Підвищення ефективності турбофоретичного уловлювання аерозолю масел в системах суфлірування суднових газотурбінних двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МОРСЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА

На правах рукопису

УДК 621.05

БІЛИК Борис Іванович

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТУРБОФОРЕТИЧНОГО УЛОВЛЮВАННЯ АЕРОЗОЛЮ МАСЕЛ В СИСТЕМАХ СУФЛІРУВАННЯ СУДНОВИХ ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ

Спеціальність 05.08.05 „Суднові енергетичні установки”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Миколаїв 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному морському технічному університеті імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Рижков Сергій Сергійович,

Український державний морський технічний

університет імені адмірала Макарова,

завідувач кафедри екології

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Тимошевський Борис Георгійович,

Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, завідувач кафедри двигунів внутрішнього згоряння;

доктор технічних наук, професор

Федоровський Костянтин Юрійович,

Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедри експлуатації морських суден та споруд

Провідна установа - Одеська національна морська академія Міністерства освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться „2” липня 2003 р. о 14-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.01 Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9

Автореферат розісланий „28”травня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

д-р техн. наук, професор В.Ф. Квасницький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У новому тисячолітті для світової цивілізації взагалі та України, як морської і суднобудівної держави, питання створення екологічно чистої суднової енергетики (СЕУ) набуває все більшої актуальності. Це викликано тим, що при безаварійній експлуатації суден СЕУ є основним джерелом забруднення морського середовища. Газові викиди з суден відрізняються різноманітним походженням, різним складом і параметрами. Ряд викидів має дефіцитні матеріали, вміщає високо- і низькопотенціальну енергію. Високопотенціальну енергію корисно використовують за рахунок упровадження котлів-утилізаторів. Підвищення якості очистки дозволяє не тільки зменшити забруднення навколишнього середовища, але і знизити споживання палива за рахунок утилізації низькопотенціальної енергії газових викидів, скоротити втрати дорогоцінних матеріалів.

Є перспективним створення таких газоочисних пристроїв, в яких енергопотенціал газових викидів корисно використовується в процесах уловлювання домішок. При цьому цінні домішки повертаються в технологічний ланцюг елементів СЕУ. Підвищеними потенціальними можливостями в цьому напрямі володіють випускні гази, аерозолі масел систем суфлірування газотурбінних двигунів (ГТД).

Створення найсучасніших суднових газотурбінних двигунів 4-го покоління з коефіцієнтом корисної дії більше 35 % (ГТД ДН 80, ДГ 90, ДП 73) привело до зміни витрат маслоповітряного середовища і форсування двигунів. Зміна лабіринтних ущільнень на контактні в двигунах ДГ 90 і ДН 80 знизила витрати маслоповітряної суміші більш ніж у два рази і зробила актуальною проблему створення малогабаритних статичних масловіддільників, що мають підвищену ефективність уловлювання мікрокрапель - менше 4 мкм. Підвищені вимоги до уловлювання аерозолю масел у системі суфлірування ГТД диктуються як екологічними, так і ресурсозберігаючими аспектами, що можливо досягнути за рахунок розробки методів інтенсифікації турбофоретичного переносу частинок та їх реалізації в статичних струминних масловіддільниках.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Тема дисертаційної роботи відповідає програмам і планам виконання фундаментальних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (наказ № 633 від 05.11.2002 р.) та Українського державного морського технічного університету на період 2003-2005 рр., в рамках яких виконується Держбюджетна комплексна тема № 1499 "Дослідження та інтенсифікація процесів турбо- і термофоретичного переносу дисперсної фази при очистці і розділенні робочих двофазних середовищ”, номер державної реєстрації № 0103U001794, в якій автор виступає виконавцем. Тема також відповідає планам виконання наукових робіт Державного підприємства „Науково-виробничий комплекс газотурбобудування „Зоря-Машпроект”, у рамках яких виконані базові для даної дисертаційної роботи НДДКР № 1426 „Створення, впровадження масловіддільників для ГТД ДГ 90 и ДН 80 з високою ефективністю і мінімальними масогабаритними показниками”, та № 1487 „Створення і доробка статичного масловіддільника для ГТД ДП 73”, відповідні номери державної реєстрації № 0103U001789 та № 0103U001791, де автор виступав виконавцем.

Мета і задачі дослідження

Мета роботи полягає:

у підвищенні ефективності уловлювання аерозолю масел в системах суфлірування суднових газотурбінних двигунів на основі розробки методів інтенсифікації турбофоретичного переносу;

у створенні на основі отриманих результатів малогабаритних високоефективних масловіддільників для систем суфлірування сучасних суднових газотурбінних двигунів.

Досягнення поставленої мети потребує розв'язання наступних задач:

розробки узагальненої математичної моделі процесів турбулентного відривного обтікання пластини, сітчастих коагуляторів дисперсними двофазними середовищами і розв'язання задач очистки газів на її основі;

дослідження турбофоретичного осадження частинок у відривних зонах при струминному обтіканні пластини і в сітчастих гофрованих коагуляторах та розробки методів його інтенсифікації;

розробки конструкцій малогабаритних масловіддільників з інтенсивним турбофоретичним уловлюванням мікрочастинок;

створення спеціального експериментального стенда для відпрацювання конструкцій масловіддільників для систем суфлірування газотурбінних двигунів;

випробування створених масловіддільників у складі газотурбінних двигунів.

