Диссертация (Безлопаточные центробежные ступени для турбодетандеров малой мощности), страница 23

Корневой обвод в сеченииэффективной площади F2eff диффузора поднят на 3,2 мм относительно вариантовV3-V4. Переходный обвод имеет большую протяженность для организацииплавного перехода. Также, в связи с существенным увеличением диаметракорневого обвода для исключения отрыва потока после прохождения сечения сминимальной высотой, корневой обвод выполнен коническим с углом раскрытия 2градуса. Коэффициент увеличения площади принят равным 1,98.132Вариант V6.

Для течений с малым углом выхода потока в абсолютном движениихарактернотечениепоповерхностям,образующимфигуру,называемуюоднополостным гиперболоидом. Подробно такой режим течения применительно кступням с большим относительным шагом был описан в работах ученых СанктПетербургского Политехнического университета [18]. При рассмотрении проекцийскорости на меридиональное сечение вектора скорости будут иметь все большийрадиус при удалении от точки выхода из сопла. С целью минимизации силовоговоздействия на поток представляется интересным спроектировать вариантдиффузора с образующими, определенными поверхностями гиперболоида.

Приэтом, принимая в учетсохранение момента количества движения сu∙r, приувеличении радиуса окружная компонента скорости сu будет уменьшаться, т.е.будет происходить преобразование кинетической энергии в потенциальнуюэнергию давления. Поскольку сu является основной компонентой с учетом сильнойзакрутки потока на выходе из ЦбРТ, вариант диффузора с гиперболическимиобразующими представляется интересным.Рисунок 4.3 – Эскизы диффузоров1334.1.4. Режим течения в осевом диффузоре ЦбРТ и эффективность разработанныхвариантовРассмотрим режим течения в базовом варианте диффузора V1, рисунок 4.4.Парциальность на выходе из рабочего колеса определяет высокую неравномерность параметровпотока в окружном направлении, которая распространяется ниже по течению до выходногосечения. Скорость активной струи, истекающей из сопла, достигает 300 м/с.

В то же времяскорость пассивного рабочего тела расхода утечки, втекающего в диффузор, близка к нулю.Наблюдается эжекционный эффект, создаваемый активными струями двух соседних сопл. Засчет него пассивное рабочее тело ускоряется значительно. Конфигурация диффузора, однако,не позволяет эффективно выполнить перемешивание потоков и на выходе из диффузора четкозаметны области с разной скоростью. Активная струя от предыдущего сопла огибает зонупассивного рабочего тела, отклоняясь в сторону выхода. Высокая неравномерность параметровпотока на всей протяженности диффузора выражается в низком коэффициенте восстановлениядавления.Рисунок 4.4 – Поле скорости диффузоров V1 и V3134Рисунок 4.5 – Поле скорости диффузоров V5 и V6Вариант диффузора V3 демонстрирует существенно более равномерное поле скорости навыходе. Эжекция пассивного рабочего тела происходит более эффективно за счет уменьшенияэффективной площади.

Уменьшение высоты сечения в данном случае не изменяетпринципиально скорость истечения активной струи, но позволяет ускорить пассивное рабочеетело, что и вносит вклад в улучшение эжекционной способности. Проекции линий тока наплоскости сечения диффузора показывают меньшую завихренность потока.

Отклоненияактивной струи от предыдущего сопла не наблюдается, что приводит к более равномерномуполю скорости, количественно выражающееся в почти двукратном росте коэффициентавосстановления давления.Режим течения в диффузоре V5 сходен с вариантом V3. Наблюдается меньшая закруткаструи от предыдущего сопла, что приводит к уменьшению потерь трения и повышаеткоэффициент восстановления давления. В диффузоре варианта V6, несмотря на некоторуюнеравномерность поля скорости, средняя скорость выхода потока меньше, что выражается влучшем восстановлении давления этой модификацией.В таблице 4.1 приводятся показатели работы разработанных модификаций диффузоров.Интересно провести анализ влияния на эффективность диффузора турбины с парциальнымвыходом потока двух ключевых геометрических параметров: эффективной площади на входе икоэффициента увеличения площади n. Для этого приведены результаты относительногоизменения эффективной площади на выходе, коэффициента n и коэффициента восстановлениядавления для вариантов V4-V2, V4-V3 и V5-V3.135Таблица 4.1 – Показатели работы разработанных вариантов диффузоровV1V2V3V4V5V6Fсопл2ммF2eff2ммF32мм6016147901479011840118401021011840234402344023440198912021319891V4-V2V4-V3V5-V3ΔF2eff , %-200-14F3/F2eff1,581,581,981,681,981,68Δ(F3/F2eff), %6-150p2 Па589470585890582100582860578590572580cp0,0540,0710,0940,0900,1110,142Δcp , %27-418Как видно при сравнении вариантов V3 и V4, при неизменной эффективной площадиF2eff и уменьшении коэффициента n на 15% падение коэффициента давления составит всего 4%.Напротив, при неизменном коэффициенте изменения площади n, относительное уменьшениеэффективной площади численно практически эквивалентно увеличению cp.

