Методика проектировочного расчета вихревого запально-стабилизирующего модуля турбоустановок

формирования достигается за счет более равномерного деформирования точек заготовки по сравнению с вариантом импульсного деформирования. Визуально на диаграммах (см. рис. 3) это проявляется меньшим «размытием» области точек. Более высокая равномерность деформаций будет способствовать повышенным эксплуатационным характеристикам отштампованной детали «мембрана».

Также видно, что более «короткое» давление (Т = 80 мкс) при комбинировании со статическим нагружением дает лучшие результаты по сравнению с вариантом более «длинного» давления (Т0 = 320 мкс). Это позволяет говорить о существовании некоторой оптимальной комбинации статического и импульсного нагружения. Очевидно, что такая оптимальная комбинация

будет зависеть от всех основных параметров процесса деформирования и должна определяться соответствующими компьютерными расчетами.

Таким образом, с применением конечно-элементного программного комплекса Ь8-БУКА 970 разработана методика расчета статико-импульс-ной вытяжки-формовки ортотропных тонколистовых металлов подвижной средой. Установлено, что применение комбинированного статико-импульсного нагружения для штамповки детали «мембрана» из алюминиевого сплава АМг3-М толщиной 0,5 мм позволит снизить максимальные деформации в разных точках заготовки ниже уровня предельных деформаций, определяемых диаграммой Келе-ра — Гудвина.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Здор, Г.Н. Разработка эффективных технологических устройств для магнитно-эластоимпульсной вырубки— пробивки тонколистовых материалов [Текст] / Г.Н. Здор, А.В. Мамутов, В.С. Мамутов, Д.В. Смотра-ков // Металлообработка.— 2001. № 2.— С. 28-32.

2. Мамутов, А.В. Измерение давления в процессах электроимпульсной штамповки [ Текст] / А.В. Мамутов, В.С. Мамутов // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металургии

и машиностроении. Сб. научн. тр.— Краматорск: Изд-во Донбасской государственной машиностроительной академии, 2005.— С. 33—39.

3. Mamutov, A.V. Finite Element Simulation of Sheet Metal Forming Using LS-DYNA Code [Текст] / A.V. Mamutov, V.S. Mamutov // In International workshop on New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulation in Science and Engineering.— Proc. of SPAS. — St. Petersburg, 2005.— Vol. 9.— P. 72-74.

УДК 621.3.032.434

В.В. Толмачёв, И.А. Богов, С.М. Вохмянин

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВОЧНОГО РАСЧЕТА ВИХРЕВОГО ЗАПАЛЬНО-СТАБИЛИЗИРУЮЩЕГО МОДУЛЯ

ТУРБОУСТАНОВОК

Известны различные системы розжига, основанные на предварительной закрутке горючей газовоздушной смеси в специально предназначенном для этого устройстве. Эти системы розжига достигли наивысшего своего развития с разработкой и реализацией вихревых запально-горелочных устройств (ВЗГУ) и нашли широкое применение для розжига в камерах сгорания и топках котлов турбоустановок, стабилизации факела на предельных режимах работы, а также

для осуществления технологических процессов, связанных со сборкой, монтажом и демонтажом турбоустановок и др. [1—3].

В связи с многообразием сфер применения ВЗГУ признано целесообразным осуществить комплекс теоретических и экспериментальных исследований на натурных моделях вихревого запально-стабилизирующего модуля (ВЗСМ). Сложная взаимосвязь протекающих процессов в вихревых системах, отсутствие до недавнего

Моделирование. Математические методы -

времени достоверных экспериментальных данных об их аэродинамических, тепловых и рабочих характеристиках, а также отсутствие проектировочного расчета ВЗСМ обусловили необходимость проведения большого объема экспериментальных исследований в натурных и стендовых условиях, результаты которых отражены в публикациях [1—8]. Экспериментальные данные получены контактными методами на физических моделях ВЗСМ с помощью воздушных продувок специальными пневмометри-ческими зондами и термопарами в условиях горения, а также методом численного моделирования в стандартном газодинамическом пакете «Fluent».

