Експлуатаційні характеристики газонаповнювальних компресорних станцій з надзвуковими газовими ежекторами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний авіаційний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Експлуатаційні характеристики газонаповнювальних компресорних станцій з надзвуковими газовими ежекторами

Оніщенко Сергій Павлович

Спеціальність: 05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту

УДК 621.694.2:629.3.082.3(043.3)

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Кулик Микола Сергійович,

Національний авіаційний університет,

проректор з навчальної роботи.

Офіційні опоненти:

заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Терещенко Юрій Матвійович,

Національний авіаційний університет,

професор кафедри

кандидат технічних наук

Орлов Ігор Олегович,

ДК „Укртрансгаз”, Управління автомобільних газонаповнювальних компресорних станцій.

Провідна установа:

ВАТ Український науково-дослідний інститут авіаційної технології Міністерства промислової політики України.

Захист дисертації відбудеться ” 07 ” грудня 2005 р. о 15-00 годині в аудиторії 1.001 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.03 у Національному авіаційному університеті за адресою:

03680, м.Київ-680, просп. Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою:

03680, м.Київ-680, просп. Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий ” 03 ” листопада 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д26.062.03,

кандидат технічних наук, доцент

С.В. Павлова.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В ХХІ сторіччя світова спільнота увійшла з розбалансованим ринком нафти. США під прапором боротьби зі світовим тероризмом, вирішуючи військовими діями найважливішу для себе задачу - довготривалого забезпечення енергетичної безпеки, призвели до стагнації світової економіки за рахунок зменшення надходження нафти з Близького Сходу. Україні це загрожує знищенням експортних галузей економіки, фінансової системи країни з відповідними соціальними, політичними та економічними наслідками.

Одним із шляхів скорочення залежності України від рідинного палива є газифікація всіх видів та засобів транспорту, тому що інтернаціоналізація її газотранспортної системи дає гарантії довготривалої забезпеченості країни цим енергоносієм.

Не менш важливою проблемою є екологічна безпека країни, яка пов'язана із забрудненням довкілля промислових центрів України рухомим транспортом. Так, 70% усіх шкідливих викидів в атмосферу великих міст України складають відпрацьовані гази автомобільних двигунів, кількість яких стрімко збільшується. Це суттєво порушує хитку рівновагу у біосфері, викликає цілу низку різноманітних захворювань, впливає на репродуктивну функцію населення.

У 2000 році сумарна маса токсичних, мутагенних та канцерогенних речовин, яка надійшла до атмосфери країни з відпрацьованими газами автотранспортних двигунів склала 4560 тис. тон, а на кожного жителя припало не менше ніж 130 кг токсичних викидів. У наступні п'ять років ситуація значно погіршилась. Отже, переваги застосування природного газу з його високими екологічними властивостями як моторного палива широко відомі і не потребують додаткового обґрунтування.

У Російській Федерації активно проектується літак ТУ-155 на базі літака ТУ-154 і планується створення літака ТУ-156 для комерційних вантажних перевезень з трьома криогенними двигунами НК-89, які працюють на природному газі. Для проектування і промислового виробництва систем заправки цих літаків заплановано виділити 0,7...1,1 млн. $ на кожен літак.

Україна є лідером серед країн СНД у використанні стиснутого газу в якості транспортного палива, продаж якого втричі більший, ніж в Росії. В 67 містах країни діє розгалужена мережа з 89 газонаповнювальних компре-сорних станції (АГНКС), які належать Управлінню „ Укравтогаз” ДК „Укртрансгаз”, та 60 станцій у приватній власності. Вона тісно пов'язана з мережами АГНКС сусідніх держав, дає широкі можливості організації транскордонних „ блакитних” автошляхів, може забезпечити стиснутим природним газом в якості моторного палива до 100 тис. автомобілів, що може замінити 682,5 тис. тон бензину в рік.

Найболючіша проблема керівництва цієї компанії пов'язана з різким зменшенням продуктивності АГНКС при зменшенні величин вхідних тисків у вхідних газопроводах. З цієї причини при потенціалі в 685,2 млн. м³ за рік споживачам продається тільки близько 300 млн. м³.

Тільки заплановані збитки НАК „ Нафтогаз України” в 2003 році від неможливості повного використання можливостей АГНКС складали біля 70 млн. грн. Цю проблему вирішують за рахунок встановлення додаткових дотискуючих компресорів або шляхом переробки одного з існуючих компресорів для використання його в якості дотискуючого для інших , що потребує значних капітальних вкладень на переробку, технічне обслуговування та ремонт. Економічні показники газонаповнювальних компресорних станції при цьому значно погіршуються.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота є складовою частиною наукових досліджень, що проводяться у Національному авіаційному університеті.

