С М Ванеев - Вихревые и струйно-реактивные расширительные турбомашины - страница 1

Страницы:
1  2 

ПРИКЛАДНА ГІДРОАЕРОМЕХАНІКА І ТЕПЛОМАСООБМІН

УДК 621.165

ВИХРЕВЫЕ И СТРУЙНО-РЕАКТИВНЫЕ РАСШИРИТЕЛЬНЫЕ ТУРБОМАШИНЫ

Ванеев СМ., канд. техн. наук, доцент

Сумский государственный университет

В статье рассмотрены струйно-реактивные и вихревые турбины и возможности применения их в качестве пневмоприводов шаровых кранов магистральных газопроводов и турбогенераторов для утилизации потенциальной энергии сжатого газа или пара. Даны некоторые результаты экспериментальных исследований струйно-реактивных турбин.

Для безопасной эксплуатации магистральных газопроводов актуальной является задача создания пневматического (газового), эффективного, надежного и удобного в эксплуатации привода.

В соответствии с требованиями "Газпрома" приводы шаровых кранов, устанавливаемых на компрессорных станциях и на линейной части магистральных газопроводов, должны использовать в качестве рабочего тела неподготовленный (непосредственно из трубы) природный газ и обеспечивать управление краном при давлении газа на входе в привод от 1,5 МПа до максимального (PN 6,4; 8,0; 10 и 16 МПа). При этом температура газа на входе в привод может изменяться в пределах от -30°С до +80° С, окружающего воздуха - от -60° С до +45° С.

Такие сложные требования практически полностью исключили возможность использования для кранов с диаметрами проходного сечения DN>300 мм чисто пневматических (газовых) приводов объемного принципа действия (поршневых, шестеренных, ротационно-пластинчатых и др.). Это обусловлено необходимостью значительного увеличения размеров силовой части привода для обеспечения работоспособности привода на низком давлении (1,5 МПа) и излишней мощностью привода при работе на высоких (номинальных) давлениях (5,5-7,5 МПа), что приводит к возникновению аварийных ситуаций и нестабильной работе привода (с рывками и ударами) в случае закусывания или примерзания подвижных частей привода или крана с последующим срывом. Кроме того, загрязненность и влажность газа усугубляют положение, приводят к более быстрому выходу из строя пар трения.

В настоящее время на магистральных газопроводах в качестве привода шаровых кранов больших проходных сечений (DN=200 - 1400 мм) используются в основном поршневые пневмогидравлические приводы. Основными их элементами являются пневмоцилиндр, гидроцилиндр, ручной насос и блок управления. В пневмогидроприводе излишняя энергия газа рассеивается посредством гидроторможения, что обеспечивает стабильную и безударную работу привода. Однако он имеет сложную и громоздкую конструкцию, малый коэффициент полезного действия, сложен в эксплуатации, т.к. требует постоянного наличия, контроля и дозаправки масла, а в случае утечки или отсутствия масла возникают ударная работа и аварийная ситуация [1].

В области энергосбережения актуальной является задача утилизации потенциальной энергии давления сжатых газов и паров, которая безвозвратно теряется на редукторах и регуляторах давления на газораспределительных станциях (ГРС) и газораспределительных пунктах в газовой промышленности, в различных технологических процессах, в химической и других отраслях промышленности, в коммунально-бытовом хозяйстве и т.п.

Только на ГРС потери этой энергии в 1988 году составляли 109 кВт-ч/год [2]. Это имело место на более чем 3500 ГРС (на территории СНГ). В Украине в 1994 году было 1100 ГРС [3] и можно предположить, что потери энергии составляли примерно 1100-109/3500~3-108 (кВт-ч)/год. Причем на большинстве из этих ГРС возможно получение полезной мощности не более 1 МВт [3,4].

Для решения этих задач (создание безопасных пневмоприводов арматуры и утилизация потенциальной энергии давления сжатых газов и паров) могут использоваться вихревые и струйно-реактивные турбины [4­12]. Для рассматриваемых областей применения эти турбины имеют ряд несомненных преимуществ перед классическими (осевыми и центростремительными) турбинами [8, 9, 11, 12].

На рис. 1 показана конструктивная схема вихревой турбины. В вихревой турбине рабочее тело через сопло 1 поступает в проточную часть, образованную каналом 2 корпуса 3 и межлопаточными каналами 4 рабочего колеса 5, вращающегося в корпусе с малыми радиальными и торцевыми зазорами. Из проточной части газ отводится через выходное отверстие. Между соплом и выходным отверстием расположен отсекатель

6.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований вихревых расширительных турбомашин изложены в работах [4, 7, 9, 12­19].

Рисунок 1 - Конструктивная схема вихревой ступени с периферийным каналом

На рис. 2 показана конструктивная схема струйно-реактивной турбины (СРТ).

