Грановский А.В. Разработка методов повышения газодинамической эффективности высоконагруженных ступеней охлаждаемых газовых турбин (1015807), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В работе собраны экспериментальные данные по измерениюрадиальной эпюры температур вдоль проточной части в 10 турбинах, которые значительноотличались друг от друга по расходу, мощности и количеству ступеней. На рис. 2-аэкспериментальные эпюры относительной температуры ∆Т*= Т*- Т*ср на входе имеют выраженныйпараболический характер и разница температуры между температурой потока около корпуса имаксимальной температурой составляет 300 – 400 градусов.CА1относительная высотаTurbine #30.6Turbine #7Turbine #8Turbine #90.4относительная высота0.80.8Turbine #1Turbine #2Turbine #3Turbine #4Turbine #5Turbine #6Turbine #8Turbine #9Turbine #100.60.40.20.20-500Выход11-400-300-200-100T*01002000-150-100-50050100150T*а)б)Рис.2 Измеренное распределение относительной полной температуры по радиусу:а) - на входе в турбины; б) – на выходе из проточной частиНа рис. 2-б видно, что радиальные распределения температуры на выходе являются болееравномерными.
На основе, проанализированных экспериментальных данных по температуре врамках решения системы уравнений Эйлера был разработан алгоритм учета температурнойдеформации вдоль проточной части. Предложенный «тепловой алгоритм» позволяет более точнопредсказывать граничные условия для венцов и интегральные характеристики всей турбины прииспользовании программы расчета пространственного потока в многоступенчатых турбинах поуравнениям Эйлера.Для расчета потерь на трансзвуковых режимах был разработан быстрый метод, основанныйна статистической обработке экспериментальных данных по потерям в турбинных решетках.Приемлемая точность при расчете профильных потерь на трансзвуковых режимах была достигнутапри использовании метода локальной аппроксимации имеющихся экспериментальных данных.На рис 3 приведено сопоставление расчетных и экспериментальных значений профильных потерьдля 7 решеток.
Необходимо отметить, что все лопатки имели относительную толщину выходнойкромки d2 > 10%.10ζζпр10 .0 6пр50 .0 60 .0 40 .0 80 .0 420 .0 20 .0 60 .1 00 .0 40 .0 80 .0 60 .0 60 .0 40 .0 40 .0 840 .0 20 .0 60 .1 00 .0 40 .0 80 .0 260 .0 830 .80 .91 .01 .11 .2λ70 .0 60 .82 ад0 .91 .01 .11 .2λ2 адРис. 3 Сравнение расчетных и экспериментальных потерьв решетках 1 – 7. ◊ – эксперимент; ─ расчетВ третьей главе рассматриваются экспериментальные методы изучения структуры потока иопределения потерь в лопаточных аппаратах газовых турбин. При исследовании турбинных решетокна трансзвуковых режимах необходимо подробнее измерять поля полного и статического давленийиз-за значительной окружной неравномерностивызванной внешними и внутреннимидавления и углов выхода потока за решеткой,кромочными скачками уплотнения.
Для траверсированияпотока за решеткой были разработаны несколько типов комбинированных насадков. В результатесравнительныхиспытанийнаименьшуюпогрешностьпродемонстрировалкомбинированныйнасадок, где трубка Пито, объединенная с двумя скошенными трубками для измерения углов потокаразнесена по фронту с игольчатым насадком для измерения статического давления с цельюисключения их взаимного влияния.По сравнению с испытаниями плоских решеток преимуществом секторных решеток являетсявозможность исследования натурных лопаток. Особенностью при испытании секторных решетокявляется обеспечение граничных условий на входе и выходе близких натурным. В частности, приотсутствии радиального градиента на выходе за решеткой под действием поля центробежных силвозникает отрыв потока от втулки, резко искажающий всю картины течения (в том числе и уровеньпотерь).
Для моделирования реального радиального градиента за трансзвуковой секторной решеткойбыло выполнено устройство в виде кольцевого сегмента, размещенного на периферии проточнойчасти. На рис. 4 приведена схема секторной решетки с устройством, позволяющим моделироватьреальный радиальный градиент давления за решеткой.111.61.5P 2нар /Р2вт?=6мм1.4РТ1.3?=3мм1.21.10.80.911.11.21 .3λ 2а дсра)б)Рис. 4 Секторная решетка с устройством, моделирующим радиальный градиента)Схема секторной решетки; б) Зависимость отношения средних статическихдавлений на периферии и у втулки от скорости λ2 ад срНаиболее подходящими для исследования локальной структуры потока, особенно, внутримежлопаточных каналов, являются бесконтактные методы измерения характеристик течения.
Ктаким методам относится метод определение количественных характеристик потока при помощилазерного измерителя скорости (ЛИС). Для комплексного экспериментального исследованияхарактеристик трансзвуковых решеток был создан экспериментальный комплекс, приведенный нарис.5, который позволяет получать информацию об особенностях структуры потока в турбинныхрешетках при использовании различных экспериментальных методов.Рис. 5. Схема экспериментального комплекса: 1 – рабочая часть, 2 – ресивер,3 –Теплер, 4 – лазер, 5 – оптическая система, 6 – электромотор.Оптическая схема ЛИС позволяет проводить измерение двух компонент скорости в диапазоне Vx,y =100 – 400 м/c с погрешностью 0.01. Для получения надежных измерений при помощи ЛИСнеобходимо рассеивать в потоке большое количество одинаковых по размерам (монодисперсных)частиц с концентрацией порядка 105/см3.