Предлагаемый алгоритм методики инженерно-проектировочного расчета ВЗСМ, представленный в виде блок-схемы на рис.1, позволяет проектировать конструкцию модуля и оперативно осуществлять ее оптимизацию для требуемой длины свободного факела, сокращает время и материальные издержки на разработку новых и модернизацию действующих конструкций ВЗГУ для заданных условий эксплуатации.

В основу методики расчета положены результаты обобщения экспериментальных данных, которые получены на натурных моделях ВЗСМ. Методика учитывает влияние геометрических параметров закручивающего устройства тангенциального типа, коэффициента избытка воздуха, шероховатости внутренней стенки вихревой трубы и ее длины на аэродинамические, тепловые и рабочие характеристики проектируемой конструкции.

Расчет проводится последовательными приближениями без учета теплообмена с окружающей средой в одномерной постановке задачи; свойства рабочих тел считаются подчиняющимися закономерностям совершенного газа; течение — стационарное, среда — вязкий газ. Для мобильности использования данной методики расчет преобразован к программному виду, который реализован на персональном компьютере (ПК).

Методика позволяет проектировать конструкции ВЗСМ в следующих границах изменения его геометрических параметров: конструктивного параметра закрутки закручивающего

*

устройства тангенциального типа Фвхк = 4,2— — 14,2; относительного конфузорного сужения

выходного сечения камеры закручивающего устройства Fкон = 0,44—1,0; относительной длины трубы £Тр1йтр = 10—50 с диаметром йтр = = 0,02—0,08 м и относительной шероховатости ее внутренней стенки 2Дйтр = 0,1—0,8 %. Рабочая длина трубы ВЗСМ при средней относительной шероховатости составляет около Ьтр Пт = = 3,5 м, а максимальная тепловая мощность

N

ВЗСМ

= 150 кВт. Методика проектирования конструкции ВЗСМ (см. рис.1) включает следующие основные этапы расчетов: тепловой, конструктивный и заключительный (расчет средней температуры и длины свободного факела на режимах горения).

В качестве исходных данных в методике принимаются: требуемая тепловая мощность ВЗСМ и длина вихревой трубы, состав горючего газа, схема подводов компонентов горения, давление и температура воздуха и газа на входе, а также величина противодавления внешней среды в области устья вихревой трубы, соответствующая условиям эксплуатации вихревого модуля.

Тепловой расчет проводится для номинального режима горения при коэффициенте избытка воздуха а = 1. Расчет проводится методом последовательных приближений. При этом определяются свойства и термодинамические параметры рабочих тел, а также требуемый расход газа и соответственно воздуха, по которым определяются основные геометрические параметры закручивающего устройства и конструкции в целом.

В ходе конструктивного расчета ВЗСМ методом последовательных приближений определяются геометрические параметры закручивающего устройства, диаметр и максимальная длина вихревой трубы Хтр Пт для заданной шероховатости ее внутренней стенки 2 Дйтр и расчетных параметров закручивающего устройства.

После конструктивного расчета ВЗСМ проводится расчет средней температуры и длины свободного факела на различных режимах горения при изменении коэффициента избытка воздуха а в интервале 0,7—1,5.

Тепловые характеристики ВЗСМ на основных режимах горения и полученная экспериментальным путем аналитическая зависимость длины факела от коэффициента избытка воздуха и интенсивности закрутки потока на выходе из вихревой трубы позволяют осуществлять опти-

ВВОД ИСХОДНЫХ ДАННЫХ: QВЗСМ; Lmp; Тг.ex; Те.ex;Рпр;Рех.г; Рех.е состав горючего газа

а)

б)

В ходе теплового расчета определяются: при ОС=1 и Vjjp =0,995 QP; Lq ; v0; Ог-Овоз- Тсм;Пг;гг; гв;г1г см;г^ см,Ксщ;Ьп г; Уп.г; gin.г ', ritL¿;Rп.гу, Тф1тах

1 Cpi

LФйпах

IP  Тф1шах- Тфппах >0,01 GO ТО 1

Тфг max

A Grip; an; ЛПГп;Lnc.n; Тф1 min

2 CP¡m

LÁHmin

\ТфЬшп - ТФипт Тф[ min >0,01 GO ТО 2

Тф cpl: Ml пр. с

В ходе конструктивного расчета определяются основные геометрические it юшсматичсскпс параметры ВЗСМ :

