Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления в прямоточном сотовом уплотнении
Объект исследования: прямоточное сотовое уплотнение.
Результаты, полученные лично автором: создан экспериментальный стенд для исследования гидравлического сопротивления в статических моделях прямоточного сотового уплотнения, получены экспериментальные зависимости, отражающие влияние на расход через уплотнение геометрических и режимных параметров.
Одним из перспективных направлений развития турбостроения является повышение экономичности и надежности работы турбоустановки за счет сокращения потерь энергии, связанных с утечками рабочего тела через различные зазоры между неподвижными и вращающимися деталями турбоагрегата.
| Рис. 1. Схема щелевого канала с сотовой структурой на одной из стенок |
Для исследования гидродинамического сопротивления канала с сотовой структурой была создана экспериментальная установка, газодинамический тракт рабочего участка которой представлял собой канал прямоугольного сечения шириной B=60 мм и длиной L0=230 мм (рис. 1). Для обработки опытных данных использовались следующие геометрические комплексы:
– относительная глубина сотовых ячеек; 
– относительная высота канала над поверхностью с сотовой структурой.
Набор изготовленных пластин с сотовой структурой позволил исследовать гидравлическое сопротивление при следующих значениях определяющих параметров: 
=0,2…1,25; 
=0,5…1,0. Также он позволил выявить влияние каждого из этих факторов в отдельности. Такое сочетание конструктивных параметров стенда обеспечивало исследование гидравлического сопротивления в диапазоне режимов течения 
.
Методики обработки и обобщения опытных данных.Целью экспериментальных исследований являлось определение коэффициента гидравлического сопротивления 
контрольного участка канала с сотовой структурой на одной из поверхностей.
Для этого использовалось уравнение Бернулли для сжимаемых потоков в дифференциальной форме 
, которое с учетом уравнения неразрывности и состояния после интегрирования для случая изотермического потока в канале постоянного сечения 
приобретает вид 
, где 
и 
– величина массового расхода воздуха и площадь поперечного сечения канала соответственно; L – длина контрольного участка канала; 
– гидравлический диаметр канала; R, T – газовая постоянная и температура рабочего тела; pвх, pвых – давления рабочего тела на входе и выходе рабочего канала; 
– изменение (потери) статического давления в потоке рабочего тела на контрольной длине L канала.
Экспериментальные исследования проводились в изотермических условиях без теплообмена продувкой воздухом с температурой Тн окружающей среды. Изменение коэффициента гидравлического сопротивления 
на контрольном участке канала представлялось в виде зависимости от числа 
, где 
– массовая скорость потока, вычисленная по исходной площади канала 
; 
– гидравлический диаметр канала, вычисленный без учета влияния сотовой структуры на объем и поверхность канала.
| Рис. 2. Влияние относительной глубины сотовой структуры на гидродинамическое сопротивление канала |
На основе полученных экспериментальных данных были построены зависимости степени интенсификации 
сопротивления в канале с сотовой структурой при различной ее относительной глубине 
(рис. 2). Как видно из рисунка, степень интенсификации сопротивления не прямо пропорциональна величине 
, а имеет максимум при 
, зависящий от величины относительного зазора 
Особенно указанное явление заметно при малых зазорах
( 
=0,5), что объясняется усилившимся влиянием противоположной стенки на течение в канале и деформацией характерного для сотовой поверхности поля скоростей.
На основе экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что характер течения и гидродинамическое сопротивление в канале с сотовой структурой значительно зависят от режима течения ( 
) и геометрических параметров канала ( 
) и самой структуры ( 
). В зависимости от относительного зазора 
изменяется не только величина сопротивления канала, но и максимальное ее значение при различной относительной глубине 
. Описанные явления указывают на необходимость дальнейшего детального исследования влияния режимных и геометрических параметров на течение в канале с сотовой структурой.
Материал поступил в редколлегию 02.05.2017
УДК 005.007
А.Н. Солдатов, М.О. Ашхотов
Научный руководитель: доцент кафедры «Тепловые двигатели», доцент, к.т.н., А.В. Осипов
МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА (СПГ) НА ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СТАНЦИИ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ (ТД) УСТАНОВОК
Объект исследования: процесс получения СПГ на ГРС с использованием турбодетандерных установок.
Результаты, полученные авторами: изучена методика получения СПГ на ГРС с использованием турбодетандерных установок.
В России, как стране с развитой сетью магистральных газопроводов, ресурсной базой создания малых производств СПГ являются расположенные на них многочисленные крупные и средние газораспределительные станции - ГРС, а также сеть автомобильных газонаполнительных компрессорных станций – АГНКС.
Сжижение природного газа осуществляется без дополнительных затрат электроэнергии только за счет использования разности давлений на входе и выходе ГРС на основе применения турбодетандерных установок.
Сжиженный природный газ (СПГ) получается из природного газа методом охлаждения его до криогенных температур: –160…–130 С. Температура кипения при атмосферном давлении: – 162… – 160 С.
Турбодетандер представляет собой обычную газовую турбину, которая работает на перепаде давления газа. Основной целью такого аппарата является расширить газ для его дальнейшего охлаждения. Турбодетандер осуществляет низкотемпературную обработку газа в различных промышленных установках, а так же принимает непосредственное участие в разделении многокомпонентных газовых смесей и в сжижении газа. Конструкция турбодетандера состоит из корпуса, ротора, соплового регулируемого аппарата и направляющего аппарата, который оборудован необходимыми поворотными механизмами.
На рис. 1 приведена принципиальная схема установки сжижения ПГ, разработанной применительно к ГРС с расходом природного газа 8000 нм3/ч, с расчетным давлением на входе в ГРС, равным 3,3 МПа, и на выходе - 0,28-0,6 МПа. Расчетная производительность установки по СПГ равна 24 тоннам в сутки.
Рис. 1. Принципиальная схема установки сжижения ПГ
Установка сжижения природного газа состоит из блока теплообменников вымораживателей, системы охлаждения компримированного газа, блока сжижения, двухступенчатого турбодетандер-компрессорного агрегата, автоматизированной системы контроля и управления работой установки (АСКУ), арматуры, в том числе управляемой, и КИП.
Для регенерации используется очищенный нагретый газ, что связано с дополнительными затратами энергии и часто - отвлечением части очищенного газа на нагрев и охлаждение адсорбента. При этом производительность блока адсорбционной очистки снижается из-за количества газа, направляемого на регенерацию. Это количество иногда может составлять более 20% от расхода газа, подаваемого на блок очистки.
Себестоимость СПГ, полученного по разработанной технологии, на 30-40% ниже себестоимости СПГ, полученного на АГНКС. Срок окупаемости капитальных вложений с использованием СПГ составит около 3 лет, против ранее полученных 6 лет. Для сравнения: при трубопроводном природном газе эта окупаемость составляет около девяти лет.
Материал поступил в редколлегию 4.04.2017
УДК 621.4
В.В. Соничев
Научный руководитель: доцент кафедры «Тепловые двигатели», к.т.н.,
В.В. Рогалёв