ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2021
Просмотров: 1417
Скачиваний: 4
ЕНЕРГЕТИЧНІ
ТА
ТЕПЛОТЕХНІЧНІ
ПРОЦЕСИ
Й
УСТАТКУВАННЯ
2
3,5
4
4,5
5
5,5
3
4
5
6
7
8
9
10
K
s
z
l
K (
Q)
z
мкз
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
Х
5
6
2
3
4
1
Рис
. 5.
Сравнение
результатов
расчета
коэффициентов
концентрации
осевых
напряжений
по
МКЭ
с
расчетами
по
приближенным
формулам
Выводы
Величины
коэффициентов
концентрации
,
определенные
по
приближенным
формулам
(
кривые
2
и
3
,
рис
. 5)
и
при
решении
осесимметричной
задачи
по
МКЭ
(
кривые
4
и
6
,
рис
. 5),
отличаются
при
равнозначных
условиях
по
геометрии
в
пределах
(3–10) %.
Это
позволяет
считать
возможным
использование
в
большинстве
случаев
,
при
определении
коэффициентов
концентрации
,
приближенных
методов
.
Слишком
большой
диапазон
между
величинами
коэффициентов
концентрации
для
крайних
и
промежуточных
канавок
по
методу
ВТИ
представляется
нелогичным
при
сравнении
с
другими
рассмотренными
методами
.
В
особо
критических
случаях
имеет
смысл
использование
результатов
по
расчетам
МКЭ
(
кривая
6
,
рис
. 5),
как
дающих
наиболее
консервативный
результат
.
Список
л
итературы
: 1.
Нейбер
,
Г
.
Концентрация
напряжений
[
Текст
] /
Г
.
Нейбер
. –
М
.-
Л
.:
ОГИЗ
, 1947.
2
.
Петерсон
,
Р
.
Коэффициенты
концентрации
напряжений
[
Текст
] /
Р
.
Петерсон
. –
М
.:
Металлургиздат
,
1962. – 488
с
.
©
Сухинин
В
.
П
.,
Пугачева
Т
.
Н
., 2012
Поступила
в
редколлегию
15.02.12
8’2012
75
ЕНЕРГЕТИЧНІ
ТА
ТЕПЛОТЕХНІЧНІ
ПРОЦЕСИ
Й
УСТАТКУВАННЯ
УДК
621.438:669.85
А
.
В
.
РУСАНОВ
,
д
-
р
техн
.
наук
;
ИПМаш
НАН
Украины
,
Харьков
;
В
.
В
.
СОЛОВЕЙ
,
д
-
р
техн
.
наук
;
ИПМаш
НАН
Украины
,
Харьков
;
В
.
Н
.
ГОЛОЩАПОВ
,
канд
.
техн
.
наук
;
ИПМаш
НАН
Украины
,
Харьков
ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТУРБОДЕТАНДЕРА
ДЛЯ
ВОДОРОДОЖИЖИТЕЛЬНОЙ
УСТАНОВКИ
С
ТЕРМОСОРБЦИОННЫМ
КОМПРЕССОРОМ
Проведено
расчетно
-
теоретическое
исследование
трехмерных
вяжущих
течений
,
а
также
сравнительный
анализ
режимных
и
конструктивных
характеристик
входных
радиально
-
осевых
и
осевых
ступеней
турбомашины
,
установлено
термодинамическое
преимущество
радиально
-
осевого
варианта
конструкции
.
Предложена
конструкция
с
переменным
по
высоте
профилем
лопатки
и
определенны
его
основные
характеристики
.
Проведено
розрахунково
-
теоретичне
дослідження
тривимірних
в
’
язких
течій
,
а
також
порівняльний
аналіз
режимних
і
конструктивних
характеристик
вхідних
радіально
-
осьових
та
осьових
ступенів
турбомашини
,
встановлена
термодинамічна
перевага
радіально
-
осьового
варіанта
конструкції
.