Fe  >-к; Ршр;РКОн Fk: DK^Fop:c!oP;2A'dmp; Ф^х.к; Ф.л,ех: иср; ii'cp; Мех; Квх; Lmp.max

I

IF (Lmp > Lmp. max) GO TO ,

2A fdmp rx^dmp;Mj; Щ;/ i ¡Lmp/ Меы.г; ; Ф,„ вых; Lсв.ф; do.rn.ex; £>о.т.вых;Ьф тр к;1св.ф.к;10ф; Re¿

В ходе расчета средней температуры и длины свободного факела на режимах горения при ¿к = 0,7... 1,5 и Geo3~ const определяются: Г]ш;G¿;7фщшах; Тфа, !uin  Тфа.ср; Lce.ф

Рис. 1. Блок-схема реализации на персональном компьютере методики инженерно-проектировочного расчета конструкции вихревого запально-стабилизирующего модуля (ВЗСМ): а — тепловой расчет; б — конструктивный расчет; в — расчет средней температуры и длины свободного факела на различных режимах горения

Моделирование. Математические методы -

Основные геометрические параметры конструкции ВЗГУ, предназначенной для разных условий эксплуатации

и спроектированной на эти условия конструкции ВЗСМ

Тип ВЗГУ Внутренний диаметр тангенциального канала закручивающего устройства й,, м Внутренний диаметр камеры закручивающего устройства Бк, м Внутренний диаметр вихревой трубы й , м тр' Рекомендуемая длина вихревой трубы [7] Ь , м тр Расчетная максимальная длина вихревой трубы ВЗСМ Ь , м тр рас'

ВЗГУ-01 0,0092 (Ц) 0,037 0,0245 0,2-0,5 0,55

ВЗГУ-1В* 0,0124 (Ц) 0,0355 0,032 0,8-1,0 1,2

ВЗГУ-1Н* 0,0140 (Ц) 0,046 0,046 до 1,0 -

ВЗГУ-2В* 0,0160 (Ц) 0,050 0,050 1,2-2,0 1,89

ВЗГУ-ЗВ* 0,0180 (Э) 0,06 0,05 2,0-3,0 2,9

ВЗГУ-4В* 0,0200 (Э) 0,078 0,06 3,0-4,0 4,3

ВЗГУ-6 0,0340 (Э) 0,108 0,079 до 4,0 4,1

Примечание. * — принятые обозначения конструкции ВЗГУ: В — высоконапорные с рабочим избыточным давлением перед тангенциальным каналом камеры закручивающего устройства 1,96—5,9 кПа (200—600 мм вод. ст.); Н — низконапорные с рабочим избыточным давлением перед тангенциальным каналом камеры закручивающего устройства 0,491—1,47 кПа (50—150 мм вод. ст.).

мальную компоновку вихревого модуля с горе-лочными устройствами камеры сгорания и топок котлов турбоустановок. Положенные в основу методики проектировочного расчета конструкции ВЗСМ экспериментальные характеристики устойчивости факела и рабочего регулирования по расходу газа создают возможность в эксплуатационных условиях осуществлять выбор оптимального режима горения.

Для определения достоверности методики проектировочного расчета ВЗСМ проводились тестовые расчеты их конструкции, которые проектировались в расчете на натурные условия эксплуатации внедренных ВЗГУ, показавших высокую эксплуатационную надежность в тур-боустановках.

На рис. 2 представлены конструкции вихревых запально-горелочных устройств, которые

а)

б)

Рис. 2. Конструкции вихревых запально-горелочных устройств (ВЗГУ):

для камер сгорания газотурбинных установок; б — для топок котлов паротурбинных установок

а

внедрены в камерах сгорания газотурбинных установок, таких, как ГТ-100, ГТЭ-65 и ГТЭ-150 «ЛМЗ», а также в котлах типа ТГМ и ПТВМ, широко используемых на ТЭЦ. В основе принципа работы ВЗГУ лежит теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный вихревой способ передачи пламени (ВСПП), использование которого позволяет улучшить рабочие характеристики запальных и дежурных горелочных устройств камер сгорания и котлов турбоустановок. При этом данный метод дает возможность существенно упростить конструкцию запально-стабилизирующих устройств, повысить температуру факела, расширить пределы рабочего регулирования и устойчивость свободного факела как к отрыву и проскоку пламени, так и к внешним потокам различной пространственной ориентации.