Об'єктом дослідження є системи суфлірування суднових газотурбінних двигунів, а предметом - процеси уловлювання аерозолів масел у системах суфлірування.

Методи дослідження. Розв'язання проблеми підвищення ефективності турбофоретичного уловлювання аерозолю масел у системах суфлірування суднових газотурбінних двигунів проведено на основі системного підходу. Це дозволило складну аеродинамічну систему у вигляді двофазного середовища, що обтікає пластину і коагулятор, дослідити поступово. Спочатку як течію однофазного середовища із знаходженням турбулентних характеристик відривних зон і коагулюючих поверхонь, а потім отримані дані поширювати на двофазні течії і вивчати рух частинок. При цьому течія розділяється на окремі ділянки та процеси, що проходять, вивчаються ізольовано аналітичними, чисельними та експериментальними методами. Розв'язання диференціальних рівнянь обтікання пластини і сітчастих коагуляторів виконувалось за допомогою методу центрального інтегрування та модифікованого методу Ньютона. Експериментальні дослідження виконані за допомогою методу голографічної інтерферометрії в реальному часі, поверхневої індикації потоку, фотоелектричних фотометрів аерозолів; розрахунок концентрації дисперсної фази здійснювався ваговим методом за допомогою аналітичних фільтрів.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Уперше, для розв'язання задач турбофоретичного уловлювання частинок при струминному обтіканні пластини і в сітчастих коагуляторах суднових масловіддільників систем суфлірування, розроблено узагальнену математичну модель у вигляді транспортного рівняння переносу змінної величини, що містить диференціальні рівняння нерозривності, переносу імпульсу, зберігання енергії, а також рівняння для кінетичної енергії турбулентності і ступеня дисипації турбулентної енергії.

2. Уперше, на основі розв'язання математичної моделі і виконання експериментальних досліджень, установлено залежність змін розмірів відривної зони та інтенсивності турбофоретичного осадження частинок на гладкій пластині від швидкості її обтікання початковою ділянкою плоского струменя. Підвищення швидкості приводить до зростання кінетичної енергії турбулентності і, отже до підвищення інтенсивності турбофоретичного осадження у відривній зоні, зміни її розмірів з переміщенням точки відриву вздовж пластини. Подальша інтенсифікація осадження частинок досягається встановленням за відривною зоною на пластині не більше трьох виступів з висотою, що не перевищує товщину пограничного шару.

3. Уперше отримані на основі вирішення математичної моделі та експериментів характеристики турбулентного потоку і залежності швидкості турбофоретичного осадження частинок у сітчастих кільцевих та плоских коагуляторах від кількості рядів, розмірів сіток і швидкості проходження потоку. Інтенсифікація турбофоретичного переносу частинок досягається використанням багатошарових коагуляторів з розмірами сіток у шарах, що послідовно зменшуються по ходу потоку.

На основі отриманих наукових теоретичних та експериментальних результатів сформульовано наступне нове наукове положення: ефективність уловлювання аерозолів масел у масловіддільниках систем суфлірування суднових газотурбінних двигунів можливо підвищити шляхом комплексної інтенсифікації турбофоретичного переносу частинок у системі очищення „початкова ділянка струменя - сітчастий коагулятор” за рахунок створення нових відривних зон та розвитку поверхонь коагуляторів з різноманітними розмірами перешкод і прохідних перерізів.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується:

коректним застосуванням при розв'язанні конкретних задач математичного апарату процесів переносу одно- і двофазних середовищ і чисельних способів розв'язання диференціальних рівнянь з сучасним програмним забезпеченням (центрального інтегрування і модифікованого методу Ньютона та ін.);

адекватністю в рамках прийнятих допущень математичних моделей і реальних процесів, що відтворювалися на спеціальних стендах і вивчалися за допомогою сучасних засобів вимірювання неконтактного типу (голографічної інтерферометрії в реальному часі, поверхневої індикації потоку тощо);

задовільним якісним і кількісним збігом результатів розрахунків з експериментальними даними;

результатами випробувань та експлуатації масловіддільників у складі ГТД.

Наукове значення роботи полягає в можливості використання отриманих характеристик обтікання гладкої пластини і з виступами, сітчастих коагуляторів у вигляді розподілу швидкості, статичного тиску, кінетичної енергії турбулентності і ступені дисипації турбулентної енергії для розв'язання задач теплообміну, гідродинаміки, масопереносу тощо в дисперсних дво- і однофазних потоках.

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає в розробці:

рекомендацій на проектування малогабаритних статичних масловіддільників для ГТД четвертого покоління;

конструкцій високоякісних масловіддільників для систем суфлірування суднових ГТД ДГ 90 і ДН 80;

конструкції високоякісного масловіддільника для суднових ГТД ДП 73.

Також можливе використання розроблених масловіддільників для очистки повітря від аерозолю масел маслобаків головного циркуляційного насоса контурів атомних електростанцій.

Упровадження результатів роботи здійснено:

на Державному підприємстві „Науково-виробничий комплекс газотурбобудування „Зоря-Машпроект” почато серійне виробництво малогабаритних масловіддільників для ГТД ДП 73 з економічним ефектом на один двигун - 10 тис. грн, готується серійне виробництво масловіддільників для ГТД ДГ 90 і ДН 80;

у навчальному процесі Українського державного морського технічного університету при виконанні дипломного і курсового проектування;

у системах очистки повітря від аерозолю масел гермооболонок маслобаків головних циркуляційних насосів Південноукраїнської АЕС.