Таким образом,анализ режима течения и количественных показателей работы позволяет сделать вывод опревалирующем влиянии эффективной площади на входе на режим течения и эффективностьдиффузора. Диффузор варианта V6 с гиперболическими образующими продемонстрировалнаилучшие показатели работы.4.1.5. Оценка мощности и эффективности ЦбРТ при работе с диффузоромОценка повышения мощности и эффективности ЦбРТ производилась для диффузора V6как наиболее совершенного. При моделировании использовались рекомендации И.Г. Гоголева[9], указывающие, что для корректной оценки количественных показателей работы диффузора всоставе установки необходимо учитывать влияние выходного патрубка.

Для сбора рабочеготела после диффузора была выполнена кольцевая сборная камера постоянного прямоугольногосечения. Расчетная модель представлена на рисунке 4.6. В соответствии с методическимирекомендациями по моделированию, изложенными в разделе 2.4.3, с учетом отсутствия осевойсимметрии задачи, проводилось моделирование полной окружности рабочего колеса,диффузора и полной модели сборной камеры.136Рисунок 4.6 – Модель ЦбРТ с диффузором и сборной камеройКоличественные показатели работы ЦбРТ с диффузором V6 и кольцевой камеройсравниваются с показателями ЦбРТ с выходным патрубком, описанной в Главе 3, и приводятсяв таблице 4.2 и на рисунке 4.7.

Как видно, применение диффузора увеличивает внутреннююмощность ЦбРТ на 2,5…7,4%, на режиме максимальной эффективности при u2/C0≈0,6 приростмощности составляет более 5%. Прирост внутреннего КПД в диапазоне допустимых частотвращения составляет до 3%, на режиме максимальной эффективности – плюс 2,3%.Таблица 4.2 – Сравнение показателей работы ЦбРТ с патрубком и диффузоромn300060001100016000u2/C0Мu, НмNu, Дж//кгМu diff, НмNu diff, ВтNтр, ВтNв, ВтNв diff, ВТΔNв, %ηt-sηt-s diff0,1137,843264141,244337119242073431452,50,1640,1680,2125,77893312981012175877175792542,70,2950,3030,4107,212342311513240321001213231303037,40,4280,4600,6100,6168513105,5176677105501579631661275,20,4870,5121372000001800000,550N, Вт0,5001600000,4501400000,400120000ηt-s0,350100000Nв80000Nтр60000ηt-s0,300ηt-s diff0,250Nв diff40000n пред200000,1500u2/C0 0,1000,00,20,40,6n пред0,200u2/C00,00,20,40,6Рисунок 4.7 – Внутренняя мощность и внутренний КПД ЦбРТ с патрубком и диффузоромХарактер течения в ЦбРТ рассматриваемого конструктивного варианта не приводитсяввиду отсутствия каких-либо особенностей, не отмеченных выше при рассмотрении режимовтечения в ЦБРТ с диффузорами.

Отметить следует существенно меньшие объемы вихревых зон(λ2<0,02) по сравнению с работой ЦбРТ с выходным патрубком, как показано на рисунке 4.8.Рисунок 4.8 – Поле завихренности по критерию λ2 на выходе ЦбРТ с патрубком и диффузором1384.2.Улучшение технологичности и характеристик уплотнений ЦбРТВ главе 3 было показано, что доля от утечки рабочего тела в общем балансе потерьсоставляет от 9 до 12% в диапазоне допустимых частот вращения. Таким образом, задачаснижения утечки является актуальной с точки зрения увеличения эффективности ЦбРТ.В то же время, технологичность бесконтактных лабиринтных уплотнений, примененныхв модельной ЦбРТ и описанных в работе В.В.

Носова [26], не является удовлетворительной,принимая в учет концепцию максимально простого в изготовлении, сборке и обслуживанииДГА.В рамках улучшения технологичности и эффективности уплотнений будет рассмотренавозможность применения ступенчатого лабиринтного уплотнения, не содержащего разъемныхчастей и не требующего точного контроля осевого зазора.С целью дальнейшего уменьшения расхода утечки будет проанализирована возможностьприменения контактных уплотнений на корневом диаметре ЦбРТ с учетом характерныхокружных скоростей.4.2.1.

Конструкция ступенчатого лабиринтного уплотненияВ модельной ЦбРТ было применено петлевое лабиринтное уплотнение. Оно имеет двасущественных технологичных недостатка. Во-первых, петлевая конструкция предполагает егоразрезную статорную часть. Во-вторых, осевое расстояние между гребнями уплотнениясоставляет всего 0,75 мм, что диктует очень высокие требования к осевому позиционированиюкомпонентов. С учетом концепции максимальной простоты ЦбРТ для ДГА последнеетребование является неприемлемым.Рассматривается ступенчатое уплотнение с высотой ступеньки 1,1 мм. Ступенчатостьвведена с целью исключить попадание струи активного рабочего тела, истекающей надгребнем, напрямую в следующий зазор и вовлечь расход утечки во вращательное движение вкамере. В то же время, ступенчатость позволяет делать обе части уплотнения неразрезными,что определяет технологичность и простоту сборки.