Исследование вихревой расширительной машины с внешним периферийным каналом с помощью виртуального стенда

Abstract

На цей час перспективним напрямком в енергетиці є розвиток малих локальних енергоустановок. Збільшується реалізація проектів з енергопостачання за рахунок упровадження малопотужних утилізаційних установок на базі турбодетандерної техніки. Основними перешкодами на шляху широкого впровадження малопотужних (до 0,5 МВт) установок є низький для такої потужності ККД, високі вартість і відносні витрати на обслуговування порівняно з потужними установками. Для потужностей до 500 кВт часто можливе створення установок на базі вихрової розширювальної турбомашини в безредукторному виконанні. Переваги вихрової розширювальної машини дозволяють одержати установку максимально простою і надійною. Метою цієї статті є підвищення ефективності та надійності вихрової розширювальної машини шляхом проведення чисельного дослідження течії газу в проточній частині та аналізу його результатів. Для реалізації цілей роботи був створений віртуальний стенд і методика проведення досліджень за допомогою програмного комплексу ANSYS. Проведена верифікація одержаних обчислювальним експериментом даних для підтвердження коректної роботи віртуального стенда і використовуваної методики. У результаті досліджень установлено вплив геометричних і газодинамічних параметрів на картину течії в проточній частині вихрової розширювальної машини з периферійним каналом. За результатами аналізу проведених досліджень була спроектована вдосконалена проточна частина з розрахунковим ККД 48 % та одержані її безрозмірні і розмірні характеристики.

В настоящее время перспективным направлением в энергетике является развитие малых локальных энергоустановок. Увеличивается реализация проектов по энергоснабжению за счет внедрения маломощных утилизационных установок на базе турбодетандерной техники. Основными препятствиями на пути широкого внедрения маломощных (до 0,5 МВт) установок являются низкий для такой мощности КПД, высокие стоимость и относительные затраты на обслуживание по сравнению с мощными установками. Для мощностей до 500 кВт часто возможно создание установок на базе вихревой расширительной турбомашины в безредукторном исполнении. Преимущества вихревой расширительной машины позволяют получить установку максимально простой и надежной. Целью данной работы является повышения эффективности и надежности вихревой расширительной машины путем проведения численного исследования течения газа в проточной части и анализа его результатов. Для реализации целей работы были созданы виртуальный стенд и методика проведения исследований с помощью программного комплекса ANSYS. Проведена верификация полученных вычисли- тельным экспериментом данных для подтверждения корректной работы виртуального стенда и используемой методики. В результате исследований установлено влияние геометрических и газодинамических параметров на картину течения в проточной части вихревой расширительной машины с периферийным каналом. По результатам анализа проведенных исследований была спроектирована усовершенствованная проточная часть с расчетным КПД 48 % и получены ее безразмерные и размерные характеристики.

Nowadays a promising direction in the energy sector is the development of small local power units.The implementation of projects on power supply by the introduction of low-power utilizing units based on the turbo-expander technologies is increasing. The main obstacles to wider introduction of low-power (up to 0.5 MW) units are low efficiency, high cost and relative expenses for service in comparison with the powerful settings. For capacities up to 500 kW it is often possible to create units based on expansion vortex turbomachine in the gearless version. Advantages of the expansion vortex machine allow to obtain simple and reliable unit. The objective of this work is to improve the efficiency and reliability of the expansion vortex machine by numerical research of gas flow in hydraulic components and the analysis of results. The virtual test rig and methodology of research with the help of program complex ANSYS were created to achieve the objectives of the work. Data of computational experiments was verified to confirm the correct work of the virtual test rig and the methodology. As a result, the influence of geometrical and gas-dynamic parameters on the flow pattern in the flow path of vortex expansion machine with a peripheral channel was established. The improved flow path with estimated efficiency of 48% has been designed based on the analysis of the result of carried out research. Its dimensionless and dimensional characteristics were obtained.