Особистий внесок здобувача полягає в створенні узагальненої математичної моделі для розрахунків турбофоретичного осадження при струминному обтіканні пластинок та коагуляторів; розробці програм і методик наукових досліджень; розробці схеми комплексної інтенсифікації турбофоретичного переносу частинок; участі в експериментальних дослідженнях масловіддільників та їх елементів і обробці результатів; розробці конструкцій турбофоретичних масловіддільників для систем суфлірування суднових ГТД та проведенні їх випробувань.

Основні наукові результати теоретичних та експериментальних досліджень отримані автором особисто. Авторська участь у загальних публікаціях перебуває в такому: дослідженні зон турбофоретичного осадження на основі розрахунків та експериментів [1], дослідженні сітчастих коагуляторів та розробці методів інтенсифікації турбофоретичного переносу [2,3], розробці конструкцій турбофоретичних масловіддільників та проведенні їх випробувань [4,5,6].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи апробовані:

на 3-й Міжнародній науково - технічній конференції „Проблеми енергозбереження та екології у суднобудуванні”, м. Миколаїв, 2002 р.;

на Міжнародній конференції „Кораблебудування: освіта, наука, виробництво, |впровадження”, м. Миколаїв, 2002 р.;

на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УДМТУ, Миколаїв, 1999-2001 рр.

Публікації. З теми дисертації опубліковані 6 наукових робіт, у тому числі 3 статті в наукових спеціалізованих виданнях і 3 доповіді в збірниках матеріалів міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів і висновків. У додатках наведені акти й інші матеріали, що підтверджують застосування результатів досліджень. Обсяг дисертації складає 229 сторінок, серед яких 140 сторінок основного машинописного тексту, 5 сторінок додатків, 103 рисунки і 8 таблиць. Бібліографія містить 129 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

двигун газотурбінний судновий ефективність

У вступі обґрунтована актуальність, сформульована мета і задачі досліджень, відображена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів. У першому розділі показано, що вентиляційні втрати масел у газотурбінних двигунах відбуваються в результаті викидів аерозолю масел із систем суфлірування. Підвищення якості очистки дозволяє не тільки зменшити забруднення навколишнього середовища, але і скоротити втрати цінних матеріалів. У сучасних суднових ГТД 3-го покоління застосовуються відцентрові суфлери і струминні статичні масловіддільники, розроблені на початку 1990-х років відділом „Газоочищення” УДМТУ під науковим керівництвом професора С.С. Рижкова.

Створення новітніх газотурбінних двигунів 4-го покоління (ГТД ДН 80 і ДГ 90, ГТД ДП 73) привело до зміни витрат маслоповітряного середовища і форсування двигунів. Підвищені вимоги до уловлювання аерозолю масел у системі суфлірування ГТД диктуються як екологічними, так і ресурсозберігаючими аспектами. Тому актуальною є задача створення малогабаритних статичних масловіддільників нового покоління, які ефективно уловлюють мікрочастинки.

Розглянуті теоретичні основи очистки газів за рахунок сил гідродинамічної природи - інерції, турбулентної дифузії, турбофорезу. Показано, що існують критичні умови для інерційного осадження частинок. Турбулентно-дифузійний перенос відбувається в каналах при русі в них турбулентних двофазних середовищ. Перенос частинок за рахунок турбофорезу відбувається в пристінних шарах під впливом градієнта пульсацій поперечної складової швидкості, і його зазнають низькоінерційні високодисперсні частинки.

Розглянуті основні механізми осадження частинок у струминних статичних масловіддільниках систем суфлірування газотурбінних двигунів. Для підвищення ефективності уловлювання аерозолів масел систем суфлірування газотурбінних двигунів найбільш перспективним слід вважати здійснення інтенсифікації переносу частинок за рахунок спільного використання сил інерції, турбулентної дифузії та турбофорезу, що сумарно можна охарактеризувати як турбофоретичне осадження. Його швидкість

vt = vin + vtd + vt, (1)

де vin, vtd, vt - відповідно швидкість осадження частинок за рахунок сил інерції, турбулентної дифузії і турбофорезу.

Сформульовані мета і задачі досліджень дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячений теоретичним дослідженням зон турбофоретичного осадження частинок при обтіканні пластини струменем і сітчастих коагуляторів. Розроблена схема комплексної інтенсифікації турбофоретичного переносу частинок (рис. 1). У ній реалізовано нові принципи інтенсифікації турбофоретичного осадження високодисперсних частинок: направлена турбулізація потоку в пристінній області за рахунок створення відривних зон; розміщення в об'ємі струминного потоку системи поверхонь у вигляді тонких пластин з виступами; генерація турбулентних пульсацій тілами багатофункціонального призначення з різноманітними розмірами перешкод і прохідних перерізів. Багатофункціональність виявляється в спроможності тіл генерувати мікровихори і коагулюванні осаджених крапель у великі об'єми рідини за рахунок капілярних сил. Розташування пластин з виступами дозволяє корисно використати для турбофоретичного осадження частинок зони, що виникають в об'ємі до сітчастого коагулятора. Для остаточної очистки від мікрокрапель до встановлених норм використовуються багатосекційні сітчасті коагулятори, причому в кожній секції міститься не менше шести рядів сіток і діаметри дротів сіток у наступних секціях менші, ніж у попередніх.