Запропоновано
конструкцію
зі
змінним
по
висоті
профілем
лопатки
і
визначені
її
основні
характеристики
.
Estimated and theoretical research of three-dimensional viscous flows and comparative analysis of operational
and designed performances of inlet radial-axial and axial stages of turbomachine have been conducted. The
thermodynamical advantage of the radial-axial version of design has been defined. A version of the design with
blade profile of changeable height has been suggested and it basic performances have been defined.
Недостатком
существующих
способов
ожижения
водорода
является
значительное
потребление
электрической
энергии
.
Известно
,
что
коэффициент
ожижения
пропорционален
работе
,
выполненной
в
цикле
сжатым
газом
,
и
количеству
теплоты
,
отданному
дополнительному
холодоисточнику
.
Основной
вклад
в
энергоемкость
процесса
ожижения
вносит
процесс
компримирования
водорода
.
Следовательно
,
экономичность
ожижения
можно
повысить
путем
уменьшения
затрат
первичной
энергии
на
сжатие
газа
.
Исследования
показывают
,
что
преобразование
теплоты
,
получаемой
при
сжигании
топлива
на
тепловой
электрической
станции
в
работу
сжатия
водорода
с
помощью
механического
компрессора
I
ВУВ
-45/150
с
электроприводом
,
характеризуется
степенью
термодинамического
совершенства
равной
0,183 [1].
В
качестве
сравнения
рассмотрим
термодинамические
характеристики
сжатия
водорода
в
термосорбционном
компрессоре
(
ТСК
),
созданном
для
водородоожижительной
установки
.
Согласно
экспериментально
установленной
зависимости
ln
p
=
f
(1/
T
)
для
металлогидрида
LaNi
4,8
AlH
0,2
,
при
нагнетании
водорода
с
повышением
давления
от
0,1
до
15
МПа
обходимо
располагать
источником
теплоты
с
температурным
потенциалом
500
К
и
хладоисточником
с
температурой
293
К
[2].
Степень
термодинамического
совершенства
термохимического
способа
преобразования
теплоты
при
указанных
параметрах
в
энергию
сжатого
водорода
составляет
0,575.
Потери
работоспособности
в
отдельных
элементах
системы
при
термохимическом
сжатии
водорода
с
помощью
ТСК
,
указанные
в
процентах
от
располагаемой
работоспособности
теплоты
на
верхнем
температурном
уровне
,
приведены
на
рис
. 1.
8’2012
76
ЕНЕРГЕТИЧНІ
ТА
ТЕПЛОТЕХНІЧНІ
ПРОЦЕСИ
Й
УСТАТКУВАННЯ
V-1,1 %
VI-0,9 %
IV-1,8 %
ІІІ
-7,7 %
ІІ
-31,0 %
1-57,5 %
Рис
. 1.
Эксергетическая
диаграмма
термохимического
компримирования
водорода
:
І
–
эксергия
сжатого
водорода
;
II
–
потери
эксергии
вследствие
внешней
необратимости
(
на
верхнем
температурном
уровне
);
III
–
потери
эксергии
в
результате
несовершенства
переходного
процесса
;
IV
–
потери
эксергии
вследствие
внешней
необратимости
(
на
нижнем
температурном
уровне
);
V
–
потери
эксергии
,
обусловленные
наличием
вредного
пространства
;
IV
–
потери
эксергии
в
газораспределительной
системе
В
рассмотренном
случае
степень
термодинамического
совершенства
термохимического
сжатия
почти
в
3
раза
превышает
аналогичный
показатель
при
реализации
механического
компримирования
.
Это
объясняется
тем
,
что
термохимический
способ
исключает
ряд
промежуточных
преобразований
энергии
,
характерных
для
механического
сжатия
.
Проведенные
комплексные
экспериментальные
и
расчетно
-
теоретические
исследования
позволяют
прогнозировать
технические
характеристики
перспективных
образцов
ТСК
.
