховодам с помощью вентиляторов. Особое внимание следует уделить движению и распределению масс воздуха, подаваемого системой охлаждения в пространство кожуха. В идеальном случае воздух должен равномерно обдувать нагретые поверхности ГТУ, предотвращая температурные деформации корпуса двигателя.

Однако, как показывает практика, в объеме кожуха могут образовываться зоны застоя и возвратных течений охлаждающей среды, о чем упоминается также в работе Чарнцева Д.А. (ОАО НПО «Искра»).

Причиной вышеуказанных проблем допускаемые при расчёте системы охлаждения по методикам, основанным на интегральном тепловом балансе и не учитывающим сложную структуру течений охлаждающего воздуха в объеме силового блока. С учетом вышенаписанного актуален вопрос разработки методик проектирования систем охлаждения ГТУ в составе ГПА, которые позволят обеспечить штатный температурный режим в объеме кожуха.

учитывать неравномерность тракта, 3 – подводы воздуха в подрамное пространство ГТУ, распределения температур и 4 – воздуховод выхлопного тракта, 5 – газотурбинная скоростей охлаждающей установка, 6 – пол кожуха, 7 – кожух шумо-теплозащитный среды в объеме кожуха.

Построение таких методик экспериментальных данных сопряжено со значительными материальными и временными затратами. Поэтому целесообразно осуществить разработку на основе современных методов математического моделирования. Построение математических моделей процессов следует производить в пространственной постановке, так как кожух силового блока обладает сложной конструкцией, а распределение скоростей и температур охлаждающей среды в его объеме является неравномерным.

Во второй главе рассматриваются особенности построения математических моделей для процессов в объеме кожуха силового блока.

Математические модели процессов газовой динамики основываются на физических законах сохранения массы, количества движения и энергии. При этом дополнительно в математическую модель добавляют уравнения состояния, реологии и другие. Модели нестационарных газодинамических процессов базируются на известных работах отечественных ученых, в частности, Лойцянского Л.Г., Липанова А.М., Валландера С.В. и других. В объеме кожуха (рисунок 2) присутствует движение охлаждающего воздуха; выделение тепловой энергии от двигателя; охлаждение поверхностей двигателя и агрегатов набегающим потоком воздуха; в вертикальном направлении действуют силы тяжести.

При моделировании реального процесса в кожухе ГПА принимаются допущения:

- воздух, обдувающий газотурбинную установку, является вязким, теплопроводным газом;

- тепло, поступающее от нагретого корпуса газотурбинной установки в объем кожуха, устанавливается по результатам выполненных экспериментов и учитывается граничными условиями (коэффициент теплоотдачи от прогретого корпуса газотурбинной установки к охлаждающему воздуху пропорционален числу Рейнольдса ~ Reb ).

В этом случае движение газа описывается уравнениями Навье - Стокса.

Уравнения газовой динамики процессов в объеме кожуха записываются в декартовой системе координат.

- уравнение неразрывности:

Здесь x, y, z – оси координат декартовой системы координат, – плотность; t – время; u, v, w – составляющие скорости, соответственно вдоль осей системы координат;

- уравнения сохранения количества движения:

- уравнение сохранения энергии:

где E – полная энергия, – коэффициент теплопроводности, T – температура, – диссипативная функция, g – составляющая силы тяжести, действующая на объем газа в объеме кожуха;

- уравнение состояния:

где р – давление газа, R – газовая постоянная.

Система уравнений (1) – (6) в общем случае не имеет аналитических решений.

Решение задач газовой динамики выполняется численными методами, теория и практика которых описана, например, в работах Самарского А.А. и Попова Ю.П., Яненко Н.Н. и Ковеня В.М., Белоцерковского О.М. и Давыдова Ю.М. и других.