Для розв'язання задач турбофоретичного осадження частинок при струминному обтіканні пластини та в сітчастих коагуляторах уперше розроблена узагальнена математична модель процесів. Вона являє собою загальне транспортне рівняння переносу змінної величини:

, (2)

де - час; - коефіцієнти; - декартові координати (для циліндричної системи координати відповідно); - компоненти швидкості в напрямках ; - радіус у циліндричній системі (для декартових координат ); - тензор переносу; - маса рідини, інжектованої в одиницю об'єму за одиницю часу; - кількість величини , яка переноситься в інжектованій масі; - джерельний член для величини ; - член, що характеризує швидкість виведення величини.

Базова система при розв'язанні задачі турбофоретичного уловлювання аерозолів на поверхні пластини і в коагуляторах містить рівняння нерозривності (змінна величина - густина суміші), три рівняння переносу імпульсу (змінні ), рівняння збереження енергії (змінна величина - ентальпія гальмування ), а також рівняння для кінетичної енергії турбулентності і ступеня дисипації турбулентної енергії. Усі перераховані вище змінні підставляються в загальне транспортне рівняння (2) і записуються в одноманітній формі.

Для числового розв'язання диференціальних рівнянь системи (2) використаний спосіб центрального інтегрування (Nodal Point Integration), що полягає в часовій і просторовій дискретизації кожного контрольного об'єму (елемента) фізичної області. Це приводить до автоматичного задоволення рівнянь збереження і переносу імпульсу, теплоти та маси всередині всіх різницевих елементів і всієї області потоку. Початкові члени в рівняннях апроксимовані з використанням модифікованого методу Ньютона (Newton Raphson- Method). При теоретичному дослідженні процесів використана рівномірна двовимірна різнобічна сітка 16060 в декартовій системі координат (крок модифікації по осях і відповідно рівний 0,25 і 0,1 мм, ширина струменя 10 мм). Швидкість струменя в розрахунках змінювалася від 15 до 50 м/с. Досліджені випадки обтікання гладкої пластини і пластини з одним, двома, трьома і п'ятьома виступами з різноманітною висотою та кроком між ними.

На основі математичної моделі виконано розрахунок пограничного шару в зоні удару і розвороту струменя у вигляді числового розв'язання після перетворень системи рівнянь Навье-Стокса і суцільності. Установлено, що товщина пограничного шару не залежить від поздовжньої координати і постійна; її абсолютні значення не перевищують 2 % від діаметра (ширини) струменя і не впливають на інерційне осадження частинок. Отримані дані використані як початкові умови для розрахунку точки відриву на пластині засобом продовження. Чисельно розв'язано рівняння пограничного шару Прандтля. Визначені профіль поздовжньої швидкості і радіус з нульовим значенням дотичних напружень, що свідчить про відрив пограничного шару.

Уперше отриманий розподіл поздовжньої та поперечної складових швидкостей, статичного тиску, кінетичної енергії турбулентності і ступеня дисипації турбулентної енергії в області пристінної течії струменя для випадків обтікання при швидкостях від 15 до 50 м/с (рис. 2). Розрахунки підтвердили відрив пограничного шару з утворенням зворотних течій (області негативних значень повздовжньої швидкості) і великих вихрових об'ємів над поверхнею зі значним турбулентним енергетичним потенціалом (див. рис. 2). Уперше встановлено, що початкові і кінцеві розміри цих областей зміщуються вздовж координати Х (вздовж руху) по мірі зростання швидкості, що видно з графіків розподілу поздовжньої і поперечної складових швидкості.

Так, при uxf = 15 м/с (див. рис. 2, а) ця область припадає на значення Х = (3,0...3,5) b0. Для швидкості uxf = 25 м/с (див. рис. 2,б) координати відривної зони зміщаються і при падають на Х = (3,5…4,0)b0. Збільшення швидкості до 50 м/с (див. рис. 2,в) зміщає відривну зону до розмірів Х = (4,5…5,0)b0. Високі значення швидкості свідчать про можливість значного турбофоретичного переносу, що також підтверджує значний потенціал кінетичної енергії турбулентності у відривній зоні. Із зростанням швидкості кінетична енергія турбулентності зростає в значно більшій мірі, ніж швидкість, і при 50 м/с вона досягає 110 замість 9 м2 / с2 при 15 м/с.