Матеріали дисертаційної роботи використані при виконанні науково-дослідної роботи Міністерства освіти і науки “Розробка технологій подовження ресурсних показників двигунів з використанням автоматизованих систем супроводу їх експлуатації”, державний реєстраційний номер №151-ДБ04.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці методики розрахунку надзвукових газових ежекторів, що використовуються у якості дотискуючих струминних компресорів для удосконалення експлуатаційних характеристик сучасних газонаповнювальних компресорних станцій.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішені такі наукові задачі:

- доведено можливість використання надзвукових ежекторів як дотискуючих струминних компресорів газонаповнювальних станцій;

- розроблено математичну модель, числовий алгоритм та програму розрахунку характеристик надзвукових газових ежекторів газонаповнювальних компресорних станцій різної продуктивності;

- експериментально перевірено методику розрахунку надзвукового газового ежектора в якості дотискуючого струминного компресора;

- доведено економічну доцільність використання надзвукових газових ежекторів в якості дотискуючих струминних компресорів газонаповнювальних компресорних станцій.

Об`єктом дослідження є експлуатаційні характеристики газонаповнювальних компресорних станцій з надзвуковими газовими ежекторами при роботі в умовах зменшення тиску в газовій мережі.

Предметом дослідження є надзвуковий газовий ежектор як дотискуючий струминний компресор газонаповнювальної компресорної станції.

Методи дослідження: Розв'язання зазначених вище задач здійснено апробованими методами: прикладної газової динаміки, теорії газового ежектора, експериментальним дослідженням процесу ежектування газу в умовах додатного градіенту тиску та статистичною обробкою даних.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті виконання роботи теорія надзвукового газового ежектора з циліндричною камерою змішування набула подальшого розвитку. З цією метою:

- розроблено методику розрахунку та узагальнену характеристику для розрахунку геометричних параметрів надзвукових газових ежекторів для будь-якої енергетичної машини при наявності акумулятора високого тиску;

- отримані експлуатаційні характеристики сучасних газонаповнювальних компресорних станції з надзвуковими газовими ежекторами.

Практичне значення отриманих результатів:

- доведена можливість удосконалення експлуатаційних характеристик сучасних газонаповнювальних компресорних станцій шляхом використання надзвукових газових ежекторів;

- розроблена методика і програма розрахунку надзвукових газових ежекторів газонаповнювальних компресорних станцій з різними величинами продуктивності. Програма використовується в процесі проектування газових ежекторів для газонаповнювальних компресорних станцій та інших енергетичних установок науково-виробничою фірмою „КРОК-1”, науково-виробничою фірмою „АДРОН” та впроваджена в навчальний процес кафедри авіаційних двигунів аерокосмічного інституту Національного авіаційного університету;

- проведено розрахунково-експериментальне дослідження надзвукового газового ежектора для газонаповнювальної компресорної станції.

Результати роботи можуть використовуватись в процесі створення стабілізатора тиску газу на вході в будь-яку енергетичну машину, яка має акумулятор газу високого тиску.

Особистий внесок здобувача

Результати, висновки та рекомендації, що подані в дисертаційній роботі, є наслідком особистого вивчення і дослідження автора.

Автором розроблено методику, створено програмне забезпечення для розрахунку надзвукових газових ежекторів для газонаповнювальних компресорних станцій різної продуктивності в умовах зміни тиску в газовій мережі, отримано експлуатаційні характеристики сучасних газонаповнювальних компресорних станції при роботі з надзвуковими газовими ежекторами.

Апробація результатів дисертації

Основні положення і результати дослідження за темою дисертації доповідались та схвалені на:

- наукових семінарах кафедри авіаційних двигунів Аерокосмічного інституту Національного авіаційного університету (м. Київ, 2003-2005 рр.);

- на VI Міжнародній науково-практичній конференції „АВІА-2004” (м. Київ, НАУ, 2004 р.);

- на V Міжнародній науково-технічній конференції „ Промислова гідравліка і пневматика”, присвяченій 100-річчю з дня народження Т.М. Башти (м. Київ, НТУУ „КПІ”, 2004 р.);

- на Всесвітньому конгресі „ Безпека в авіації” (м. Київ, НАУ, 2005 р.).

Публікації. Основні результати дослідження за темою опубліковані в чотирьох статтях (одна стаття без співавторів, три - у співавторстві), які опубліковані у спеціалізованих виданнях, та в одній статті за матеріалами Міжнародної науково-технічної конференції, задоволено заявку на видачу деклараційного патенту на корисну модель за №20040402810 від 16.04.2004. За участю автора дисертації підготовлений науково-дослідний звіт.