На основе проведенного обзора литературы по проблеме численных решений системы уравнений газовой динамики для дальнейшего рассмотрения определен метод крупных частиц. Решение системы уравнений (1) – (6) методом крупных частиц производится поэтапно. На эйлеровом этапе метода полагается, что течение газа является замороженным, а на изменение параметров внутри конченоразностной ячейки влияет только давление. Вычисляется значение давления на границах ячеек (рисунок 3, границы АВ и CD). На лагранжевом этапе метода рассчитывается скорость перетекания на границах частиц и потоки массы, количества движения и энергии через границы. На заключительном этапе вычисляется баланс масс, количества движения, энергии; вычисляются новые значения скорости, плотности и полной энергии в центрах ячеек (рисунок 3, Х1, Х2, Х3). Для повышения устойчивости метода применяется модификация эйлерова этапа, заключающаяся в конечно-разностной аппроксимации с вычислением промежуточных значений давления на границах контрольных объемов. Для решения уравнений Навье - Стокса методом крупных частиц молекулярная вязкость учитывается на эйлеровом этапе. Описание границ расчетной области осуществляется с помощью фиктивных ячеек. При решении задач исследования процессов в объеме кожуха использовалась регулярная ортогональная сетка. Для программной реализации математических моделей использован язык программирования Digital Visual Fortran. Для визуализации процесса вычисления применяется программа Compaq Array Viewer.

Для расчета нестационарных газодинамических процессов в объеме кожуха силового блока создан пакет программ, в состав которого входит модуль ввода исходных данных, модуль расчета параметров, модуль обработки и вывода результатов, включающий в себя подпрограмму визуализации процесса вычисления с помощью программы Array Viewer. Для исследования влияния конструкции вентиляции силового блока и способа сборки внутреннего объема кожуха на его тепловое состояние дополнительно используется пакет SolidWorks. Выбор обусловлен удобством изменения геометрии расчетной области методами твердотельного проектирования с последующими расчетами тепловых и газодинамических процессов.

Моделирование газодинамических процессов и процессов теплообмена в специализированном пакете прикладных программ SolidWorks осуществляется приложением COSMOSFloWorks. В данном приложении движение и теплообмен текучей среды моделируется с помощью уравнений Навье - Стокса, описывающих законы сохранения массы, импульса и энергии среды в нестационарной постановке.

Для замыкания этой системы уравнений используются уравнения переноса кинетической энергии турбулентности.

В третьей главе приводятся результаты исследования сходимости решений на выбранных сетках разбиения расчетной области и результаты тестирования математических моделей.

В качестве задачи для тестирования вычислительных алгоритмов выбрано численное воспроизведение условий натурных замеров с последующим сравнением результатов расчетов и экспериментальных данных. Эти замеры проведены на агрегате ГПА-25Р-ПС «Урал», эксплуатируемом на компрессорной станции «Игринская» ООО «Газпром трансгаз Чайковский». Для проверки качества разбиения решается тестовая задача на различных сетках и также оценивается сходимость результатов, полученных на разных сетках. Для тестирования разбиения при расчетах воспроизведены условия натурных замеров скорости охлаждающего потока. Контроль осуществлялся путем замера значения скорости воздуха на выходе из кожуха.

Оценка алгоритмов разбиения расчетной области для метода крупных частиц показала удовлетворительную сходимость при количестве ячеек не менее 1300000.

Последующие расчеты осуществлялись на сетке с количеством ячеек равным 2500000. Для моделей, созданных в пакете прикладных программ SolidWorks при размере сетки 137000 и выше. Для дальнейших расчетов использована сетка с количеством ячеек 880000. В процессе тестирования рассматривались два вида конструкции системы охлаждения кожуха: с дополнительным воздуховодом и без него. При тестировании задачи и дальнейших расчетах измерялись значения параметров в сечениях, распределенных по объему кожуха. Схема расположения сечений изображена на рисунке 4. Численное сравнение результатов расчетов и экспериментальных данных показывает, что среднее относительное отклонение ожидаемых значений параметров охлаждающей среды от значений, полученных натурными замерами, составляют:

- по скорости воздуха 2,37% для алгоритмов метода крупных частиц и 3,5% для моделей, созданных в SolidWorks;

- по температуре воздуха 0,853% для алгоритмов метода крупных частиц и 1,27% для моделей, созданных в SolidWorks;

- по массовому расходу воздуха 5,23% для алгоритмов метода крупных частиц и 9,7% для моделей, созданных в SolidWorks.