Учитывая
высокую
термодинамическую
эффективность
термохимического
сжатия
,
представляется
целесообразным
включение
металлогидридного
ТСК
в
схемы
водородоожижительной
установки
.
Металлогидридный
термосорбционный
компрессор
может
служить
не
только
базовым
агрегатом
ожижительной
или
рефрижераторной
установки
,
но
и
использоваться
в
дополнительном
холодильном
контуре
.
Это
позволяет
исключить
из
схемы
предварительное
азотное
охлаждение
.
Рис
. 2.
Схема
водородоожижительной
установки
на
базе
Т
CK:
1
–
ТСК
холодильного
контура
;
2
–
ТСК
водородоожижительного
контура
;
3
–
теплообменники
;
4
–
сосуд
для
жидкого
водорода
;
5
–
дроссельное
устройство
;
6
–
детандер
;
7
–
нагрузочное
устройство
На
рис
. 2
изображена
разработанная
схема
водородоожижительной
установки
на
базе
ТСК
.
Реализация
двухконтурной
схемы
установки
,
в
которой
в
первом
контуре
осуществляется
замкнутый
детандерный
холодильный
цикл
,
обеспечивающий
необходимое
значение
температуры
перед
дросселированием
водорода
во
втором
контуре
,
позволяет
повысить
эффективность
ожижения
при
сохранении
технически
приемлемого
значения
уровня
давления
в
установке
.
8’2012
77
ЕНЕРГЕТИЧНІ
ТА
ТЕПЛОТЕХНІЧНІ
ПРОЦЕСИ
Й
УСТАТКУВАННЯ
Теоретически
затраты
энергии
в
виде
теплоты
низкого
температурного
потенциала
на
ожижение
1
кг
водорода
в
установке
на
базе
ТСК
составляют
не
более
320
кДж
.
Кроме
того
,
исключается
необходимость
дополнительного
холодоисточника
в
виде
жидкого
азота
.
Анализ
данных
показывает
,
что
применение
термохимической
технологии
сжатия
водорода
обеспечит
снижение
металлоемкости
и
энергоемкости
компрессорного
оборудования
.
Потребление
теплоты
низкого
температурного
потенциала
для
сжатия
водорода
в
ТСК
открывает
перспективы
использования
вторичных
энергетических
ресурсов
при
ожижении
водорода
для
его
хранения
и
транспортировки
.
Применение
в
таких
схемах
термохимического
термосорбционного
компрессора
,
позволяет
использовать
низкопотенциальное
тепло
для
получения
достаточно
высокой
степени
сжатия
водорода
[
2, 3
]
.
Такое
сжатие
требует
особого
подхода
к
созданию
расширительной
машины
роторного
типа
(
турбодетандеров
)
для
водородоожижительных
установок
с
ТСК
.
Создание
турбодетандерных
установок
такого
класса
позволяет
предположить
,
что
речь
может
идти
о
высокооборотных
малых
турбинах
,
что
требует
решения
проблем
,
обусловленных
ограничением
мощности
.
Высокая
степень
сжатия
водорода
и
,
как
следствие
,
малые
удельные
объемы
движущегося
в
турбодетандере
рабочего
тела
,
накладывают
определенные
условия
,
как
на
выбор
типа
проточной
части
,
так
и
на
количество
ступеней
.
Известные
типы
ступеней
турбины
,
осевые
,
центростремительные
,
центробежные
,
позволяют
провести
выбор
рациональной
формы
проточной
части
турбодетандера
с
учетом
наиболее
рациональной
геометрии
,
обеспечивающей
высокую
экономичность
и
технологичность
.
Конструирование
лопаточных
машин
с
разными
рабочими
телами
при
сохранении
одинаковых
значений
критериев
Маха
и
Эйлера
приводит
к
значительному
увеличению
окружной
скорости
u
рабочего
колеса
при
использовании
газов
,
для
которых
характерны
большие
скорости
звука
(
Н
2
,
Не
).
Рост
скорости
u
обычно
ограничен
условиями
прочности
ступеней
.