На захист виноситься:

1. Методика розрахунку та узагальнена характеристика для розрахунку геометричних параметрів надзвукових газових ежекторів газонаповнювальних компресорних станцій.

2. Експлуатаційні характеристики газонаповнювальних компресорних станцій з надзвуковими газовими ежекторами.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (155 найменувань) і трьох додатків. Повний обсяг дисертації 125 сторінок, 6 рисунків, 11 таблиць.

1. зміст роботи

надзвуковий газовий ежектор компресор

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, що вирішується в дисертації, сформульована мета дисертаційної роботи, визначені її наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі проведено ретроспективний огляд наукової літератури і аналіз основних напрямків теоретичних та експериментальних досліджень газових ежекторів. Проаналізовано можливість встановлення надзвукового газового ежектора в технологічну схему газонаповнювальної станції як дотискуючого струминного компресора, використовуючи потік газу високого тиску з акумулятора.

Розглядаючи принципову схему надзвукового газового ежектора, яка представлена на рис.1, доведено, що в момент вмикання надзвукового газового ежектора в роботу повинен реалізовуватись критичний режим течії з рівними величинами статичних тисків потоків у вихідних перерізах сопел.

У цьому випадку, при зменшенні тиску в газовій мережі, реалізовано режим недорозширення високонапірного потоку в надзвуковому соплі з критичним режимом течії і наявністю стрибка ущільнення в камері змішування надзвукового газового ежектора.

Схемою передбачено надходження газу низького тиску з газової мережі до надзвукового ежектора через дозвукове сопло a, високонапірного газу з акумулятора через регулятор тиску в надзвукове сопло b і змішування двох потоків в камері змішування c.

Передбачено надходження суміші газів через дифузор d на вхід до компресорної установки станції. Характерними перерізами є: 0-0 - вхід в надзвукове сопло; 1-1 - вхід в камеру змішування; 3-3 - вихід з камери змішування; 4-4 - вихід з дифузора; k-k - критичний переріз надзвукового сопла. Переріз 2-2 є умовним і розглядався у вигляді моменту реалізації рівності статичних тисків струменів в камері змішування.

Усі сучасні методики розрахунку надзвукових газових ежекторів побудовані на розв'язанні основних рівнянь ежекції, які є наслідком спільного рішення рівнянь збереження маси, енергії і кількості руху для вхідних та вихідних перерізів камер змішування з урахуваннями рівнянь Майєра та стану. При цьому розглядають одномірну течію ідеальних газів, нехтуючи теплообміном та тертям між потоками змішувальних газів та конструкцією ежектора.

У загальному випадку змішування потоків з різними фізичними якостями система п'яти рівнянь ежекції має шістнадцять змінних величин. Для її розв'язання потрібно додатково додати п'ять співвідношень, які залежать від умови роботи сопел та дифузора та режиму роботи ежектора. Для цього необхідно знати процеси взаємодії потоків на початковій ділянці камери змішування.

Доведено, що в умовах газонаповнювальної компресорної станції в газовому ежекторі змішуються потоки газу однієї природи, які мають однакові тепловмісти і однакові показники адіабати .

Тому, за умови і₀'^*= і₀^* система рівнянь спрощується до вигляду:

(1)

(2)

(3)

; (4)

ф = 1 . (5)

де - показники адіабати низьконапірного та високонапірного потоків газу, відповідно;

,,,z,z,z - газодинамічні функції низьконапірного, високонапірного потоків газу та суміші, відповідно;

е = p₃* / p₀*, у = p₀'* / p₀*, ф = і₃* /і₀* - ступінь підвищення тиску, характерний відносний тиск, ступінь підвищення тепловмістів газового ежектора, відповідно;

К, б - коефіцієнт ежекції та основний геометричний розмір дифузора.

У другому розділі сформульована і розв'язана задача визначення розмірів оптимального надзвукового газового ежектора в умовах газонаповнювальної станції.

Доведено, що компресорні установки газонаповнювальної станції потребують при заданій продуктивності обов'язкового виконання умови G₄=const, p₄=const на вході. При зменшення тиску газу на ході в газовий ежектор p₁* з'являється необхідність у відповідному підвищенні тиску високонапірного потоку p₀'*. Отже, надзвуковий газовий ежектор повинен постійно забезпечувати більш високий ступінь підвищення тиску е, зменшуючи коефіцієнт ежекції K, при кожному зменшеному p₁*.

Задача оптимізації газового ежектора в умовах газонаповнювальної станції означала пошук таких геометричних розмірів, при яких кожній величині тиску в газовій мережі відповідала течія двох потоків з реалізацією K_max в нових умовах.

