CC BY
49
УДК 51-72:544.015.3
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБЛЕДЕНЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА ВОЗДУХОЗАБОРНОГО ОЧИСТИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
САЛЬНИКОВ А.Ф., СЛОВИКОВ С.В.
Пермский государственный технический университет, 614000, г.Пермь, Комсомольский проспект, 29а
АННОТАЦИЯ. В данной статье проведены результаты численного моделирования термо- и газодинамических процессов обледенения, протекающих в воздухозаборном очистительном устройстве газотурбинной установки.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: очистительное устройство, воздухозаборное устройство, обледенение, газотурбинные установки, численное моделирование.
В последние годы широкое распространение получило использование газотурбинных установок (ГТУ) авиационного типа в наземных установках в основном при создании газоперекачивающих агрегатов и газотурбинных электростанций. Использование ГТУ в стационарных режимах существенно изменило условия их работы. Появились дополнительные устройства - воздухозаборные очистительные устройства (ВОУ), обеспечивающие очистку воздуха от жидких и твердых фракций.
При отрицательных температурах, несмотря на применение противообледенительных систем (ПОС), использование ГТУ в регионах с высоким уровнем влажности и водности приводит к возникновению интенсивного обледенения ВОУ, т.е. применяемая ПОС зачастую не справляется с увеличением обледенения элементов ВОУ, что приводит к вынужденной остановке ГТУ или даже аварии. Таким образом, исследование процессов обледенения ВОУ ГТУ является актуальным. Без внимания остаются вопросы моделирования данных процессов. Не рассмотрен вопрос численного моделирования с учетом термо- и газодинамических процессов обледенения элементов ВОУ.
Для проектирования ВОУ, проводятся весьма объемные аналитические исследования. Существенная трудность, при проведении таких исследований, определяется сложной математической постановкой задачи, результатом чего является приближенность полученных решений. И только лишь численные методы с использованием быстродействующих электронных вычислительных машин и тщательно проведенный физический эксперимент позволяют получить достаточно полную и точную информацию.
Воздушный поток в ВОУ представляет собой многофазную систему, состоящую из непрерывной газообразной несущей фазы и несомых дискретных твердой (частички пыли, льда, снега) и жидкой (капли воды) фаз.
Моделирование движения твердой и жидкой фазы можно объединить, так как их движения будут описываться одинаковыми математическими зависимостями, при некоторых допущениях, различие будет в постановке граничных условий.
Расчетная область задачи модифицируется с учетом реальной геометрии конструкции ГТУ: рассматривается проекция реальной трехмерной области на двумерную расчетную область с сохранением основных особенностей геометрии конструкции, а, следовательно, и характера течения воздуха в ней.
Математическое моделирование движения двухфазной среды связано с упрощением реальной картины среды. Исходная разрывная среда превращается в фиктивную неразрывную среду. В этом случае предполагается, что каждая из фаз равномерно распределена в выделенном объеме и является сплошной.
Каждой точке смеси поставим в соответствие приведенные плотности фаз:
р=ари, (1)
где ри - истинная плотность i-ой фазы, а - объемное содержание i-ой фазы.
Объемное содержание жидкой фазы (а2) определяется, во-первых, водностью поступающего воздуха (В), во-вторых, логарифмически нормальным распределением капель по размерам, характерным для туманов при отрицательной температуре.
B
а2 = "У(r*max , ^min ) , (2) р
где f(rmax ,rmin) - логонормальная плотность распределения радиусов капель в диапазоне
от rmax до rmin.
Таким образом, для моделирования процесса будем использовать уравнения обычные для описания процессов в непрерывных средах, за исключением оговоренных ниже особенностей.
Уравнение сохранения массы в декартовой системе по форме совпадает с уравнением неразрывности для однофазной сплошной среды.
Уравнение сохранения количества движения используется в проекциях на декартовую систему координат. Здесь мы пренебрегли касательными напряжениями внутри каждой из фаз, так как давления и плотности фаз достаточно невысоки. Далее будем учитывать лишь силу вязкого трения, которая является доминирующей. Эта сила обусловлена скольжением отдельной фазы относительно другой. Для упрощения записи уравнения количества движения и энергии целесообразно принять, что сила взаимодействия между фазами является массовой. Строго говоря, это допущение возможно при условии, когда частицы малы и недеформируемые, то есть когда можно предположить, что сила действует на всю частицу независимо от истинного распределения нормальных и касательных напряжений.
Дополняются уравнения сохранения массы и количества движения уравнением сохранения удельной полной энергии.
Для решения задачи моделирования процесса использовался метод крупных частиц с параметрической конечно-разностной схемой (параметр alfa - на эйлеровом этапе, параметр beta - на лагранжевом этапе), как реализующий наиболее адекватный подход при решении полных уравнений газовой динамики и хорошо зарекомендовавший себя при решении различных задач [1].
Воздушный тракт ВОУ ГТУ обладает большой протяженностью и объемом, для задач моделирования процессов в нем. Условия возникновения льда в различных элементах ВОУ так же различны.
Так, на входе, как показали исследования [2,3], критичным элементом является вход в фильтр типа «циклон» и именно в нем необходимо смоделировать не только движение двух фазной среды, но и образование третей фазы на его стенках. А это значительно усложняет модель, в плане задания граничных условий и моделирование движения не только среды, но и самой границы. Таким образом, в данном случае пришлось использовать двухмерную модель и гомохронное подобие.