Важливою особливістю задач газоочищення є втягнення у вихровий рух не тільки пристінних шарів, але й основного потоку, що містить частинки. Тому в задачах інтенсифікації переносу частинок застосовують виступи на обтічній поверхні, висота яких може виходити за межі пограничного шару. Виконано розрахунки по обтіканню пристінним струменем пластини, що має від одного до п'яти виступів при початкових швидкостях 15, 25 і 50 м/с. Характерні графіки процесу для випадку трьох виступів наведені на рис. 3. Крок між виступами складав від 0,9 до 1,8 b0, висота - до 2,5 товщини пограничного шару. Результати розрахунків показали істотний вплив виступів на гідродинамічну обстановку. За першим виступом виникає відривна зона, розміри якої не

Рис. 3. Розподіл поздовжньої uyf = U (а) і поперечної uyf = V (в) складових швидкості, ступеня дисипації турбулентної енергії Е (б) та кінетичної енергія турбулентності К (г) при обтіканні пластини з трьома виступами в області пристінної течії струменя у фоновій цифровій гамі при швидкості 25 м/с залежать від швидкості обтікання і припадають на координати - Х = (2,0…2,5)b0. Найбільший потенціал турбулентної кінетичної енергії спостерігається за першими двома виступами, в подальшому він знижується. Зона відриву, що виникла природним шляхом, залишається незмінною, навіть при розміщенні виступів усередині неї. Виступи доцільно встановлювати тільки за відривними зонами. Їхня кількість - не більше трьох при кроку 1,5 b0 і висоті до 2,5.

Уперше отримані на основі розв'язання математичної моделі розподіл поздовжньої і поперечної складових швидкості, статичного тиску, кінетичної енергії турбулентності і ступеня дисипації турбулентної енергії в сітчастих коагуляторах з двох, шести та 24 і 40 рядів сітки. Розрахунки при швидкості 15 м/с підтвердили високий рівень кінетичної турбулентної енергії і стабілізацію профілю швидкості та кінетичної енергії турбулентності за дванадцятим рядом сіток. Значний потенціал зберігається по всьому перерізу коагулятора, аж до його останніх рядів. Це свідчить про існування умов для інтенсивного турбофоретичного переносу частинок до поверхні при збільшенні числа рядів до 40 і більше.

Третій розділ присвячений інтенсифікації турбофоретичного осадження частинок в елементах масловіддільників систем суфлірування суднових ГТД. Реальні процеси відтворювалися на спеціальних стендах і вивчалися за допомогою сучасних засобів вимірювання неконтактного типу (голографічної інтерферометрії в реальному часі, поверхневої індикації потоку тощо).

Для дослідження осадження частинок застосована установка з генератором високодисперсних частинок і засоби визначення ефективності за допомогою аналітичних фільтрів та фотоелектричних лічильників частинок і фотометрів аерозолів. Оцінено похибку вимірів. Досліджене осадження частинок у відривній зоні пластини, яку обтікає початкова ділянка плоского струменя. Підтверджено, що за рахунок турбофоретичних сил осаджуються частинки з діаметрами, на порядок меншими, ніж у зоні інерційного осадження. Визначені швидкості турбофоретичного осадження частинок у відривній зоні, уточнені розміри зони осадження.

Уперше встановлено, що збільшення швидкості обтікання збільшує розміри зони осадження і зміщує її вздовж осі (рис. 4). Це підтверджує розрахункові значення (див. рис. 2) та отримані інтерферографи процесу обтікання. Інтенсифікація турбофоретичного осадження частинок досягається збільшенням швидкості витікання струменя і зниженням відстані до пластини менш однієї ширини (діаметра) струменя.

Досліджено турбофоретичне осадження частинок на пластині за штучними генераторами відривних зон. Визначена залежність швидкості осадження частинок за виступами від розмірів виступів і швидкості обтікання їх потоком. Установлено, що розміщення виступів у природній відривній зоні не дасть позитивного ефекту, виступи доцільно розміщувати за відривними зонами, не допускаючи їхнє злиття. Починаючи з другого після відривної зони виступу, швидкість осадження частинок спадає (рис. 5). Інтенсифікація турбофоретичного осадження частинок за штучними генераторами відривних зон досягається збільшенням швидкості їх обтікання і розміщенням паралельно розташованих пластин з виступами.

Досліджене осадження частинок у кільцевих і плоских сітчастих коагуляторах, визначено швидкість осадження в залежності від швидкості потоку, числа рядів і діаметра дротів сіток. Щоб досягти раціональних значень з ефективності уловлювання мікрочастинок та енергетичних затрат на очистку, доцільно застосувати коагулятор, що зроблений з послідовно розташованих багатошарових рядів сіток з різноманітними діаметрами дротів (номерами сіток). Причому спочатку доцільно розміщувати більші сітки, а після цього послідовно зменшувати їхні діаметри. Це дозволить використати послідовно для уловлювання частинок менше 4 мкм сітки з номерами 0,25 і 0,1, що мають не такий великий аеродинамічний опір, а для капель менше 1 мкм - високоефективні коагулятори з дрібних сіток (з номерами 0,009 і 0,004), які мають більш високий опір. У вихідних рядах коагулятора доцільно використати ті ж сітки, що і на вході для створення сприятливих умов щодо винесення скоагульованих крапель з метою виключення їхнього дробіння і вторинного виносу. При використанні кільцевих коагуляторів така послідовність реалізується наступним чином: коагулятор збирається у вигляді декількох секцій. На першій секції встановлюється до 20 рядів сітки № 0,25 …0,1, щоб виконати очистку від основної маси частинок - як від великих у струминному ступеніі, так і від частини дрібних. Після цього встановлюється по ходу газу нова секція, в якій застосовуються сітки з різноманітними діаметрами - від 0,1 до 0,004 з кількістю рядів у секції до 60. Число секцій - до двох-трьох. В останній секції коагулятор має не менше чотирьох рядів сітки № 0,1…0,25 у вихідному перерізі. Кількість рядів сітки вибирається в залежності від вимог до ступеня очистки і допустимих енерговитрат.