Наиболее точные результаты получены методом крупных частиц на прямоугольной сетке, менее точные – при расчете в комплексе программ SolidWorks. Расхождения результатов решения тестовой задачи могут быть признаны удовлетворительными, это дает основания говорить о применимости тестируемых методов и схем для расчета рассматриваемого класса задач.

Четвертая глава содержит результаты исследования влияния параметров охлаждающего потока, конструктивного исполнения системы вентиляции и компоновки кожуха на его температурное состояние.

Количественная оценка влияния параметров входного потока воздуха на температурное состояние в объеме кожуха осуществлялась сравнением величины подогрева воздуха T Ti Tвх, вычисляемой как разность температуры в заданном сечении Ti и температуры на входе Tвх, равной 20°С, где i – индекс, обозначающий номер сечения. Сравнение величины подогрева осуществляется при максимальном и минимальном значении изменяемого параметра воздуха, в заданных сечениях. Ниже на графиках отображено изменение температуры в сечениях Ti в °С.

Исследование влияния массового расхода осуществлялось с учетом значений избыточного давления и массового расхода, создаваемого реальными вентиляторами различных производителей. Повышение массового расхода положительно влияет на тепловое состояние внутри кожуха. При увеличении массового расхода воздуха от 5 до 30 кг/с подогрев воздуха T в подрамном пространстве двигателя уменьшается от 44° до 18°С, в сечениях у торцевой стенки кожуха (сечения 1 и 3) от 9° до 3°С, на выходе из кожуха (сечение 3) от 15° до 7°С.

Результаты расчетов показывают, что повышение массового расхода воздуха эффективно до определенного значения. График зависимости температуры воздуха в сечении 4 от массового расхода на входе имеет вид гиперболы (рисунок 5).

Снижение температуры на выходе из кожуха (сечение 2) замедляется при достижении расхода воздуха на входном отверстии 16 кг/с, что свидетельствует о неэффективности последующего снижения температуры за счет мощности вентиляторов.

Повышение скорости входного потока воздуха также приводит к снижению величины подогрева воздуха T. При повышении скорости охлаждающего потока от 5 м/с до 30 м/с в подрамном пространстве двигателя (сечение 4, рисунок 6) наблюдается уменьшение значения T от 46° до 16°C, около торцевой стенки от 13° до 2°С. На выходе из кожуха (сечение 2) температура изменяется неравномерно, что связано со сложной структурой течений воздуха в объеме кожуха.

Анализ расчетных данных показал неравномерность движения охлаждающей среды по объему кожуха. При более подробном рассмотрении полей скорости в различных сечениях в объеме кожуха обнаруживаются зоны застоя охлаждающего потока и зоны возвратных течений.

Зонами застоя потока обозначим области, в которых скорости потока близки к нулю (отмечены красным контуром на рисунках 7, 8). Застой потока наблюдается в следующих областях:

1 - в подрамном пространстве двигателя, 2 - в подрамном пространстве двигателя, под улиткой системы выхлопа, 3 - между улиткой системы выхлопа и задней торцевой стенкой кожуха.

Среднее значение температуры воздуха в сечениях, С Указанный характер движения воздуха приводит к повышению температуры в областях застоя потока, в том числе в подрамном пространстве двигателя.

Повышенные температуры в подрамном пространстве двигателя могут привести к выходу из строя вспомогательного оборудования, расположенного под газотурбинной установкой.

