Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015

Изменение зазора от вращения и разности температур колец, значения натяга в подшипнике, мкм

Примечание : знак «–» соответствует зазору в подшипнике.

Данные расчетов по методике [2] показывают, что наибольшее влияние на зазор в подшипнике оказывает разность температур колец и что на режимах В, НВ, К появляется значительный натяг в подшипнике, при котором в случае установки подшипника на жестком вале и в жестком корпусе долговечность подшипника была бы незначительной, но сжатие полого вала и растяжение втулки приводит к существенному уменьшению контактных деформаций в подшипнике, от которых непосредственно зависят контактные напряжения и долговечность подшипника.

3.Влияние объемных деформаций колец подшипников

свалом и демпферной втулкой

Деформация наружного кольца от распорных усилий роликов зависит от посадки кольца в демпферной втулке, она может быть с натягом, тогда кольцо подшипника деформируется совместно со втулкой, или с зазором, в этом случае кольцо будет деформироваться больше, в действительности положение кольца неопределенное. На рис. 2 представлены два варианта расчета, из которых следует, что на контактные деформации может приходиться до 37 % от натяга в подшипнике и что имеется возможность оптимизировать конструкцию опоры, что позволяет уменьшить контактные напряжения в подшипнике.

91

УДК 621.438

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТУРБИНЫ В КАЧЕСТВЕ УТИЛИЗАТОРА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ГПА

А.Г. Григорьев, Н.Л. Бачев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: sasha59-159@mail.com

С целью утилизации тепла отработанных газов предлагается постановка высокорасходной, молоперепадной турбины в тракт выхлопа газоперекачивающего агрегата (ГПА). Отработанный газ после силовой турбины газотурбинного привода подается на сопловой аппарат утилизационной турбины, с целью совершения полезной работы. К валу утилизационной турбины подключается полезная нагрузка, в качестве которой может использоваться генератор для выработки электроэнергии. Далее охлажденный отработанный газ попадает в тракт выхлопа и выбрасывается в атмосферу. Таким образом, рабочим телом турбины является непосредственно выхлопной газ газотурбинной установки.

Разработана математическая модель и проведен параметрический анализ функционирования утилизационной турбины в тракте выхлопа газоперекачивающих агрегатов ГПА 12 МВт, ГПА 16 МВт, ГПА 25 МВт. Полученные результаты показывают, что при давлениях на входе в турбину до 0,12 МПа и расходах отработанных газов до 80 кг/с возможно выработать электрическую энергию до 4 МВт при охлаждении отработанного газа на 80°. После утилизационной турбины возможно установить дополнительно теплоутилизатор с целью нагрева воды для бытовых нужд.

Установка утилизационной турбины позволяет повысить эффективность на 4–5 % всего агрегата.

Ключевые слова: утилизация, высоко расходная малоперепадная, тракт выхлопа.

93

При использовании турбогенератора в выхлопном тракте ГПА рабочим телом турбины является непосредственно отработанный газ ГТУ.

На рис. 1 представлена принципиальная схема энергетической установки с подключением турбодетандера непосредственно в тракт выхлопа ГПА.

Рис. 1. Схема энергоустановки с турбодетандером в тракте выхлопа: 1 – газопровод низкого давления; 2 – нагнетатель магистрального газопровода; 4 – турбогенератор; 5 – газопровод высокого давления; 6 – газотурбинный привод; 7 – выхлопная труба; 8 – полезная нагрузка; 9 – охладитель транспортируемого газа

Энерготехнологическая установка работает следующим образом: транспортируемый газ поступает на компрессорную станцию по газопроводу низкого давления 1, где он компримируется нагнетателем магистральных газопроводов 2. Далее транспортируемый газ по напорному трубопроводу подается в охладитель транспортируемого газа 9, охлаждающего его перед подачей в отводящий магистральный газопровод 5. Отработанный газ из газотурбинного привода 6 подается на вход турбодетандера 4 для совершения полезной работы. К валу турбодетандера 4 подключается полезная нагрузка 8, в качестве кото-

94

рой может использоваться генератор для выработки электроэнергии. Потом отработанный газ попадает в тракт выхлопа и выбрасывается в атмосферу.

Для проведения параметрического анализа составлена математическая модель энергоустановки1.

1. Общие исходные данные: массовый расход отработанного газа ggas ; температура отработанного газа на входе из ГТУ

tvxgas ; КПД турбодетандера t ; КПД электродвигателя el ; коэффициент адиабаты k ; универсальная газовая постояннаяR ; степень понижения давления на турбине t .

2. Расчет параметров турбогенератора. 2.1. Температура газа выходе из турбины

2.2. Удельная работа турбины

Lt t Ladt ,

где Ladt ktkt 1 R Tvyxt 1 t 1ktkt 1 . 2.3. Выходная мощность турбины

Nt gt Lt .

2.4. Вырабатываемая электрическая мощность

Nel Ngen el .