Оскільки швидкість у вихідному перерізі надзвукового сопла не змінюється при надкритичних перепадах тиску для газового ежектора з заданою геометрією, рівняння (1) та (2) були представлені у вигляді комплексів параметрів, які не змінюються при зміні тиску в газовій мережі:

(6)

(7)

Спільне рішення (6) та (7) має вигляд:

 (8)

Згідно (1), залежність коефіцієнта ежекції К від основного енергетичного параметра газового ежектора з незмінною продуктивністю у вигляді комплексу являє собою пряму, яка перетинає вісь при граничній величині енергетичного параметра коли К=0.

Кут нахилу прямої залежить від взаємозв'язку між величинами швидкостей , та основним геометричним параметром б.

Задача пошуку геометричних розмірів оптимального газового ежектора полягала у визначенні цього взаємозв'язку на режимі вступу газового ежектора в роботу з реалізацією та режимі очікуваного мінімального тиску в газовій мережі з реалізацією при у=у_max.

Отже,

(9)

При реалізації критичного режиму течії в дозвуковому соплі в момент включення газового ежектора в роботу в складі газонаповнювальної станції максимальна величина коефіцієнта ежекції К_max визначалась за формулою:

(10)

Для визначення максимальної величини коефіцієнта ежекції К_max з реалізацієюдля режиму початку роботи надзвукового газового ежектора були розглянуті основні рівняння ежекції (1-5) системи “ежектор-дифузор” шляхом пошуку мінімуму функції (1), яке було представлено у вигляді:

(11)

Коефіцієнт збереження повного тиску г₄ в дифузорі визначався за відомою залежністю Христиановича:

або , (12)

Де .

У роботі був використаний метод невизначених множників Лагранжа, згідно якого стаціонарні точки функції (11) знаходяться там, де нулю дорівнюють усі часткові похідні функції Лагранжа:

де Х1 та Х2 - невідомі множники.

Після диференціювання функції Лагранжа, було визначено

Знайшовши з двох перших рівнянь невідомі множники Х1 та Х2 і підставивши їх значення в останні два рівняння, були знайдені стаціонарні точки:

,(13)

(14)

(15)

(16)

Спільне рішення рівнянь (14), (15) та (16) дало можливість встановити характерні відношення повних тисків е_min і у_min на режимі початку роботи надзвукового газового ежектора, величини яких залежать від характеристики продуктивності компресорної установки.

Величина дала можливість визначитись з величиною тиску на вході в компресорну установку p₄ в момент початку роботи надзвукового газового ежектора. В подальшому ця величина тиску підтримувалась надзвуковим газовим ежектором в процесі зменшення тиску в газовій мережі p_і з врахуванням втрат в дифузорі при максимальній величині продуктивності газонаповнювальної станції.

При поступовому зменшенні тиску в газовій мережі реалізовувались схеми течії в камері змішування з режимами недорозширення в надзвуковому соплі. Реалізація критичних режимів дозволила визначити характерний відносний тиск газового ежектора у_і, який необхідно забезпечити регулятором тиску, та швидкість високонапірного потоку в перерізі 2-2, де статичні тиски змішувальних потоків газу зрівнюються при будь-якому тиску в газовій мережі p_і. Змінними також були величини е_і та К_і.

Очікувана величина є найважливішою при розрахунку геометричних параметрів газового ежектора і тому задавалась за умови реалізації максимальної величини основного енергетичного параметра газового ежектора який може забезпечити газоаповнювальна станція.

Вона характеризує критичний режим течії з мінімальною величиною коефіцієнта ежекції К_min і при відомій швидкості на виході з дозвукового сопла л_1min є розрахунковою для визначення л'_2max та у_max.

Для замикання системи рівнянь була використана теорія основного критичного режиму Ю.М. Васильєва, яка визначає взаємозв'язок між швидкостями в перерізах 1-1 та 2-2 ежектора у вигляді:

(17)

(18)

Спільним рішенням рівнянь (6), (7), (17), (18) був визначений взаємозв'язок усіх геометричних розмірів оптимального ежектора з величиною приведеної швидкості потоку суміші газу в кінцевому перерізі камери змішування л₃, від якої залежать втрати повного тиску в дифузорі і яка пов'язана з величиною розрахункової приведеної швидкості високо-напірного сопла л'_p.

В роботі представлені розрахунки всіх основних газодинамічних та геометричних параметрів надзвукового газового ежектора у вигляді залежностей л₃= л₃(е_min), л₃= л₃(е_max/е_min), л'_p=л'_p(л₃) та л'₂=л'₂(л₃), K_max=K_max(л₃) та a=a(л₃), у_min=у_min(л₃) та у_max=у_max(л₃), на базі яких створена методика розрахунку надзвукового газового ежектора для газонаповнювальної компресорної станції.