Сравнительный анализ полей скорости в сечении вдоль оси газотурбинной установки (рисунки 9, 10), полученных при скорости входного потока 5 и 30 м/с, показывает, что увеличение скорости охлаждающего потока на входе в кожух позволяет вытеснить зоны застоя потока. Площадь обозначенных зон застоя потока постепенно уменьшается, а в районе улитки системы выхлопа область с низкими скоростями воздуха полностью ликвидируется.

Скачкообразное изменение значения температуры воздуха на выходе из кожуха (сечение 2, рисунок 6) также подтверждает вытеснение зон застоя потока. При достижении скорости охлаждающего потока 15 м/с, температура воздуха в сечении 2 повышается на 35°С, что приводит к переносу большего количества тепла из объема кожуха в атмосферу.

В качестве зон возвратных течений обозначим области в объеме кожуха, где движение охлаждающего потока имеет вихревой характер, а перенос массы воздуха близок к нулю. В данных зонах поток либо совершает работу, не связанную с переносом тепла из объема кожуха в атмосферу, либо делает это неэффективно.

Зоны возвратных течений наблюдаются в следующих областях:

1 - между передней стенкой кожуха и улиткой заслонок перепуска циклового воздуха (отмечена красным контуром на рисунке 11);

2 - между боковыми стенками кожуха и опорами рамы двигателя в подрамном пространстве.

Анализ расчетных данных показал, что увеличение скорости воздуха на входе в кожух не позволяет полностью вытеснить зоны возвратных течений. Трактория движения воздуха не изменяет своего характера, при этом скорости движения воздуха увеличиваются от 1 до 3 м/с при увеличении скорости на входе от 5 до 30 м/с.

Сопротивление выхлопного тракта, равно как и избыточное давление на входе, существенного влияния на тепловое состояние внутри кожуха не оказывает.

Исследование влияния температуры охлаждающего воздуха показало, что температурное состояние в объеме кожуха находится в прямой зависимости от данного параметра. Во всех сечениях температура повышалась вместе с увеличением температуры охлаждающего газа.

Исследование влияния параметров охлаждающего воздуха на тепловое состояние в объеме кожуха показало что, для обеспечения штатного температурного режима в объеме кожуха должен быть осуществлен подбор его оптимальных конструкций. Для этого необходимо исследовать влияние конструкции кожуха на его тепловое состояние. Количественная оценка влияния конструктивных особенностей кожуха на температуру в его объеме осуществляется по величине подогрева воздуха T в заданных сечениях. Для сравнительного анализа рассмотрены результаты исследований влияния температуры наружного воздуха, при температуре воздуха на входе, равной 20°С.

Снижение величины подогрева воздуха T в заданных сечениях и изменение характера течения воздуха – ликвидация зон застоя и возвратных течений – будет считаться положительным результатом.

Исследование условно разделено на три этапа:

- изменение компоновки агрегатов внутри кожуха, - варьирование способа и места подачи охлаждающего воздуха, - комбинирование наиболее удачной внутренней компоновки и способа подачи охлаждающего воздуха.

Изменение компоновки агрегатов внутри кожуха обусловлено решением практической задачи устранения зон возвратных течений. С этой целью проведена перекомпоновка узлов внутри кожуха и проведены расчеты с изменением конструкции кожуха силового блока. Положительные результаты достигнуты при изменении формы крыши кожуха. Подогрев воздуха T в наиболее нагретой части кожуха – подрамном пространстве двигателя – снизился от 36° до 21°С. Анализ поля скоростей в сечении вдоль оси газотурбинной установки показал, что увеличение высоты крыши кожуха привело к росту скорости около наиболее нагретых частей ГТУ: камера сгорания, улитка выхлопных газов (рисунок 12).

