АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПРОФИЛИРОВАНИЯ РАБОЧИХ КОЛЕС ОСЕРАДИАЛЬНЫХ КОМПРЕССОРОВ

image_print

 

DOI https://doi.org/10.15407/pmach2018.04.004
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 0131-2928 (print), 2411-0779 (online)
Выпуск Том 21, № 4, 2018 (декабрь)
Страницы 4-13

 

Авторы

А. В. Русанов, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: rusanov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-9957-8974

Р. А. Русанов, Институт проточных машин им. Р. Шевальского Польской АН, (Польша, г. Гданьск 80-231, ул. Фишера, 14), e-mail: rrusanov@imp.gda.pl, ORCID: 0000-0003-2930-2574

Н. В. Пащенко, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: nata.paschenko82@gmail.com, ORCID: 0000-0002-3936-7331

М. А. Чугай, Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (61046, Украина, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10), e-mail: mchugay@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-0696-4527

 

Аннотация

Предложен новый аналитический метод построения осерадиальных рабочих колес компрессоров со сложными навалами входных и выходных кромок, позволяющий описывать широкий класс проточных частей на основе ограниченного (небольшого) количества параметризованных величин. При помощи этого метода создана новая проточная часть типового осерадиального рабочего колеса для компрессоров турбодетандерных агрегатов с коэффициентами затраты в диапазоне от 0,03 до 0,06. Для апробации метода выполнено численное исследование пространственных вязких течений в существующей и новой модификации проточной части типового осерадиального компрессора низкотемпературного турбодетандерного агрегата с использованием программного комплекса IPMFlow, являющегося развитием программ FlowER и FlowER-U. Расчетная сетка состояла из более 600 тысяч ячеек. Разработанное рабочее колесо имеет существенно пространственную форму со сложным окружным навалом входных кромок. Показано, что в новой конструкции наблюдается более благоприятная структура течения, в которой практически отсутствуют отрывы потока. Это обеспечивается за счет пространственной формы нового рабочего колеса, в том числе сложным окружным навалом входных кромок. Такая форма способствует «прижатию» потока к периферийному обводу в области разворота канала от осевого к радиальному направлению, и, как следствие, предупреждает возникновение отрывных вихрей. Благодаря отсутствию отрывных образований на номинальном режиме и относительно незначительным отрывам на нерасчетных режимах обеспечен высокий уровень аэродинамического совершенства (высокий коэффициент полезного действия (КПД)) нового типового компрессора во всем диапазоне режимов эксплуатации турбодетандерного агрегата. Так, в расчетной точке КПД предложенного компрессора на 6% выше по сравнению с прототипом. Разработка внедрена в турбодетандерных агрегатах установок комплексной подготовки газа на добывающих предприятиях газоконденсатных месторождений Узбекистана.

 

Ключевые слова: осерадиальный компрессор, аналитический метод профилирования, пространственное течение, численное моделирование.

 

Литература

  1. Шаровский М. А., Ивченко А. В., Шелковский М. Ю. Расчетный и экспериментальный анализ характеристик ступеней компрессора, спроектированных методом специального профилирования. Вісн. двигунобудування. 2006. № 3. C. 26–31.
  2. Резник С. Б., Яишников В. И., Хомылев С. А., Пика Е. Л., Ершов С. В. Опыт модернизации рабочей лопатки высокоперепадной турбины с использованием расчетного и экспериментального методов. Вісн. двигунобудування. 2006. № 1. C. 37–41.
  3. Murari P. Singh, George M. Blade design and analysis for steam turbines. The McGraw-Hill Companies, Inc. 2011. 384 p.
  4. Win Lai Htwe, Htay Htay Win, Nyein Aye San. Design and thermal analysis of gas turbine blade. Intern.  J. Mech. and Production Eng. 2015. Vol. 3. Iss. 7. P. 62–66.
  5. Костенко Д. Возможно ли производство электроэнергии без сжигания топлива. Топливно-энерг. комплекс. 2006. № 11. С. 23–24.
  6. Козаченко А. Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. М.: Нефть и газ, 1999. 463 с.
  7. Кемпбел Д. М. Очистка и переработка природных газов: пер. с англ. (под ред. С. Ф. Гудкова). М.: Недра, 1977. 349 с.
  8. Rusanov A., Rusanov R., Lampart P. Designing and updating the flow part of axial and radial-axial turbines through mathematical modeling. Open Eng. 2015. No. 5. Р. 399–410. https://doi.org/10.1515/eng-2015-0047
  9. Бойко А. В., Усатий О. П., Бараннік В. С. Оптимізація турбінних решіток з використанням геометричних критеріїв якості обводів профілю і каналу. Вісн. НТУ «ХПІ». Сер. Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування. 2017. № 9 (1231). С. 6–16.
  10. Luo J., Xiong J., Liu F., McBean I. Three-dimensional aerodynamic design optimization of a turbine blade by using an adjoint method. ASME.  J.  Turbomachinery. 2010. Vol. 133. No. 1: 011026-011026-11. https://doi.org/10.1115/1.4001166
  11. Arabnia M. Aerodynamic shape optimization of axial turbines in three dimensional flow. Concordia University Montréal, Québec, Canada, 2012. 128 p.
  12. Yuan X., Tanuma T., Zhu X., Lin Z., Nomura D. A CFD approach to fluid dynamic optimum design of steam turbine stages with stator and rotor blades. ASME. Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. 2010. Vol. 7: Turbomachinery, Parts A, B, and C. P. 2209–2218. https://doi.org/10.1115/GT2010-22477
  13. 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.
  14. Lampart P., Gardzilewicz A., Yershov S., Rusanov A. Investigation of interaction of the Main flow with root and tip leakage flows in an axial turbine stage by means of a source/sink approach for a 3D Navier-Stokes Solver. J. Thermal Sci. 2001. Vol. 10. No. 3. P. 198–204. https://doi.org/10.1007/s11630-001-0019-4
  15. Lampart P., Rusanov A., Yershov S., Marcinkowski S., Gardzilewicz A. Validation of 3D RANS solver with a state equation of thermally perfect and calorically imperfect gas on a multi-stage low-pressure steam turbine flow. Transaction ASME. J. Fluids. Eng.  2005. Vol. 127. No. 1. P. 83–93. https://doi.org/10.1115/1.1852491.
  16. Rusanov A. V., Lampart P., Pashchenko N. V., Rusanov R. A. Modelling 3D steam turbine flow using thermodynamic properties of steam IAPWS-95. Polish Maritime Research. 2016. Vol. 23. No. 1. P. 61–67. https://doi.org/10.1515/pomr-2016-0009

 

Поступила в редакцию 03 сентября 2018 г.