Комплексна методологія проєктування проточних частин турбодетандерних установок

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2025.01.006
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 28, № 1, 2025 (березень)
Сторінки 6–18

 

Автори

Р. А. Русанов, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: roman_rusanov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0003-2930-2574

С. В. Моісеєв, ПрАТ «ТУРБОГАЗ» (61003, Україна, м. Харків, пров. Троїцький, 6/4), e-mail: svmh@ukr.net

О. В. Купригін, ПрАТ «ТУРБОГАЗ» (61003, Україна, м. Харків, пров. Троїцький, 6/4), e-mail: turbogaz@ukr.net

Д. В. Калямін, ПрАТ «ТУРБОГАЗ» (61003, Україна, м. Харків, пров. Троїцький, 6/4), e-mail: kdv777@gmail.com

А. В. Бурняшев, ПрАТ «ТУРБОГАЗ» (61003, Україна, м. Харків, пров. Троїцький, 6/4), e-mail: arkadii8201@gmail.com

М. К. Новіков, ПрАТ «ТУРБОГАЗ» (61003, Україна, м. Харків, пров. Троїцький, 6/4), e-mail: novikovmaxim1980@ukr.net

 

Анотація

Представлено авторську комплексну методологію проєктування проточних частин турбодетандерних агрегатів, основними елементами яких є доцентрова турбіна і відцентровий компресор. Методологія включає математичні методи і моделі різних рівнів складності – від одновимірних до просторових, а також експериментальні дослідження. Розрахунок тривимірної в’язкої течії виконується за допомогою методу чисельного інтегрування осереднених рівнянь Нав’є-Стокса і диференційної моделі турбулентності Ментера. Опис просторової форми турбіни і компресора здійснюється з використанням методу вихідних даних, для якого існує обмежена кількість параметризованих величин. Наведено приклад розробленої проточної частини, яка має високу газодинамічну ефективність у широкому діапазоні режимів роботи і за своїми характеристиками відповідає кращим світовим аналогам. Показано, що розрахункові газодинамічні характеристики задовільно співпадають з експериментальними даними. Створено базу даних високоефективних проточних частин турбін і компресорів, які використовуються як прототипи при створені нових сучасних турбодетандерних установок.

 

Ключові слова: турбодетандер, газопровід, природний газ, турбокомпресор, проточна частина турбомашини.

 