Виконано дослідження плоского коагулятора, що збирається з рядів сіток з різноманітним діаметрами. Так, досліджувався 30 - рядний коагулятор, що послідовно містить: 8 рядів сіток № 0,25; 12 рядів сіток № 0,1; 4 ряди сіток № 0,009 і 6 рядів сіток № 0,25. Результати досліджень показали, що в коагуляторах можна повністю уловлювати частинки діаметром більше 1 мкм.

Четвертий розділ присвячений розробці і впровадженню малогабаритних масловіддільників для сучасних ГТД. На базі розроблених засобів інтенсифікації турбофоретичного переносу частинок розроблена раціональна технологічна послідовність робочих процесів з очистки для малогабаритних масловіддільників систем суфлірування суднових ГТД. Вона містить стадії: осадження великих крапель масел за рахунок сил інерції при обтіканні пластини початковою ділянкою струменя; утворення плівки масла на поверхні пластини з наступним її відводом за рахунок капілярних сил і сили тяжіння; турбофоретичне осадження високодисперсних частинок у відривних зонах, що створюються виступами, і в коагуляторах з наступним коагулюванням уловлених частинок за рахунок капілярних сил; винесення крапель з коагуляторів потоком з їх організованим осадженням за рахунок сили тяжіння або інерції на криволінійних поверхнях; вилучення вловленого масла й очищеного газу.

На основі узагальненої технологічної послідовності створені дві конструкції малогабаритних масловіддільників, що охоплюють широкий інтервал витрати забрудненого газу, і вимоги до ефективності очистки. Перша конструкція (рис. 6) заснована на використанні кільцевого сітчастого коагулятора, а друга - плоского (рис. 7). У кожній конструкції встановлені в порожнині між струминним ступенем і коагулятором плоскі пластини з виступами і багатошарові коагулятори з рядами сіток з діаметром, що послідовно зменшується.

Здійснено вибір модельного робочого середовища для досліджень створених масловіддільників - аерозоль масел з параметрами, близькими до систем суфлірування. Розроблено експериментальний стенд для випробувань масловіддільників систем суфлірування суднових ГТД, що дозволяє отримувати витрату маслоповітряного середовища 50...1700 м3/г і концентрацію масла до 1,5 кг/м3 з температурою суміші до 120 оС. Складено програму і методику випробувань масловіддільників.

Виготовлені дослідні зразки малогабаритних масловіддільників для ГТД ДГ 90, ДН 80 і ДП 73. Виконані стендові випробування показали, що коефіцієнт сумарної ефективності очистки перевищує 99,9 % на всіх режимах.

Розроблено схему проведення натурних випробувань масловіддільників у складі ГТД. Виконані натурні випробування дослідного та серійних зразків масловіддільника для ГТД ДП 73 в складі двигунів ДП 73. Вони показали, що в інтервалі від холостого ходу до номінального навантаження ГТД коефіцієнт сумарної ефективності очистки перевищує 99,99 %; аеродинамічний опір складає від 5,4...8,4 кПа.

Розроблено рекомендації на проектування малогабаритних статичних масловіддільників для суднових ГТД четвертого покоління. Вони дозволяють створювати масловіддільники для ГТД ДГ 90 і ДН 80, ДП 73, а також для маслобаків гермооболонок АЕС. На основі цих рекомендацій в Центрі НДДКР „Машпроект” випущено робочу документацію на масловіддільник для ГТД ДП 73, розпочато його серійне виробництво в ДП НВКГ „Зоря-Машпроект”. Готується серійне виробництво масловіддільників для ГТД ДН 80 та ДГ 90. Економічний ефект від упровадження на один двигун складає 10 тис. грн.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичні та експериментальні дослідження турбофоретичного осадження частинок при струминному обтіканні пластини та в сітчастих коагуляторах,

що дозволило створити високоефективні масловіддільники для систем суфлірування сучасних суднових ГТД. Це виявляється в наступному:

1. Уперше для розв'язання задач турбофоретичного уловлювання частинок при струминному обтіканні пластини і сітчастих коагуляторів в елементах статичних масловіддільників систем суфлірування суднових ГТД розроблено узагальнену математичну модель, що розв'язується за допомогою методу центрального інтегрування і модифікованого методу Ньютона. На її основі виконаний розрахунок пограничного шару в зоні удару і розвороту струменя та пристінної течії з визначенням точки відриву прикордонного шару. Встановлено, що зона відриву зростає по мірі підвищення швидкості та зміщається вздовж осі. Розрахункові дані підтверджено експериментально за допомогою методу голографічної інтерферометрії у реальному часі.

2. Виконано розрахунок характеристик турбулентного струминного потоку в області пристінної течії за наявності виступів від одного до п'яти і швидкостей повернутого струменя від 15 до 50 м/с. Розрахунки підтвердили відрив пограничного шару за виступами з утворенням значних вихрових об'ємів над поверхнею з великим турбулентним енергетичним потенціалом.

3. Уперше на основі створеної математичної моделі виконано розрахунок турбулентних характеристик у сітчастих коагуляторах. Установлено, що розподіл поздовжньої і поперечної складових швидкості, статичного тиску, кінетичної енергії турбулентності і ступеня дисипації турбулентної енергії стабілізується за 12-м рядом коагулятора. Збільшення числа рядів коагулятора приводить до додаткової генерації турбулентної енергії. Розрахунки підтверджені експериментально - шляхом вивчення кінограм інтерферограм.