Достоверность предложенной методики проектировочного расчета конструкции ВЗСМ и ее характеристик определяется сравнением главных геометрических параметров опытно-

промышленных конструкций ВЗГУ и спроектированных ВЗСМ. Результаты расчетов геометрических параметров ВЗСМ и внедренных ВЗГУ представлены в табл.1.

Анализ этих результатов показывает вполне удовлетворительное согласование рекомендуемых длин вихревой трубы конструкции ВЗГУ в работе [7] с длинами труб спроектированных ВЗСМ — разница не превышает 2-6 калибров.

Предлагаемый алгоритм инженерно-проектировочного расчета ВЗСМ позволяет при его реализации на персональном компьютере осуществлять оптимизацию конструкции вихревого модуля с требуемой длиной свободного факела для заданных условий эксплуатации.

Достоверность методики подтверждена удовлетворительном совпадением расчетных геометрических и режимных параметров проектируемой конструкции ВЗСМ с параметрами действующих опытных и промышленных образцов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бодров, И.С. Экспериментальные исследования влияния системных факторов на надежность воспламенения факела электроискровых запальных устройств энергетических турбоустановок [Текст] / И.С. Бодров, В.В. Толмачев, К.А. Щенников // Энергетические машины и установки.— 2008. № 4.— С. 15-22.

2. Щенников, К.А. Вихревая горелка для технологического нагрева (ВГН) крепежных элементов и ступиц муфт при ремонте и модернизации энергетического оборудования [Текст ] / К.А. Щенников, В.В. Толмачев, В.К. Глушанов // Современное энергомашиностроение: Респ. межвед. науч.-техн. сб.— СПб.: Изд-во «Инструмент», 1997.— С. 47-54.

3. Смирнов, А.А. Способы стабилизации процесса горения предварительно подготовленной обедненной топливовоздушной смеси в КС ГТУ [Текст ] / А.А. Смирнов, В.В. Толмачев // Современное турбостроение: Сб. научн. тр.— Вып. 3 / Под общ. ред. И.А. Богова / МАН ВШ Санкт-Петербургское отд-ние. Санкт-Петербургский институт машиностроения.— СПб., 2000.— С. 86-90.

4. Толмачёв, В.В. Кинематика потока в газовых запальных устройствах вихревого типа с тангенциальным генератором закрутки [Текст] / В. В. Толмачев, И.С. Бодров // Современное турбостроение: Матер. междунар. научно-практ. конф. / МАН ВШ Санкт-

Петербургское отд-ние. Санкт-Петербургский институт машиностроения.— СПб., 2004.— С. 74-76.

5. Толмачёв, В.В. Влияние сужения выходного сечения тангенциального генератора закрутки на кинематику потока в запальных устройствах вихревого типа [Текст] / В.В. Толмачёв, А.А. Смирнов, И.С. Бодров // Современное турбостроение: Матер. междунар. научно-практ. конф. / МАН ВШ Санкт-Петербургское отд-ние. Санкт-Петербургский институт машиностроения.— СПб., 2004.— С. 77-79.

6. Щенников, К.А. Электроискровые запально-горелочные устройства [Текст] / К.А. Щенников, И.А. Богов, В.В. Толмачев // Современное турбостроение: Сб. научн. тр.— Вып. 3 / Под общ. ред. И.А. Богова / МАН ВШ Санкт-Петербургское отд-ние. Санкт-Петербургский институт машиностроения.— СПб., 2000.— С. 81-94.

7. Щенников, К.А. Новые запальные системы вихревого типа для газотурбинных установок и других энергетических объектов [Текст] / К.А. Щенников, В.Г. Тырышкин, И.С. Бодров // Теплоэнергетика.— 1986. № 5.— С. 55-56.

8. Толмачёв, В.В. Экспериментальные исследования вихревого запально-стабилизирующего горелоч-ного модуля для турбоустановок [Текст ] / В.В. Тол -мачёв, И.А. Богов // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2012. Т. 1. № 2.— С. 89-94.