Поэтому
турбомашины
на
легких
газах
проектируют
исходя
из
условия
снижения
значения
u
,
что
приводит
к
увеличению
числа
ступеней
.
Это
является
нежелательным
показателем
.
Поэтому
для
уменьшения
числа
ступеней
при
использовании
в
качестве
рабочего
тела
легких
газов
необходимо
выбирать
параметры
ступеней
с
учетом
увеличения
их
удельной
работы
.
С
этой
целью
рассмотрим
более
детально
вопрос
рационального
формирования
конструктивного
облика
отдельных
элементов
турбоагрегата
,
использующего
водород
в
качестве
рабочего
тела
,
для
турбодетандера
со
следующими
термогазодинамическими
характеристиками
:
полное
давление
на
входе
−
10,0
МПа
;
полная
температура
на
входе
−
293
К
;
массовый
расход
рабочего
тела
−
1,0–1,1
кг
/
с
;
степень
понижения
полного
давления
−
33;
частота
вращения
ротора
– 35000
об
/
мин
.
Для
выбора
варианта
конструкции
ступеней
турбодетандера
было
проведено
расчетное
исследование
трехмерных
вязких
течений
,
которое
выполнялось
с
использованием
программного
комплекса
FlowER
.
В
комплексе
реализованы
следующие
элементы
математической
модели
:
осредненные
по
Рейнольдсу
нестационарные
уравнения
Навье
-
Стокса
,
двухпараметрическая
дифференциальная
модель
турбулентности
SST
Ментера
,
неявная
квазимонотонная
ENO
-
схема
повышенной
точности
[3, 4].
8’2012
78
ЕНЕРГЕТИЧНІ
ТА
ТЕПЛОТЕХНІЧНІ
ПРОЦЕСИ
Й
УСТАТКУВАННЯ
Геометрическая
форма
каналов
исследуемых
ступеней
проточных
частей
разработана
с
помощью
метода
,
в
котором
профили
лопаток
описываются
кривыми
четвертого
порядка
[5].
Анализ
результатов
расчетного
исследования
позволил
определить
основные
геометрические
характеристики
ступеней
турбодетандера
.
На
рис
. 3
представлен
вид
двух
вариантов
первой
ступени
(
радиально
-
осевого
и
осевого
типов
)
и
последней
ступени
(
осевого
типа
),
а
в
табл
. 1
даны
их
основные
геометрические
характеристики
.
а
)
б
)
в
)
Рис
. 3.
Вид
исследуемых
ступеней
:
а
–
первая
ступень
радиально
-
осевого
типа
;
б
–
первая
ступень
осевого
типа
;
в
–
последняя
ступень
осевого
типа
Таблица
1
Основные
геометрические
характеристики
исследуемых
ступеней
Первая
ступень
Последняя
ступень
радиально
-
осевая
осевая
осевая
Параметр
НА
РК
НА
РК
НА
РК
Число
лопаток
40
15
40
80
18
20
Диаметр
по
входной
кромке
,
м
*
0,23 0,2 0,105
0,105
0,138
0,138
Диаметр
по
выходной
кромке
,
м
*
0,204 0,105 0,105 0,105 0,138 0,138
Высота
канала
на
входе
,
м
0,002
0,002
0,005
0,005
0,038
0,038
Высота
канала
на
выходе
,
м
0,002
0,005
0,005
0,005
0,038
0,038
Эффективный
угол
решетки
,
град
12,1 23,8 10,8 16,5 14,4 13,6
*
по
среднему
сечению
;
НА
–
направляющий
аппарат
;
РК
–
рабочее
колесо
.
В
табл
. 2
даны
интегральные
газодинамические
характеристики
разработанных
ступеней
.
Последняя
ступень
осевого
типа
имеет
достаточно
высокие
интегральные
аэродинамические
характеристики
как
по
уровню
потерь
кинетической
энергии
и
внутреннего
КПД
,
так
и
по
степени
понижения
полного
давления
.
8’2012
79