За допомогою розробленої методики створена програма розрахунку оптимальних надзвукових газових ежекторів для газонаповнювальних компресорних станцій будь-якої продуктивності. Для виконання розрахунків геометричних параметрів надзвукових газових ежекторів запропоновано узагальнену характеристику надзвукових газових ежекторів, що представлена на рис. 2. Узагальнену характеристику можна використовувати для будь-якої енергетичної машини при наявності в її технологічній схемі акумулятора високого тиску.

Ідентичність процесів і виявлений взаємозв'язок газодинамічних параметрів змішувальних газів в усіх перерізах газового ежектора дає можливість стверджувати, що потужність компресорних установок газонаповнювальної компресорної станції і загальна продуктивність потребують зміни тільки геометричних розмірів газового ежектора, які легко розраховуються за допомогою даної методики.

Базуючись на характеристиках потужних сучасних автомобільних газонаповнювальних компресорних станцій (АГНКС) на базі компресорів типу 2ГМ4 и 4ГМ2,5 російського заводу Борець та сумського заводу ім. Фрунзе, а також АГНКС-500 німецького виробництва і італійської фірми "Nuovo-Pignone" розраховані характеристики надзвукових газових ежекторів для цих станцій. Зміни продуктивності перших трьох вказаних газонаповнювальних компресорних станцій з надзвуковими газовими ежекторами при зменшенні тиску в газовій мережі.

У третьому розділі представлено опис експериментальної установки для дослідження характеристик надзвукових газових ежекторів, створеної з метою апробації методики розрахунку. Розроблена методика вимірювань та визначені основні похибки експерименту. Експериментально підтверджена методика розрахунку надзвукових газових ежекторів як дотискуючих струминних компресорів для газонаповнювальних компресорних станцій.

Оскільки експериментальні дослідження на об'єктах та установках з природним газом як робоче середовище заборонені, для апробації методики розрахунку надзвукових газових ежекторів газонаповнювальних станцій як робоче середовище використовувалось повітря.

Стиснене до тиску в 1МПа у відцентровому компресорі 1 повітря нагніталось в ресивер 2. Через систему трубопроводів, редукторів 3 та манометрів 4 загальний потік повітря розділявся на два потоки, моделюючи, відповідно, лінію високого та лінію низького тиску. Змішавшись в газовому ежекторі, повітря надходило до робочого об'єкта 5. Надалі воно скидалось в навколишнє середовище через звужувальне сопло, що змонтовано на виході з робочого об'єкта.

Робочим об'єктом був класичний надзвуковий газовий ежектор з циліндричною камерою змішування. Він складався з камери підведення високонапірного потоку 1 з датчиком вимірювання повного тиску 2, камери підведення низьконапірного потоку 3 з датчиком вимірювання статичного тиску 4, надзвукового сопла 5, камери змішування з дифузором 6, циліндричного вимірювального вузла з датчиком повного тиску 7 та звужувального сопла 8.

Конструкція робочого об'єкта передбачала модульну заміну будь-якої складової частини з метою проведення серії досліджень газових ежекторів різних розмірів. Для реалізації можливості встановлення надзвукових сопел різних розмірів на запланованій відстані відносно переріза камери змішування газового ежектора були передбачені змінні монтажні шайби -9.

Загальна витрата змішаного в ежекторі повітря визначалась шляхом вимірювання повного тиску та температури на вході до звужувального сопла робочого об'єкта.

Продуктивність компресорних установок моделювалась шляхом регулювання тиску на вході в звужувальне сопло при надкритичному перепаді тиску на соплі.

Витрата повітря в лінії високонапірного потоку газового ежектора визначалась шляхом вимірювання тиску на вході до надзвукового сопла при надкритичному перепаді тиску.

Різниця між загальною витратою повітря через звужувальне сопло на виході з робочого об'єкта та витратою через надзвукове сопло при надкритичних перепадах тиску визначала витрату повітря в лінії низьконапірного потоку.

В ході експерименту перевірено методику розрахунку двох надзвукових газових ежекторів для двох варіантів продуктивності вихідного сопла при повному тиску на його вході в 0,2 та 0,3 МПа.

Основні розрахункові газодинамічні параметри надзвукового газового ежектора для такого випадку:

л₃ =0,83; л'_p =1,38; л'_2max =1,88; л'_2гр =2,01;

a=3,34; s_min =2,01; s_max =12,01; h_ад =0,77.