Анализ расчетных данных, полученных для различных компоновок агрегатов в объеме кожуха, показал, что существенное влияние на температуру в заданных сечениях оказывает скорость охлаждающего потока около наиболее нагретых частей газотурбинной установки. Следовательно, подвод охлаждающего воздуха в области наибольших тепловых выделений или через зоны застоя потока должен привести к снижению температуры в объеме силового блока. Также можно предположить, что равномерное распределение скоростей потока по объему силового блока вдоль оси газотурбинной установки не является необходимым условием обеспечения штатного температурного состояния кожуха. Достаточно подвести большую часть охлаждающего потока на наиболее нагретые части двигателя. Для проверки выдвинутых предположений проведена серия расчетов при различных способах подачи охлаждающего воздуха. В процессе расчетов изменялся угол подачи охлаждающего воздуха и расположение входных отверстий относительно газотурбинной установки.

охлаждающего воздуха, сечение вдоль охлаждающего воздуха в подрамном оси газотурбинной установки пространстве двигателя, сечение Рисунок 9 – Поле скоростей при Рисунок 10 – Поле скоростей при скорости охлаждающего воздуха скорости охлаждающего воздуха на входе 5 м/с, сечение вдоль оси на входе 30 м/с, сечение вдоль оси Рисунок 11 – Зона возвратных Рисунок 12 – Поле скоростей при течений между передней стенкой изменении конструкции крыши кожуха и улиткой заслонок перепуска Анализ полученных данных показывает, что при изменении способа подачи охлаждающего воздуха изменяется температурное поле в объеме кожуха. В частности можно выделить три схемы подачи охлаждающего воздуха, при которых наблюдается снижение температуры: схема с подачей воздуха в подрамное пространство двигателя, подача воздуха перпендикулярно оси двигателя в районе камеры сгорания, схема с подачей охлаждающей среды через отверстия в боковых стенках кожуха. При подаче охлаждающего воздуха в подрамное пространство двигателя (рисунок 14) наблюдается снижение T в зоне под камерой сгорания от 36° до 26°С, в районе улитки от 51° до 27°С. Направление движения потока показано с помощью проекций векторов скорости на рисунке 15 (вид а – сечение вдоль оси ГТУ, вид б – сечение перпендикулярно оси ГТУ). Результаты расчетов подтверждают предположение о достаточности локального подвода охлаждающего воздуха в области наиболее нагретых частей двигателя и в зоны застоя потока для обеспечения оптимального температурного режима в объеме кожуха. На рисунке 15, вид а, видно, что область над воздуховодом практически не обдувается (обозначена красным контуром), но так как в этой области отсутствуют источники тепла, увеличения температуры воздуха не происходит.

результатов анализа расчетных данных проведены натурные замеры. Работа системы охлаждения газотурбинной установки в составе кожуха силового блока рассмотрена на примере газоперекачивающего агрегата ГПА-25Р-ПС «Урал». Рисунок 14 – Подвод воздуха снизу в На данном агрегате система подрамное пространство кожуха охлаждения эксплуатировалась в различных конструктивных исполнениях. Каждое изменение конструкции системы охлаждения сопровождалось натурными замерами параметров охлаждающего воздуха. Результаты замеров использованы в данной работе для тестирования моделей, подтверждения результатов расчетов и анализа влияния конструкции кожуха на характер течения охлаждающего потока в объеме кожуха.

Исследование параметров охлаждающего потока в объеме кожуха силового блока проводилось по результатам измерений средствами измерительного а – сечение вдоль оси ГТУ, б – сечение перпендикулярно оси ГТУ Рисунок 15 – Поля скоростей при подаче охлаждающего воздуха в подрамное комплекса на базе анемометра АТТ-1002 и цифровых термометров малогабаритных ТЦМ 9210М1 производства ООО НПП «ЭЛЕМЕР». Результаты оценки погрешности измерений показали, что средняя погрешность измерений температуры до доработки системы охлаждения составила 6,42%, после доработки 7,45%. Средняя погрешность измерений скорости составила 3,93%.