4. Розроблено схему комплексної інтенсифікації турбофоретичного переносу частинок у системі очищення „початкова ділянка струменя - сітчастий коагулятор” за рахунок: створення додаткових відривних зон на пластині; розміщення в об'ємі струминного потоку системи поверхонь у вигляді тонких пластин з виступами; генерації турбулентних пульсацій тілами багатофункціонального призначення (коагуляторами) з різноманітними розмірами перешкод і прохідних перерізів в об'ємі поверхні осадження.

5. Реалізовано експериментальні установки для дослідження обтікання пластини і сітчастих коагуляторів одно- і двофазними середовищами. Для вивчення обтікання однофазним середовищем використаний спосіб голографічної інтерферометрії в реальному часі. Для дослідження осадження частинок застосована установка з генератором високодисперсних частинок і засоби визначення ефективності за допомогою аналітичних фільтрів та фотоелектричних лічильників частинок і фотометрів аерозолів. Оцінено похибку вимірів.

6. Досліджено турбофоретичне осадження частинок у відривній зоні пластини при обтіканні початковою ділянкою плоского струменя. Підтверджено, що за рахунок турбофоретичних сил осаджуються частинки, діаметри яких на порядок менші, ніж у зоні інерційного осадження. Уперше встановлено, що зростання швидкості обтікання збільшує розміри зони осадження і зміщує її вздовж осі, що також підтверджено теоретичними розрахунками. Інтенсифікація осадження частинок за рахунок турбофоретичних сил досягається збільшенням швидкості витікання струменя до 50 м/с і зниженням відстані до пластини менше однієї ширини сопла.

7. Досліджено турбофоретичне осадження частинок на пластині за штучними генераторами відривних зон. Визначена залежність швидкості осадження частинок за виступами від розмірів виступів і швидкості їх обтікання потоком. Інтенсифікація турбофоретичного осадження частинок за штучними генераторами відривних зон досягається збільшенням швидкості їх обтікання і розміщенням на пластині не більше трьох виступів.

8. Досліджено турбофоретичне осадження частинок у кільцевих і плоских сітчастих коагуляторах, визначено особливості осадження в залежності від швидкості потоку, числа рядів і діаметра дротів сіток. Уперше показано, що інтенсифікація турбофоретичного осадження частинок при допустимих енерговитратах досягається застосуванням коагуляторів, виконаних з послідовно розташованих багатошарових рядів сіток з різними діаметрами: спочатку розміщуються більші сітки, а після цього зменшують їхні діаметри. Визначені раціональні характеристики таких коагуляторів, що використані при проектуванні суднових масловіддільників.

9. Розроблено раціональну технологічну послідовність робочих процесів та рекомендації на проектування малогабаритних статичних масловіддільників для суднових ГТД четвертого покоління. На їх основі створено дві конструкції малогабаритних масловіддільників: з кільцевим сітчастим коагулятором і з плоским. У кожній конструкції встановлені в порожнині між струминним ступенем і коагулятором плоскі пластини з виступами та багатошарові коагулятори з рядами сіток з діаметрами, які послідовно зменшуються.

10. Виготовлені дослідні зразки малогабаритних масловіддільників і виконані їх стендові та натурні випробування, які показали, що коефіцієнт сумарної ефективності очистки перевищує 99,99 %. Результати досліджень упроваджено на Державному підприємстві „Науково-виробничий комплекс газотурбобудування „Зоря-Машпроект””; Південноукраїнській АЕС і в навчальному процесі УДМТУ. Економічний ефект від упровадження масловіддільників на один двигун складає 10 тис. грн.

ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рыжков С.С., Билык Б.И. Исследование зон турбофоретического осаждения частиц в пограничном слое пластины обтекаемой струей // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - № 7(385). - С. 100-110.

2. Рыжков С.С., Билык Б.И. Интенсификация инерционно-турбофоретического улавливания высокодсперсных аэрозолей в коагуляторах газоочистных устройств // Зб. наук. праць УДМТУ. Миколаїв: УДМТУ, 2002. - № 8(386). - С. 66-76.

3. Рыжков С.С., Билык Б.И. Повышение термофоретической очистки воздуха от аэрозолей маслобаков судовых турбин // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2003. - № 1(387). - С. 70-79.

4. Рыжков С.С., Билык Б.И. Повышение эффективности турбо- термофоретического улавливания масляного аэрозоля от маслобаков судовых турбин // Материалы 3-й Международной научно-технической конференции „Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении”. - Николаев: УДМТУ, 2002. - С. 63-65.

5. Рыжков С.С., Билык Б.И. Интенсификация улавливания высокодисперсных аэрозолей за счет градиента температур // Материалы 3-й Международной научно- технической конференции „Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении”. - Николаев: УГМТУ, 2002. - С.65-66.

6. Рыжков С.С., Билык Б.И. Проблемы очистки воздуха машинных отделений судов с ядерными энергетическими установками // Матеріали Міжнародної конференції „Кораблебудування: освіта, наука, виробництво”. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - С. 162-164.