Література

  1. Boichenko S., Dokshyna S., Shkilniuk I., Yakovlieva A., Levandovskyi I., Kuberskyi I., Zaporozhets A. Increasing the level of energy security of Ukraine by reducing import dependence of oil products. In: Boichenko S., Zaporozhets A., Shkilniuk I., Yakovlieva A. (eds). Modern Technologies in Energy and Transport II. Studies in Systems. Decision and Control. Springer, Cham, 2024. Vol. 574. P. 67–77. https://doi.org/10.1007/978-3-031-76650-3_5.
  2. Моніторинг нафтогазовидобувного сектору. Асоціація газовидобувних компаній України. Звіт за листопад 2024 р. Асоціація газовидобувних компаній України: офіційний вебсайт. 2024. https://agpu.org.ua/analityka/monitorynh/monitorynh-naftohazovydobuvnoho-sektoru-3-9-11-2024.
  3. Wosu C. O. Design and performance analysis of an industrial absorber for the dehydration of natural gas using triethylene glycol. Journal of Engineering Research Innovation and Scientific Development. 2024. Vol. 2. No. 3. P. 40–49. https://doi.org/10.61448/jerisd23245.
  4. Zhu L., Wang D., Liu G., Liu H. Oiling low temperature separation process for dehydration and de-hydrocarbon of natural gas and practical application. Science and Technology for Energy Transition. 2022. Vol. 77. Article No. 8. https://doi.org/10.2516/stet/2022005.
  5. Rasi S., Läntelä J., Rintala J. Upgrading landfill gas using a high pressure water absorption process. Fuel. 2014. Vol. 115. P. 539–543. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.07.082.
  6. Khurmamatov A. M., Auesbaev A. U. Analysis of the operating mode of the existing desorber and its modernization using additional contact devices. Nafta-Gaz. 2023. No. 6. P. 412–419. https://doi.org/10.18668/NG.2023.06.05.
  7. Aghai R. Turboexpander technology evaluation and application in natural gas processing. Proceedings of Eighty-Second Gas Processing Association Annual Convention. San Antonio, Texas. 2003.
  8. Baccanelli M., Langé S., Rocco M. V., Pellegrini L. A., Colombo E. Low temperature techniques for natural gas purification and LNG production: An energy and exergy analysis. Applied Energy. 2016. Vol. 180. P. 546−559. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.07.119.
  9. Murodov A., Xabibullaev S., Maxmudov N., Daminov T., Qarshiyev A. Creation of technology for desalination of saturated diethylene glycol substance in East Berdak gas complex preparation plant. E3S Web of Conference. 2023. Vol. 434. Article No. 02026. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202343402026.
  10. Chidiebere O. O., Inyang U. E., Oboh I. O. Modelling and optimization of natural gas dehydration system using triethylene glycol. Journal of Engineering Research and Reports. 2023. Vol. 24. Iss. 12. P. 89−102. https://doi.org/10.9734/jerr/2023/v24i12862.
  11. Orymbetov E., Orymbetova G. E., Khussanov A. E., Orymbetov T. E., Orymbetov B. E. Sectioning of petroleum gas adsorption drying. Series of geology and technical sciences. News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series of geology and technology sciences. 2022. Vol. 3 (453). P. 155–165. https://doi.org/10.32014/2022.2518-170x.187.
  12. Bloch H. P. Subject Category 43 – Turboexpanders. Petrochemical Machinery Insights. 2017. P. 657−660. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809272-9.00043-8.
  13. Проекти ПрАТ «Турбогаз». ПрАТ «Турбогаз»: офіційний вебсайт. 2025. https://turbogaz.com.ua/uk/projects.
  14. Моiсеєв С. В., Новіков М. К., Бурняшев А. В., Паккі Г. В., Ткачук М. А., Львов Г. І., Кравченко С. О., Подрєза С. М. Розроблення проривних технологій зміцнення елементів турбодетандерних установок. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Машинознавство та САПР. 2023. № 1. С. 53−67. https://doi.org/10.20998/2079-0775.2023.1.06.
  15. Tkachuk M., Lvov G., Kravchenko S., Moiseiev S., Novikov M., Burniashev A., Pakki G., Podrieza S. Substantiating promising technical solutions for turbo- expander power plants based on the research into working processes and states. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2023. Vol. 4. No. 7 (124). P. 98–105. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.285865.
  16. Патент на винахід № 123415 «Доцентрова турбіна». Моісеєв С. В., Бурняшев А. В., Плахотник В. В., Борисенко О. В. Державний реєстр винаходів України. Опубліковано 31.03.2021, бюл. № 13/2021. https://sis.nipo.gov.ua/uk/search/detail/1585827/.
  17. Патент на винахід № 123333 «Регульований сопловий апарат доцентрової турбіни». Моісеєв С. В., Бурняшев А. В., Плахотник В. В., Борисенко О. В. Державний реєстрі винаходів України. Опубліковано 17.03.2021, бюл. № 11/2021. https://sis.nipo.gov.ua/uk/search/detail/1483943/.
  18. Русанов А. В., Ершов С. В. Математическое моделирование нестационарных газодинамических процессов в проточных частях турбомашин. Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2008. 275 с.
  19. Билан А. В., Билан В. Н. Автоматизированное проектирование лопаток паровых турбин. Компрессорное и энергетическое машиностроение. 2006. № 3 (5). С. 66–68.
  20. Goldberg D. E. Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning. USA, MA, Boston: Addison-Wesley Longman Publishing Co., Inc., 1989. 412 p.
  21. Thevenin D., Janiga G. Optimization and Computational Fluid Dynamics. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. 294 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-72153-6.
  22. Rusanov R., Klonowicz P., Rusanov A., Lampart P., Jedrzejewski L., Witanowski L. Methods for designing of axial turbines for ORC cogeneration unit working with MDM. NTU “KhPI” Bulletin: Power and heat engineering processes and equipment. 2015. No. 15. P. 86−100. https://doi.org/10.20998/2078-774X.2015.15.11.
  23. Русанов А. В. Использование современных компьютерных технологий для создания высокоэффективных проточных частей радиально-осевого типа. Компрессорное и энергетическое машиностроение. 2013. № 2 (32). C. 4−9.
  24. Русанов А. В., Шатравка О. И., Косьянова А. И. Профилирование радиально-осевых турбин с использованием современных компьютерных технологий. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2009. № 4. С. 58−62. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2009.21037.
  25. Rusanov A. V., Rusanov R. A., Pashchenko N. V., Chuhai M. O. Analytical method of profiling axial-radial compressor impellers. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2018. Vol. 21. No. 4. P. 4−13. https://doi.org/10.15407/pmach2018.04.004.
  26. Anderson D. A., Tannehill J. C., Pletcher R. H. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Taylor and Francis: Milton Park, UK, 1997. 816 p.
  27. Menter F. R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal. 1994. Vol. 32. No. 8. P. 1598–1605. https://doi.org/10.2514/3.12149.
  28. Benedict M., Webb G. B., Rubin L. C. An empirical equation for thermodynamic properties of light hydrocarbons and their mixtures I. Methane, ethane, propane, and n–butane. Journal of Chemical Physics. 1940. Vol. 8. Iss. 4. P. 334–345. https://doi.org/10.1063/1.1750658.
  29. Русанов А. В. Интерполяционно-аналитический метод учета реальных свойств газов и жидкостей. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2013. № 3/10 (63). C. 53−57. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2013.14864.
  30. Русанов А. В., Лампарт П., Русанов Р. А. Интерполяционно-аналитическая аппроксимация модифицированного уравнения состояния Бенедикта-Вебба-Рубина для учета реальных свойств рабочих тел в трехмерных расчетах. Компрессорное и энергетическое машиностроение. 2014. № 3. С. 18−23.
  31. Tammann G. Ueber die Abhängigkeit der volumina von Lösungen vom druck. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 1895. Vol. 17U. No. 1. P. 620−636. https://doi.org/10.1515/zpch-1895-1738.
  32. Yershov S., Rusanov A., Gardzilewicz A., Lampart P. Calculations of 3D viscous compressible turbomachinery flows. Proc. 2nd Symp. on Comp. Technologies for Fluid/Thermal/Chemical Systems with Industrial Applications, ASME PVP Division Conf., 1–5 August 1999, Boston, USA, PVP. 1999. Vol. 397 (2). P. 143–154.
  33. Rzadkowski R., Zywica G., Kaczmarczyk T. Z., Koprowski A., Dominiczak K., Szczepanik R., Kowalski M. Design and investigation of a partial admission radial 2.5-kW organic Rankine cycle micro-turbine. International Journal of Energy Research. 2020. Vol. 44 (14). P. 11029–11043. https://doi.org/10.1002/er.5670.

 

Надійшла до редакції 18.09.2024

Прийнята 16.12.2024