Експериментальні дослідження характеристик двох надзвукових газових ежекторів проводились за загальною методикою, яка передбачала виконання наступних дій:

1. Після повного наповнення ресивера до тиску в 1 МПа на режимі нульового коефіцієнта ежекції відкривався редуктор лінії високого тиску на величину наперед заданої максимальної витрати повітря, яка контролювалась шляхом вимірювання повного тиску та повної температури на виході з вихідного сопла робочого об'єкта, з метою визначення граничної приведеної швидкості л'_2гр високонапірного потоку надзвукового газового ежектора.

2. Для визначення витрати повітря через надзвукове сопло газового ежектора на даному режимі та загального коефіцієнта втрат повного тиску виконувались заміри повного тиску та температури в камері підведення високонапірного потоку.

3. Зменшуючи тиск з кроком в 0,05 МПа шляхом дроселювання лінії надходження повітря високого тиску після фіксації встановленої величини тиску на вході в надзвукове сопло газового ежектора, поступово відкривалась лінія надходження повітря низького тиску до моменту встановлення попереднього наперед заданого повного тиску та температури повітря на виході з вихідного сопла робочого об'єкта.

4. На кожному фіксованому режимі виконувались заміри тиску на вході в дозвукове сопло, повного тиску та температури на вході в надзвукове сопло, повного тиску та температури на виході з робочого об'єкта.

5. За даними вимірювань на кожному фіксованому режимі визначались ступінь підвищення тиску надзвукового газового ежектора, характерний відносний тиск, коефіцієнт ежекції та інші газодинамічні характеристики.

Перепад повного тиску на соплах на всіх етапах експерименту підтримувався надкритичним. Експеримент повторювався п'ять разів при різних температурах навколишнього середовища. Тиск в камерах підведення високонапірного і низьконапірного потоків, а також в циліндричному вимірювальному вузлі на виході з дифузора камери змішування газового ежектора вимірювався зразковими манометрами з класом точності 1,5.

Температура в камері підведення високонапірного потоку та в циліндричному вимірювальному вузлі на виході з дифузора камери змішування газового ежектора вимірювалась хромель-копелевими термопарами з діаметром 1,2 мм. Вільні кінці з холодним спаєм знаходились в ємності Д'юара. Термопари мали відповідні градуюванні характеристики.

На основі експериментальних даних виконана оцінка похибок вимірювань, яка передбачала складання таблиці n реалізацій, оцінку середніх значень, дисперсій та кореляційних функцій.

Після відповідних вимірювань похибки основних величин склали:

- повний тиск- 0,01 МПа;

- припустиме відхилення термо-ЕДС- 1мВ;

- повна температура - 0,5 К.

Після відповідних розрахунків відносна похибка визначення коефіцієнта ежекції склала - 0,7%, а коефіцієнта корисної дії - 1,6%.

Результати експериментального дослідження надзвукового газового ежектора, проведеного відповідно до створеної методики, представлені у вигляді залежностей К= К(е) та з_ад= з_ад (е).

Під час експерименту був підтверджений вигляд універсальної характеристики надзвукового газового ежектора.

Підтверджено, що величина граничного енергетичного параметра є найголовнішою в розрахунках і проектуванні надзвукових газових ежекторів. Так, при величині е/у=0,3 газовий ежектор з (е/г₄у)_гр=0,1 має коефіцієнт ежекції в чотири рази більший, ніж газовий ежектор з (е/г₄у)_гр=0,1.

У четвертому розділі доведена економічна доцільність використання надзвукових газових ежекторів в умовах роботи сучасних газонаповнювальних станцій при малих тисках природного газу в мережі.

Розрахунки норм питомих витрат природного газу та електричної енергії під час експлуатації АГНКС виконано за методиками ДК "Укртрансгаз" окремо для кожної з чотирьох типів станцій потужністю 250 та 500 заправок за добу, які експлуатуються в структурних підрозділах цієї компанії:

- АГНКС потужністю 250 заправок за добу з компресорними установками типу 4ГМ2,5-1,8/5-250 та 4ГМ2,5-1,2/10-250 виробництва сумського заводу ім. Фрунзе;

- АГНКС потужністю 500 заправок за добу з компресорними установками типу 2ГМ4-1,3/12-250 виробництва Росії;

- АГНКС потужністю 500 заправок за добу з компресорними установками типу 4HR3KN200/210-5-249WLK виробництва Німеччини;

- АГНКС потужністю 500 заправок за добу з компресорними установками типу 2ВVTN/3 італійської фірми "Nuovo-Pignone".

Представлено результати порівняльного аналізу індивідуальних норм питомих витрат енергоресурсів на експлуатацію АГНКС з надзвуковим газовим ежектором з індивідуальними нормами питомих витрат енергоресурсів на експлуатацію сучасних АГНКС потужністю 250 та 500 заправок на добу при роботі з дотискуючими компресорами на базі компресорів типу 2ГМ4 та 4ГМ2,5.