АНОТАЦІЯ

БІЛИК Б.І. Підвищення ефективності турбофоретичного уловлювання аерозолю масел в системах суфлірування суднових газотурбінних двигунів.

Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.05 „Суднові енергетичні установки”. - Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2003.

Мета роботи полягає в підвищенні ефективності уловлювання аерозолю масел у системах суфлірування суднових газотурбінних двигунів на основі розробки методів інтенсифікації турбофоретичного переносу та створенні на базі отриманих результатів малогабаритних високоефективних масловіддільників для систем суфлірування сучасних суднових газотурбінних двигунів. На основі отриманих наукових теоретичних та експериментальних результатів доведено, що ефективність уловлювання аерозолів масел у масловіддільниках систем суфлірування суднових газотурбінних двигунів можливо підвищити шляхом комплексної інтенсифікації турбофоретичного переносу частинок у системі очищення „початкова ділянка струменя - сітчастий коагулятор” за рахунок створення нових відривних зон та розвитку поверхонь коагуляторів з різноманітними розмірами перешкод і прохідних перерізів. Результати роботи впроваджено на сучасних суднових ГТД четвертого покоління.

Ключові слова: системи суфлірування суднових газотурбінних двигунів, турбофоретичні сили, масловіддільники, ефективність очистки.

АННОТАЦИЯ

БИЛЫК Б.И. Повышение эффективности турбофоретического улавливания масляного аэрозоля в системах суфлирования судовых газотурбинных двигателей.

Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 ”Судовые энергетические установки”. - Украинский государственный морской технический университет имени адмирала Макарова, Николаев, 2003.

Цель работы является повышение эффективности турбофоретического улавливания масляного аэрозоля в системах суфлирования судовых газотурбинных двигателей и создание на базе полученных результатов малогабаритных высокоэффективных маслоотделителей для систем суфлирования современных судовых газотурбинных двигателей. Впервые для решения задач турбофоретического улавливания масляного аэрозоля в системах суфлирования судовых ГТД разработана обобщенная математическая модель в виде общего транспортного уравнения переноса переменной величины, включающая в себя дифференциальные уравнения неразрывности, переноса импульса, сохранения энергии, а также уравнения для кинетической энергии турбулентности и степени диссипации турбулентной энергии. На основе решения уравнений математической модели и выполнения экспериментальных исследований установлена зависимость изменения размеров отрывной зоны и интенсивности турбофоретического осаждения частиц на гладкой пластине и пластине с выступами от скорости ее обтекания начальным участком плоской струи. Увеличение скорости приводит к росту размеров зоны и смещению точки отрыва и увеличению интенсивности осаждения. Интенсификация турбофоретического осаждения частиц достигается установкой не более трех выступов на пластинах с высотой, не превышающей толщину пограничного слоя. На основе решения уравнений математической модели и выполнения экспериментов, получены гидродинамические характеристики турбулентного потока и зависимости скорости турбофоретического осаждения частиц в сеточных кольцевых и плоских коагуляторах от количества рядов, размеров сеток и скорости прохождения потока. Интенсификация турбофоретического переноса частиц при приемлемых энергетических затратах достигается применением многослойных коагуляторов с последовательно уменьшающимися по ходу потока размерами сеток в слоях.

На основе полученных научных теоретических и экспериментальных результатов доказано, что эффективность улавливания масляных аэрозолей в системах суфлирования судовых газотурбинных двигателей можно повысить путем создания дополнительных турбофоретических поверхностей осаждения в элементах проточной части маслоотделителей в виде тонких пластин с выступами и тел многофункционального назначения (коагуляторов) с различными размерами препятствий и проходных сечений по ходу очищаемого потока.

Практическое значение полученных результатов работы состоит в разработке:

рекомендаций на проектирование малогабаритных статических маслоотделителей для ГТД четвертого поколения; конструкций малогабаритных высокоэффективных маслоотделителей для систем суфлирования ГТД ДГ 90 и ДН 80; конструкции малогабаритного высокоэффективного маслоотделителя для ГТД ДП 73. . Результаты работы внедрены на современных судовых ГТД четвертого поколения.

Ключевые слова: системы суфлирования судовых газотурбинных двигателей, турбофоретические силы, маслоотделители, эффективность очистки.

SUMMARY

BILYIK B.I. Efficiency increase of turbophoretic aerosol oil catching in breathing ship systems of gas turbine engines.

The manuscript. A thesis for a degree of the candidate of technical science on speciality 05.08.05 - marine power plants. - Ukrainian State Maritime Technical University named of admiral Makarov, Mikolayiv, 2003.

The purpose of the dissertation is efficiency increase of turbophoretic aerosol oil catching in breathing ship systems of gas turbine engines and creation of small-sized highly effective oil separators for breathing systems of modern ship gas turbine engines on the basis of the received results.

On the basis of the received scientific theoretical and experimental results it is proved, that efficiency of catching of oil aerosols in breathing ship systems of gas turbine engines can be increased by additional creation of turboforetic surfaces of sedimentation in the elements of a flowing part of oil separators as thin plates with ledges and bodies of multipurpose assignment (coagulators) with various obstacle sizes and through passage sections on a course of cleared stream. The results of work are introduced on modern ship GTD of fourth generation.

Key words: breathing ship systems of gas turbine engines, turbophoretic forces, oil separators, efficiency of clearing.

Размещено на Allbest.ru