Разработка моделей рабочего процессе в центробежных компрессорах турбодетандерных агрегатов с учетом изменения свойств сжимаемого газа

Турбодетандерные (детандер-компрессорные) агрегаты (ТДА), широко используются в процессах добычи, подготовки, транспортировки, хранения и сжижения природного и попутного газа, а также разнообразных технологических циклах химической промышленности. Единичная ТДА постоянно растёт и достигает 12 МВт и более. Общее количество ТДА в РФ превышает тысячу экземпляров. Существенная часть ТДА не соответствует современным требованиям энергоэффективности в условиях изменения состояния месторождений, физически изношены. Для повышения КПД таких машин в условиях разработки новых ТДА и изготовления сменных проточных частей необходимы надёжные методики расчёта геометрии проточной части цетробежного компрессора (ЦК) - одной из важнейших частей ТДА. ЦК ТДА станций комплексной подготовки природного газа и попутного нефтяного газа (ПНГ) представлены в основном в виде одноступенчатого компрессора, который работает при высоких начальных давлениях газа и отношении давлений до 1,5 и выше. Это определяет необходимость учёта в процессе газодинамического проектирования ЦК и моделирования рабочего процесса сжатия изменения свойсв сжимаемой среды (учет реальности газа). Для проведения исследований течения в элементах проточной части турбомашин предполагается использовать методы вычислительной газовой динамики (CFD-расчеты). При этом будет проведена верификация CFD-расчетов по результатам экспериментальных исследований с целью определения оптимальных настроек решателя программы, густоты расчетнойсетки, комбинации задаваемых параметров на входе и выходе, методов обработки результатов расчетов, позволяющих получать газодинамические характеристики с требуемой точностью. Проведение натурных испытаний всего диапазона вариантов исследуемых объектов на стендах нецелесообразно, так как создание адекватной математической модели требует получения большого объема данных о характере и параметрах течения в элементах проточных частей турбомашин различной конструкции. Такой объем исследований невозможно провести в рамках физических экспериментов (потребовалось бы изготовить и испытать более 1000 различных конструкций проточных частей турбомашин). CFD-расчетыпозволяют не только определить газодинамические характеристики элементов, но и исследовать течение в них. Этого в полной мере невозможно сделать при натурных испытаниях. Возможность анализа картины течения позволит создать точные и физически обоснованные модели течения в элементах проточной части центробежного компрессора. Анализ характера течения в элементах проточной части ЦК ТДА и проведения виртуальных испытаний будет проводиться при помощи современных программ вычислительной газовой динамики (ANSYS CFX, NUMECA Fine/Turbo и др.), широко используемые в мировой промышленности и высоко зарекомендовавшие себя при проведении исследований течений жидкостей и газов. Результаты обработки экспериментальных данных будут использованы при создании математических моделей, описывающих параметры потока в элементах проточной части центробежных компрессоров. При построении математических моделей будут использоваться метод регрессивного анализа, метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод квазиортогоналей, канальный метод и другие подходы. Под математической моделью понимается совокупность уравнений, формул, определений, таблиц, соотношений и данных, которые описывают состояние объекта, ситуацию или явление, а также их динамику развития.