Висновки

Основні результати дисертаційної роботи полягають в наступному:

1. На основі проведеного аналізу технологічних схем сучасних газонаповнювальних станцій доведена можливість використання надзвукових газових ежекторів як дотискуючих струминних компресорів в умовах зменшення тиску в газовій мережі.

2. Шляхом моделювання газодинаміки течії двох потоків газу в умовах зменшення тиску на вході в газонаповнювальні станції з різними величинами продуктивності створена математична модель оптимального надзвукового газового ежектора, яка реалізована в програмі розрахунку характеристик надзвукових газових ежекторів.

3. Проведені розрахунки характеристик надзвукових газових ежекторів для газонаповнювальних станцій з різними величинами продуктивності.

4. Методика розрахунку експериментально підтверджена на створеній експериментальній установці для дослідження характеристик надзвукових газових ежекторів, що використовуються як струминні компресори.

5. Сформульована і доведена економічна доцільність використання надзвукових газових ежекторів в умовах роботи газонаповнювальних станцій при низьких тисках природного газу в газових мережах.

6. Проведені розрахунки індивідуальних норм питомих витрат енергоресурсів на експлуатацію сучасних АГНКС потужністю 250 та 500 заправок на добу при роботі з надзвуковим газовим ежектором.

7. Виконано порівняльний аналіз індивідуальних норм питомих витрат енергоресурсів на експлуатацію АГНКС з надзвуковим газовим ежектором з індивідуальними нормами питомих витрат енергоресурсів на експлуатацію сучасних АГНКС потужністю 250 та 500 заправок на добу при роботі з дотискуючими компресорами на базі компресорів типу 2ГМ4 та 4ГМ2,5.

8. Доведено, що в порівнянні з дотискуючими компресорами в діапазоні величин вхідного тиску на вході в 0,3...0,5 МПа:

- норми питомих витрат газу для АГНКС-250 виробництва заводу ім. Фрунзе зменшуються в 1,7...2,3 рази, а для АГНКС-500 заводу Борець російського виробництва - в 2...3 рази;

- норми питомих витрат електроенергії для АГНКС-250 виробництва заводу ім. Фрунзе зменшуються в 1,9...3 рази, а для АГНКС-500 заводу Борець російського виробництва - в 2,2...4 рази.

9. Доведено, що використання надзвукового газового ежектора в технологічній схемі АГНКС-500 німецького виробництва можливе при вмиканні його в роботу при тиску в 0,4 МПа, що в основному робочому діапазоні змінювання тиску на вході до станції зменшить норми питомих витрат газу і електроенергії в 1,2...1,5 рази.

10. Доведено, що використання надзвукового газового ежектора в технологічній схемі АГНКС-500 італійської фірми "Nuovo-Pignone" дасть змогу використовувати станцію при зменшенні тиску на вході до 0,3 МПа при значній економії природного газу і електроенергії.

Публікації за темою дисертації

1. Капітанчук К.І., Бикова О.Г., Оніщенко С.П. Розрахунок оптимального надзвукового ежектора в якості дотискуючого струминного компресора // Промислова гідравліка і пневматика. - №1(3). -2004. - С. 17-20.

2. Оніщенко С.П. Використання газових ежекторів у вихідних пристроях літальних апаратів // Вісник НАУ. - №1. - 2005. - С.126-129.

3. Kulyk M.S., Kapitanchuk К.I., Grekov P.I., Onischenko S.P. Gas ejector as a pressure stabilizer at the inlet to compressor power installation // Proceedings of the NAU. - №2. - 2005. - Р. 29-33.

4. Стабілізація тиску на вході в компресорну енергетичну установку за допомогою газового ежектора / М.С. Кулик, К.І. Капітанчук, С.П. Оніщенко та ін. // Промислова гідравліка і пневматика - №3(9). -2005. - С. 68-72.

5. Капітанчук К.І., Оніщенко С.П., Бикова О.Г. Оптимальний надзвуковий ежектор в якості дотискуючого компресора // Виробництво та експлуатація авіаційної техніки: Матеріали VI міжнародної науково-технічної конференції "АВІА-2004”. - К.: НАУ. - Т.3. - 2004. - С. 44-47.

6. Капітанчук К.І., Овсянкін В.В., Бикова О.Г., Оніщенко С.П. Надзвуковий газоструминний дотискуючий компресор // Заявка на видачу деклараційного патенту на корисну модель за №20040402810 від 16.04.2004.

Анотація

Оніщенко С.П. Експлуатаційні характеристики газонаповнювальних компресорних станцій з надзвуковими газовими ежекторами.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - експлуатація і ремонт засобів транспорту - Національний авіаційний університет, Київ, 2005.