Исследование температуры воздуха в объеме кожуха осуществлялось на стационарном тепловом режиме при различных вариантах загрузки вентиляторов обдува двигателя. Температурное состояние в объеме кожуха для двух вариантов исполнения системы охлаждения газотурбинной установки сравнивалось по величине подогрева воздуха Т= Тточ – Твход, учитывающего разницу в температуре входного воздуха Твход и в точках расположения датчиков Тточ.

Натурные замеры температуры воздуха показали существенное влияние конструктивного исполнения системы охлаждения на температурное состояние в объеме кожуха. Перенаправление части охлаждающего воздуха в подрамное пространство ГТУ, повлекшее за собой выравнивание поля скоростей в плоскости подачи охлаждающего воздуха в объем кожуха, привело к организации равномерных полей температур воздуха в поперечных сечениях по длине газотурбинной установки. Доработка системы охлаждения привела к тому, что охлаждающий воздух поступает в подрамное пространство двигателя. Таким образом, происходит вытеснение зон застоя охлаждающего потока. На выходе из кожуха, после установки дополнительных воздуховодов наблюдается повышение температуры воздуха: Т=61,2°С, до доработки значение нагрева воздуха составляло Т=51,3°С. Увеличение подогрева воздуха объясняется повышением расхода воздуха около наиболее нагретых частей двигателя и вытеснением зон застоя потока. Полученные натурные замеры подтверждают результаты расчетов, описанные выше.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основе анализа процессов в объеме кожуха силового блока показано, что применение методик, основанных на интегральном тепловом балансе, для расчета температурного состояния кожуха не позволяет учесть сложной структуры течений охлаждающей среды в объеме кожуха.

2. Построены математические модели, описывающие газодинамические и тепловые процессы обдува и охлаждения газотурбинной установки в составе кожуха силового блока газоперекачивающего агрегата в пространственной постановке.

Сформулированы требования к пакетам программ для расчета нестационарных процессов газовой динамики в кожухе силового блока. Созданные математические модели, алгоритмы и программные продукты позволяют оценить следующие особенности процессов в объеме кожуха:

- учитывается пространственность движения охлаждающей среды и местоположение источников массы и энергии;

- реализована возможность расчета газодинамических процессов для различных вариантов компоновки узлов, располагаемых в объеме кожуха силового блока;

- программно реализована возможность слежения за протеканием процесса расчета параметров охлаждающей среды в объеме кожуха с возможностью визуализации застойных зон и зон возвратных течений.

3. Для исследования влияния параметров охлаждающего потока и особенностей конструкции кожуха на температурное состояние в его объеме выбран метод крупных частиц. Сформулирован алгоритм расчета газодинамических задач методом крупных частиц для случая декартовой системы координат. Конечноразностное разбиение расчетной области осуществлено с помощью фиксированного регулярного разбиения с ячейками прямоугольной формы 4. Для исследования влияния конструкции вентиляции силового блока и способа сборки внутреннего объема кожуха на его тепловое состояние выбран пакет SolidWorks. Сформулированы этапы моделирования процессов с помощью SolidWorks. Создана модель силового блока для расчета газодинамических и тепловых процессов в объеме кожуха.

5. На основе анализа расчетных данных показан характер зависимости температуры воздуха в объеме кожуха от параметров охлаждающей среды на входе.

В частности, установлена прямая зависимость температурного состояния в объеме кожуха от температуры охлаждающей среды: при повышении температуры на входе в кожух от –6° до +37°С происходит повышение температуры вверху и внизу у торцевой стенки кожуха на 40°С, в подрамном пространстве на 35°С, на выходе из кожуха на 41°С; установлена неравномерность распределения температуры в объеме кожуха силового блока. Показано положительное влияние увеличения скорости охлаждающего потока и массового расхода на температуру в объеме кожуха: при повышении скорости входного потока от 5 до 30 м/с происходит снижение температуры в подрамном пространстве кожуха на 30°С, у торцевой стенки кожуха на 8°С. Показано наличие зон застоя и возвратных течений в объеме кожуха.