Для получения таких частиц был создан специальныйгенератор масляных частиц. Для надежного определения локальной скорости потока необходимо не12менее 3000 измерений пролета масляной частицы сквозь интерференционную решетку, созданнуюлучами лазера. В результате обработки измерений ЛИС получают значения пульсационнойсоставляющей скорости, ее среднее значение и направление.При визуализации картины течения на трансзвуковых режимах работы особенно важнофиксировать картину течения на заданном режиме работы. Поэтому был разработан специальныйспособ визуализации, позволяющий отделить картину течения на исследуемом режиме от техвоздействий, которые оказывают на нее другие режимы работы. Для получения картины течения назаданном режиме к основному потоку подмешивается мелко распыленный краситель, которыйтонким слоем покрывает обтекаемые элементы проточной части, фиксируя линии тока, следыскачков уплотнения, отрывных зон, и т. д.
На рис. 6 видны различные картины течения на спинке наразных режимах обтекания.Отрывная зонаа)б)Рис. 6 Визуализация потока на спинке лопатки на режимах: а) – λ2 ад = 1.05; б) – λ2 ад = 1.12В четвертой главе проведено изучение особенностей структуры потока в лопаточныхаппаратах турбин численными и экспериментальными методами. В частности, расчеты течения поуравнениям Эйлера показали, что в большинстве исследованных решеток, звуковая линия не былапрямолинейной и не располагалась в окрестности геометрического горла. Значительное расширениеинформации о структуре потока дали расчеты по уравнениям Навье–Стокса.
Учет вязких эффектов,уровня и масштаба турбулентности позволили уточнить расположение и интенсивность скачковуплотнения после их взаимодействия с пограничным слоем, выявить расположение и размерыотрывных зон.Значительное сгущение расчетной сетки в окрестности профиля (сетка типа О)позволяет зафиксировать особенности обтекания входной и выходной кромок, след за решеткой иуровень потерь.Такой подход был использован при анализе структуры потока и потерь в турбинных решеткахразличной конфигурации. В частности были спроектированы: средненагруженная, задненагруженнаяи передненагруженная периферийные решетки.
Для этих решеток с различной кривизной спинки13(угол отгиба соответственно δ = 24°, 33°, 44°) было проведено численное исследование в широкомдиапазоне изменения чисел Re = 2…12х105 и интенсивности турбулентности на входе ε = 0.02…0.12.Расчеты показали, что для редких решеток периферийных сечений (t/l =1.05) уровень профильныхпотерь при интенсивности входной турбулентности ε > 0.02 и Re > 5x105 практически не зависит отхарактерараспределенияскоростивдольспинкипрофиля.Нарис.7приведеныдлязадненагруженной решетки распределения линий λад = const, полученные на основе решения поуравнениям Навье–Стокса, при двух значениях числа Re = 3x105 и 5x105 при степени турбулентностипотока перед решетками ε = 0.04. Видно, что при Re = 5x105 не происходит отрыва потока на спинке, но уже при Re= 3x105 реализуется развитой отрыв на спинке (коэффициент трения сf<0).12 (отрыв на спинке)Рис.
7 Структура потока в задненагруженной решетке при разных числах Re при λ2ад =0.7При экспериментальном исследовании турбинных решеток рассматривают три характерныеобласти: перед решеткой определяются: распределение полного давления и интенсивностьтурбулентности; в межлопаточном канале определяются: расположение и величина местныхсверхзвуковых зон, расположение и интенсивность внутренних скачков уплотнения, характер ихвзаимодействия с пограничным слоем,наличие отрывных зон; за выходными кромкамиопределяются: расположение и интенсивность внешних скачков уплотнения, величина донногодавления, потери полного давления в кромочном следе. Кроме того, проводятся измерения:статического давления по обводам профиля и вдоль фронта за решеткой в пределах 1.5–2 шагов навтулке и периферии, визуализация потока на поверхностях межлопаточного канала.
На рис.8приведены экспериментальные распределения скорости λад по обводам профиля в плоских решетках(сопловой и рабочей), которые позволяют проанализировать интенсивность и поведение внутреннегоскачка уплотнения в зависимости от приведенной скорости за решеткой λ2 ад.14Рис. 8 Экспериментальное распределение скорости в сопловой и рабочей решеткахЭкспериментальное исследование пространственной структуры потока проводилось на секторнойрешетке, составленной из 7 натурных сопловых охлаждаемых лопаток, приведенной на рис 9.Рис.
9 Вид секторного пакета и схема измерения статического давления на выходеРезультаты измерений на входе в решетку показали, что на всех режимах работы поле давлений былодостаточно однородным. На выходе из решетки для фиксации значительной неравномерности потокастатическое давление измерялось вдоль фронта решетки на периферии и на втулке на различныхрасстояниях от выходных кромок по направлению осевой составляющей скорости потока (см. рис.9).Комбинированный насадок траверсировал поток по концентрическим дугам за секторной решеткой вокружном направлении при различном расположении координатника по высоте канала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