Дисертаційна робота присвячена вивченню експлуатаційних характеристик газонаповнювальних компресорних станцій з надзвуковими газовими ежекторами, які можуть бути використані як дотискуючі струминні компресори.

На основі аналізу технологічних схем сучасних газонаповнювальних станцій доведена можливість використання надзвукових газових ежекторів в якості дотискуючих струминних компресорів.

Створена математична модель оптимального надзвукового газового ежектора і програма розрахунку його характеристик.

Проведені розрахунки характеристик надзвукових газових ежекторів для газонаповнювальних станцій з різними величинами продуктивності. Методика розрахунку експериментально підтверджена на створеній експериментальній установці.

Виконано порівняльний аналіз індивідуальних норм питомих витрат енергоресурсів на експлуатацію АГНКС з надзвуковим газовим ежектором з індивідуальними нормами питомих витрат енергоресурсів на експлуатацію сучасних АГНКС потужністю 250 та 500 заправок на добу при роботі з дотискуючими компресорами на базі компресорів типу 2ГМ4 та 4ГМ2,5.

Ключові слова: газонаповнювальна компресорна станція, надзвуковий газовий ежектор, характеристики.

Аннотация

Онищенко С.П. Эксплуатационные характеристики газонаполнительных компрессорных станций со сверхзвуковыми газовыми эжекторами.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - эксплуатация и ремонт средств транспорта - Национальный авиационный университет, Киев, 2005.

Диссертационная работа посвящена изучению эксплуатационных характеристик газонаполнительных компрессорных станций со сверхзвуковыми газовыми эжекторами, которые могут быть использованы в качестве дожимных струйных компрессоров.

На основе анализа технологических схем современных газонаполнительных станций на базе компрессоров типа 2ГМ4 и 4ГМ2,5 российского завода Борец и сумского завода им. Фрунзе, а также АГНКС-500 немецкого производства и итальянской фирмы "Nuovo-Pignone" доказана возможность использования сверхзвуковых газовых эжекторов в качестве дожимных струйных компрессоров.

Путем моделирования газодинамики течения двух потоков газа в условиях снижения давления на входе в газонаполнительные станции с различными величинами производительности создана математическая модель оптимального сверхзвукового газового эжектора, которая реализована в виде программы расчета характеристик сверхзвуковых газовых ежекторов.

Методика расчета экспериментально подтверждена на созданной экспериментальной установке для исследования характеристик сверхзвуковых газовых эжекторов, которые могут использоваться в качестве дожимных струйных компрессоров. Проведены расчеты характеристик сверхзвуковых газовых эжекторов для газонаполнительных станций с разными величинами производительности.

Расчеты представлены в виде универсальной характеристики, которая может быть использована для определения геометрических параметров газового эжектора для любой энергетической машины.

Сформулирована и доказана экономическая целесообразность использования сверхзвуковых газовых эжекторов в условиях работы газонаполнительных станций при низких давлениях природного газа в газовых сетях.

Проведены расчеты и выполнен сравнительный анализ индивидуальных норм удельных затрат энергоресурсов на эксплуатацию АГНКС со сверхзвуковым газовым эжектором с индивидуальными нормами удельных затрат энергоресурсов на эксплуатацию современных АГНКС мощностью 250 и 500 заправок в сутки при работе с дожимными компрессорами на базе компрессоров типа 2ГМ4 та 4ГМ2,5.

Ключевые слова: газонаполнительная компрессорная станция, сверхзвуковой газовый эжектор, характеристики.

The summary

Onischenko S.P. Operational characteristics of gas boosting compressor stations with supersonic gas nozzles. Manuscript. Scientific degree of Cand. Tech. Sci. seeking, specialty 05.22.20 - Operation and repair of transport means - National aviation university, Kiev, Ukraine, 2005.

Dissertational work is devoted to study operational characteristics of gas boosting compressor stations with supersonic gas nozzles that can be used as final compression jet pump.

On the basis of modern gas boosting stations technological schemes analysis, the opportunity of supersonic gas nozzles use as final compression jet pumps is proved.

The optimal supersonic gas nozzle mathematical model is created as the program of supersonic gas nozzles characteristics calculation. Calculations of supersonic gas nozzles characteristics for gas boosting stations with different productivity are carried out. The design procedure is experimentally confirmed with use of specially created experimental installation.

Calculations and comparative analysis of individual specific power resources consumption for AGFS operation with supersonic gas nozzles and individual specific power resources consumption for modern AGFS operation with capacity of 250 and 500 refueling per day at work with final compression pumps on the basis of 2ГМ4 and 4ГМ2.5 are carried out. Keywords: gas boosting compressor station, supersonic gas nozzle, characteristics.

Размещено на Allbest.ru