6. Подтверждено расчетами, что для обеспечения штатного температурного режима в объеме кожуха достаточно локального подвода охлаждающего воздуха в области наиболее нагретых частей двигателя, либо в зоны застоя потока вблизи нагретых частей двигателя. Предложенная схема локальной подачи охлаждающего воздуха внедрена в производство на компрессорной станции «Игринская» ООО «Газпром трансгаз Чайковский».

7. Предложены конструкции кожуха, обеспечивающие оптимальный температурный режим в объеме силового блока при работающей газотурбинной установке (увеличение высоты крыши кожуха силового блока, подвод охлаждающего потока в подрамное пространство кожуха, подвод воздуха через боковые стенки кожуха, подвод воздуха на камеру сгорания под углом 90°).

8. С помощью натурных замеров параметров охлаждающей среды подтверждены результаты расчетов, в частности, существенное влияние конструктивного исполнения системы охлаждения на температуру воздуха в объеме силового блока. Показано, что перенаправление охлаждающего потока в подрамное пространство двигателя приводит к увеличению скорости в данной области на 1,2 м/с и снижению температуры в подрамном пространстве двигателя на 43°С, под свободной турбиной ГТУ на 34°С.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Повышение эффективности системы охлаждения ГПА-25Р-ПС "Урал"/ Мерзляков Е. В., Сундуков В. Ю. и др. // Новые технологии в газовой отрасли:

опыт и преемственность: тезисы докладов IV Научно-практической молодежной конференции (18-19 октября 2012 г.). – Москва, Газпром ВНИИГАЗ, 2012. - С. 71.

Мерзляков Е. В. О применении программы Array Viewer при решении инженерных задач // Седьмая всероссийская конференция "Внутрикамерные процессы и горение в установках на твердом топливе и ствольных системах" (ICOC'2011): сборник трудов (29-31 марта 2011 г.). - Ижевск, ИПМ УрОРАН, 2011. - С. 212-216.

3. Мерзляков Е. В. Анализ факторов, влияющих на температурный режим в государственного технического университета. - 2013. Вып.1. - С. 150-151.

4. Алиев А. В., Мерзляков Е. В. Моделирование газодинамических процессов в системах охлаждения газоперекачивающих агрегатов // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2012. Вып.2. - С.

169-171.

5. Мерзляков Е. В. Применение Array Viewer при решении инженерных задач //VII Международная конференция «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве»: сборник материалов (8-10 июня 2011 г.). Тирасполь, 2011. - С. 207-208.

6. Мерзляков Е. В. Влияние параметров охлаждающей среды на температурное состояние под кожухом газоперекачивающих агрегатов // Наука и образование XXI века: сборник статей Международной научно-практической конф. (31 мая 2013 г.). - Уфа, 2013. - С. 281-283.

7. Мерзляков Е. В. Моделирование процессов газовой динамики газоперекачивающих агрегатов // Современные проблемы науки и образования:

сборник научных трудов по материалам Международной заочной научнопрактической конф. (15 июня 2013г.). - Липецк, 2013. - С. 91-92.

8. Алиев А. В., Мерзляков Е. В. Вопросы охлаждения конструкции газоперекачивающего агрегата // Газовая промышленность. - 2013. - №8. - С. 55-57.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013617910. Программа определения газодинамических и тепловых параметров охлаждающей среды под кожухом шумо-теплозащитным / Алиев А. В., Мерзляков Е. В. - заявка № 201365789; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 27.08.2013 г.

10. Мерзляков Е. В. Применение математического моделирования для определения оптимальных конструкций кожухов укрытий газотурбинных установок // VIII Международная конференция «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве»: сборник материалов (3-5 октября 2013 г.). - Тирасполь, 2013. - С. 188-190.

Отпечатано на оборудовании Машиностроительного факультета ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»

г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 7, тел. 8(3412)-