Следующими наиболее критичными областями являются область после фильтров тонкой очистки и камера всасывания. В этих элементах критичным является перепад температуры и как следствие конденсация из воздуха воды. Здесь в виду значительных размеров области моделирования не представляется возможным из-за ограничения ресурсов ЭВМ моделировать непосредственно обледенение, но построение температурного и скоростного полей исследуемой области позволяет сделать заключение о переходе через точку росы и как следствие возникновение ледяной фазы воды. Таким образом, здесь мы моделировали, только движение двухфазной среды без моделирования возникновения третей фазы.
В целом представленная выше математическая модель многофазных сред давно известна [4,5,6]. Основной проблемой встает постановка граничных условий и моделирование изменения границ при образовании льда на поверхностях.
В ПГТУ, на кафедре РКТ и ЭУ, совместно с НПО «ИСКРА», было проведено математическое исследование уже созданного ВОУ.
Первая область моделирования обледенения представляющая собой вход в фильтр типа «циклон».
Например, для водности (В), чаще всего, присутствующей при отрицательных температурах [7,8], на уровне 0,02 г/м получены результаты представленные на рис .1
Рис. 1. Результаты моделирования обледенения входа в фильтр типа «циклон»
3
На рис. 1 видно, что во влажном воздухе с содержанием водности 0,02 г/м3 образование льда начинается через 7 мин на внутренней стенке «циклона», через 10 мин происходит зарастание проходного сечения приблизительно на 50 % и к 12 мин вход в «циклон» практически полностью зарастает.
Следующей рассматриваемой областью является область после фильтров тонкой очистки.
В данной области предполагается отсутствие непосредственно капель водности, но из-за понижения температуры может происходить конденсация воды и десублимация льда на поверхностях камеры. Таким образом, интерес в данной области представляют поле скоростей (V) и температур (Т) (рис. 2).
..........,..,,,., т.,,,.,,,,,,.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,.,,.,.,.................................................................................261.8 J ц
I -261.9
I -262.0 -262.1 -262.2 -262.3 -1-262.4
Рис.2. Поле скоростей (V) и температур (К) камеры фильтров тонкой очистки при температуре атмосферного воздуха -10 °С
По результатам моделирования мы можем сделать вывод о понижении температуры воздуха в данной области на 2 °С и появления вероятности возникновения наледи в углах камеры, где низкая скорость воздушного потока.
Следующая область исследования - это основная камера всасывания ВОУ. Начальные данные для нее брались из результатов полученных для камеры фильтров тонкой очистки. Результаты расчета поля скоростей и поля температур представлены на рис. 3
Рис.3. Поля скоростей (V) и температур (Т) камеры всасывания
Понижение температуры в камере всасывания, относительно температуры атмосферного воздуха (-10 °С), составляет 5 °С, а на входе в ГТУ достигает 8 °С. Это при высокой влажности воздуха приводит к возникновению фазовых переходов и образованию льда, в первую очередь в углах камеры, где скорость воздуха относительно основного потока ниже.
Математическое исследование уже существующего ВОУ, показало, что при поступлении атмосферного воздуха в ВОУ ГТУ и его движении по входному тракту при отрицательных температурах наблюдается возникновение наростов льда и снега в различных местах ВОУ, что приводит к изменению проходного сечения воздушных каналов. Нарастающий лед со временем будет отламываться и попадать в компрессор ГТУ, что ведет к его повреждению. Использование при проектировании разработанной математической модели позволит создавать более совершенные ВОУ, учитывать тип ГТУ и климатические условия региона расположения.
Данной статьей не исчерпываются все аспекты математического моделирования термо- и газодинамических процессов в воздушном тракте ВОУ ГТУ. Дальнейшее исследование, проводимое в рамках гранта Пермского государственного технического университета, позволит ответить на ряд вопросов борьбы с обледенением устройств подготовки воздуха ГТУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М. : Наука, 1982. 392 с.
2. Словиков С.В., Сальников А.Ф. Исследование проблемы обледенения воздухозаборного очистительного устройства газоперекачивающего агрегата / сб. трудов // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. СПб. : Изд-во Политех. ун-та, 2006. Т.4. С. 179 - 182.
3. Словиков С.В., Сальников А.Ф. Работоспособность воздушного фильтра типа «циклон» в условиях отрицательных температур и наличия водности в атмосферном вздухе / сб. науч. трудов // Молодежная наука Прикамья. Пермь : Изд-во Перм. гос. тех. ун-та, 2007. Вып.8. С.165-169.
4. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования. М. : Эенргоатомиздат, 1987. 328 с.
5. Колесников П.М., Карпов А.А. Нестационарные двухфазные газожидкостные течения в каналах. Минск : Наука и техника, 1986. 216 с.
6. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М. : Наука, 1978. 336 с.
7. Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. СПб. : Гидрометеоиздат, 2000. 778 с.
8. Кошленко И.В. Туманы. М. : Гидрометеоиздат, 1977. 156 с.
NUMERICAL MODELLING OF PROCESS OF AN ICING OF AN AIR PATH AIR-INTAKE THE CLEANING DEVICE GAS TURBINE PLANT
Salnikov A.F., Slovikov S.V.
Perm State Technical University, Russia
SUMMARY. In given article results of numerical modelling Thermo-and Gasodynamics the processes of an icing are, proceeding in air-intake cleaning device (ACD) gas turbine plant (GTP).
KEYWORDS: air cleaner, air inlet, icing, gas-turbine unit, numerical simulation
Сальников Алексей Федорович, доктор технических наук, профессор ПГТУ, e-mail: afsal@pstu.ru Словиков Станислав Васильевич, кандидат технических наук, старший преподаватель ПГТУ