1Разработка газотурбинной установки для утилизации нефтяного газа

свыработкой электрической и тепловой энергии на малодебитных месторождениях / О.А. Зуева, Н.Л. Бачев, Р.В. Бульбович, А.М. Клещевников // Нефтя-

ное хозяйство. 2014. № 1. С. 98–101.

95

УДК 62-9

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В УТИЛИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

Ю.Ю. Фролов, Н.Л. Бачев, Р.В. Бульбович

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: yrsyrsfrolov@gmail.com

При создании высокоресурсной утилизационной малоэмиссионной камеры сгорания (КС) энергоустановок для утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ) и других техногенных газов требуется определение оптимальных параметров при различных схемах организации внутрикамерного процесса. Особое внимание следует уделять процессам запуска газотурбинной установки на малодебитных месторождениях и работе КС в реальных условиях эксплуатации. В данной работе рассмотрена нестационарная двумерная модель рабочего процесса, позволяющая прогнозировать поля течения, давления, температуры, коэффициента избытка окислителя, концентраций окислителя, горючего и продуктов сгорания по объему КС при сжигании гомогенных и гетерогенных газовоздушных смесей с различными схемами подвода окислителя и горючеговреальныхусловияхэксплуатации.

Ключевые слова: утилизационная КС, уравнение сохранения, модель турбулентного горения, граничные условия, дискретный аналог.

Рассматривается цилиндрическая многозонная КС, в которой зона горения обеспечивает устойчивость процесса, а зоны разбавления служат для обеспечения необходимых параметров на входе в газовую турбину. Процессы в газовой смеси рассматриваются в подходе Эйлера. Система уравнений рабочего процесса рассматривается с позиции обобщенного закона сохранения [1]

t ( Ф) х VxФ 1r r r Vr Ф

97

где конкретный вид коэффициента переноса Г и источникового члена S зависит от смысла переменной Ф (таблица).

Коэффициенты переноса и источникового члена в обобщенном законе сохранения

производительность химической реакции горения; , – эффективные вязкость и теплопроводность, определяемые по турбулентной модели Смагоринского [2]; Сp – изобарная теплоемкость;

0,9 – эффективное число Шмидта; Km0 – стехиометрическое соотношениекомпонентов; – коэффициентизбыткавоздуха.

98

При Ф 1; Г 0 ; S 0 обобщенное уравнение сохранения представляет собой уравнение неразрывности.

Граничные условия для определения параметров рабочего процесса определяются следующим образом. Во входном сечении КС (х = 0) Vx (0,r,t) , Vr (0,r,t) задаются в соответствии

с параметрами и схемой расположения газовых форсунок. Температура Т(0,r,t) определяется по условиям подачи воздуха

и топливного газа. Концентрация горючего Сг (0,r,t) определяется в соответствии со схемой расположения форсунок горючего (гетерогенная смесь) и Сг (0,r,t) Km0 1 1 (гомогенная

смесь). При условии отсутствия продуктов сгорания во входном сечении (0,r,t) Сг (0,r,t) .

На оси симметрии (r = 0) реализуются условие непротекания Vr (x,0,t) 0 и равенство нулю нормальных производных:

вторичного воздуха в зоны разбавления реализуются условия протекания в соответствии с параметрами и схемой расположения узлов подвода. При определении температурных полей за-

дается градиент температуры Т(x, R,t) или коэффициент теп-

r

лообмена между продуктами сгорания и стенкой. При определении концентрации горючего и смесевой доли задается условие

отсутствия потоков через стенку Cг (x, R,t) (x, R,t) 0 .

r r

На выходе из КС (x = L) граничные условия по всем переменным восстанавливаются в процессе итерационного цикла при решении дискретных аналогов.

99

Скорость турбулентного горения определяется по выражению [3]

WAw K min Cг , KСо ,

m0

где Со – концентрация окислителя в топливовоздушной смеси;

K – кинетическая энергия турбулентности; – скорость диссипации кинетической энергии турбулентности; константа скорости турбулентного горения Aw 2...4 .

Объем КС разбивается на систему контрольных объемов (i, j) с размерами dx, dr, где i, j – порядковые номера контрольных объемов по направлениям x, r соответственно.

Дискретные аналоги получаются интегрированием дифференциальных уравнений сохранения по контрольным объемам (i, j) за промежуток времени dt. Система дискретных аналогов решается с использованием алгоритма типа SIMPLER методом продольнопоперечной прогонки по осевому и радиальному направлениям. Для обеспечения устойчивости численной процедуры на каждом шаге по времени используется нижняя релаксация. В качестве критерия сходимости процесса итерации используется величина невязки дискетных аналогов уравнения сохранения. Для реализации граничных условий введена система фиктивных ячеек по всем границамдвухмернойрасчетнойобласти.

Библиографический список

1.Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 152 с.

2.Бачев Н.Л., Бетинская О.А., Бульбович Р.В. Стационарная трехмерная модель горения топливных газов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическаятехника. – 2015. – №41. – С. 103–119.

3.Лебединский Е.В., Калмыков Г.П., Мосолов С.В. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование / подред. А.С. Коротеева. – М.: Машиностроение, 2008. – 512 с.

100