4 Л

Рисунок 2 - Конструктивная схема реверсивной струйно-реактивной турбины

Основными элементами СРТ (рис. 2) являются: подводящее устройство (простое или регулируемое сопло) 1 и ротор, состоящий из полого вала 2 с радиальными трубками 3, закрепленными на боковой поверхности вала, на концах которых имеются тяговые сопла 4. Для обеспечения реверса турбины в валу выполняется перегородка. Газ через питательное сопло подводится в полый вал ротора и далее по газовому тракту к тяговому соплу. В тяговом сопле потенциальная энергия сжатого газа преобразуется в кинетическую энергию струи, которая, истекая со сверхзвуковой скоростью из тягового сопла, создает реактивную силу и соответственно крутящий момент на валу турбины. При этом чем выше давление перед тяговым соплом, тем выше эффективность турбины. Поэтому основной задачей при повышении эффективности СРТ является минимизация потерь энергии в проточной части турбины от входа в питательное сопло до входа в тяговое сопло.

В теоретической части работ по исследованию СРТ разработаны: математическая модель течения в проточной части СРТ на пусковом режиме [20]; структура потерь энергии и КПД [21], методика расчета характеристик СРТ [22], методика проектного расчета.

На рисунках 3-7 представлены некоторые результаты экспериментальных исследований струйно-реактивных турбин различного назначения, полученные в разное время и на разных стендах.

На рис. 3 представлены зависимости силы тяги СРТ на пусковом режиме от давления на входе СРТ и диаметра критического сечения подводящего ((1крпп) сопла при постоянном диаметре критического сечения тягового сопла (сСкрт). Зависимости получены для природного газа при исследованиях СРТ в реверсивном исполнении для привода шарового крана DN 500 PN 80 [23]. На рис. 4 представлены зависимости пускового момента от давления на входе СРТ, полученные для воздуха при исследованиях на модельном стенде СРТ в нереверсивном исполнении. На этом же рис. 4 показано сравнение зависимостей: идеальной, рассчитанной для изоэнтропного процесса расширения газа в проточной части СРТ (зависимость 1); расчетной с учетом потерь энергии и утечек (зависимость 2) и экспериментальной (зависимость 3). Из рисунков 3, 4 видно, что сила тяги изменяется практически прямопропорционально давлению питания. Из рис. 4 видно, что расчетная зависимость №пуск=і(Рвх) достаточно хорошо согласуется с экспериментальной.

На рис. 6 представлены зависимости мощности, затрачиваемой на аэродинамическое сопротивление, от частоты вращения ротора для ротора СРТ по рис. 3 при прокрутке его от электродвигателя и для гладкого диска. Как видно из графика, потери энергии на аэродинамическое сопротивление для ротора СРТ существенно больше, чем для гладкого диска.

Рисунок 3 - Зависимости силы тяги тягового сопла на пусковом режиме от давления на входе СРТ (Скрт=5 мм)

МПуск. Н-м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

У

 

 

 

 

 

 

/'

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.■Л

 

і 1

 

n ї

Л 3

а я

Pвх.изб, ати

Рисунок 4 - Зависимости пускового момента от давления на входе СРТ (сІкрпі=4,265 мм, Скрт=10,5 мм)

Рисунок 5 - Зависимости расхода воздуха через тяговое сопло от давления на входе СРТ (dKpnl=5 мм, dKpm=6,5 мм)

Не.а, мВт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/ *

 

 

 

 

 

 

------

-------

 

 

 

-------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4П00

6000

іЛ......

10UUU

ZUDDO 24ППП п, пБ/мнн

- -   dqt0d  СРТ   I flPH  nPOkPdUt  иг   jnCKTPDftOBriTPrtfl)

- гладкий днем (рісчртшц $t Ьи g ил dc т ьї .

Рисунок 6 - Зависимости мощности аэродинамического сопротивления от частоты вращения ротора СРТ

На рис. 7 показаны характеристики СРТ при давлении на входе СРТ 25 ати и dкр.п=4,265 мм: идеальные характеристики, рассчитанные без учета потерь энергии в подводящем сопле (^п=1,0) и без учета утечек воздуха из проточной части турбины (аут=0,0) (см. зависимости 1); расчетные  характеристики,   рассчитанные  при  коэффициенте расхода

подводящего   сопла /^=0.97 и коэффициенте утечек 0,1 (см.

зависимости 2); на этом же рисунке показаны экспериментальные точки, полученные при исследованиях пускового момента и частоты вращения ротора СРТ на холостом ходу (3). Из рисунка видно, что экспериментальные точки достаточно хорошо совпадают с расчетными значениями.

М, Н*м; N, кВт, КПД

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r-

 

 

 

 

 

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

С М Ванеев - Вихревые и струйно-реактивные расширительные турбомашины

С М Ванеев - Результаты исследований режима холостого хода