Диссертация (1143937), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Как видно, моментнаяхарактеристика не является линейной. Это связано с увеличением расхода ЦбРТ с ростомоборотов и напрямую следует из уравнения Эйлера для момента на валу турбины. Болееподробно особенности характеристик описаны для натурной ЦбРТ в Главе 3.В представленных кривых проявляется общая тенденция завышения момента иэффективности расчетными методами. Наиболее близкий к экспериментальным зависимостям93результатдемонстрируеттрехмерныйнестационарныйрасчет.Стационарныйрасчетпоказывает незначительное завышение характеристик по отношению к нестационарному вобласти малых u2/С0, с ростом характеристического числа завышение показателей становитсяболее значительным.Для режима πТ= 4,88 при низких частотах вращения (u2/С0=0,1) одномерный расчетдемонстрируетзавышениеэффективностина2,1%,трехмерныестационарныйинестационарные расчеты – на 1,6 и 1,3%, соответственно.
При росте характеристического числаразница с экспериментальными данными растет. При u2/С0=0,3 трехмерный нестационарныйрасчет дает завышение уже на 2,7%, стационарный - на 6,8%, а одномерный на 8,2%.Для режима πТ= 5,66 характерна та же картина работы расчетных моделей и методик иблизкие количественные результаты. Общая тенденция завышения эффективности прибольших частотах вращения сохраняется и для этого режима. При u2/С0=0,1 одномерный расчетдемонстрируетзавышениеэффективностина1,8%,трехмерныестационарныйинестационарные расчеты – на 2,2 и 1,8%, соответственно. При u2/С0=0,3 трехмерныйнестационарный расчет предсказывает завышение на 3,6%, стационарный – на 6,2%, аодномерный на 7,6%.Для обоснования возможности применения разработанных одномерных и трехмерныхметодик расчета характеристик ЦбРТ необходимо выполнить анализ источников неточностей вуказанным методиках.Причиной завышения эффективности применяемыми методиками могут являться:дополнительные потери от утечек рабочего тела (для одномерной и трехмернойметодик);ошибки моделирования режима течения, вызванные применением выбранногоподхода к моделированию турбулентности (для всех численных расчетов);дополнительные потери от нестационарности (для одномерного и трехмерногостационарного расчета).Потери трения диска уже отражены в представленных на рисунке 2.21 зависимостяхпутем применения эмпирических выражений для их расчетов (2.34) и (2.35).
Обоснованиевозможности применения указанных выражений приводится в разделе 2.3.3.Для определения действительного влияния указанных факторов на эффективностьследует провести анализ режима течения в ЦбРТ.942.5.1. Анализ режима течения в ЦбРТ СТ-2МПоля параметров потока ЦбРТ СТ-2М, а именно линии тока в проточной части рабочегоколеса и диффузора и поля чисел Маха в плоскости, перпендикулярной оси вращения, порезультатам стационарного и нестационарного расчетов приводятся на рисунках 2.22 – 2.23.Рисунок 2.22 – Линии тока в проточной части СТ-2М, слева – мгновенные поля, справа –осредненные по времени из нестационарного расчетаРисунок 2.23 – Числа Маха в проточной части СТ-2М, слева – мгновенные поля, справаосредненные по времени из нестационарного расчетаВ целом картина течения характерна для машин данного типа.
Ввиду существенногоперепада давления поток разгоняется до высоких скоростей на выходе из сопла рабочегоколеса, достигая чисел Маха более 2. В диффузоре наблюдается высокая неравномерностьпараметров потока. Это связано, в первую очередь, с высокой парциальностью на выходе израбочего колеса. Активная струя, покидая сопло, взаимодействует с пассивным потоком в95диффузоре, рождая сложные системы вихрей. Подобный режим течения в диффузоре приводитк тому, что даже удачные конфигурации диффузоров имеют эффективность не более 15 – 20%[26].Профилирование концевого обвода рабочего колеса нельзя признать удачным. Ввидутого, что эта поверхность не цилиндрическая, а имеет «полку», наблюдается формированиевихря, присоединенного в поверхности диска.
Вихрь этот под действием активной струи израбочего колеса и вращения колеса периодически срывается, существенно сокращая проходноесечение диффузора и снижая его эффективность. Глядя на рисунок 2.22 (слева), можно условноразделить объем диффузора на две зоны. Внутренняя часть, имеющая меньший радиус, большеподвержена влиянию потока выходящего из колеса и характеризуется большими скоростямипотока. Внешняя часть имеет меньшие скорости, во внешней части также движутсяоторвавшиеся от обвода рабочего колеса вихри. Блокирующий эффект вихрей выражается в томчисле в генерации неравномерности расхода рабочего тела на выходе из ЦбРТ, как показано нарисунке 2.24.
Расход на выходе осциллирует (зеленая линия), расход на входе же остаетсянеизменным (красная линия) ввиду того, что возмущения из диффузора не проникают зазвуковую границу в соплах.Рисунок 2.24 – Расход рабочего тела на входе и выходе СТ-2М962.5.2. Анализ неточностей одномерной и трехмерной методик моделирования ЦбРТДополнительные потери от утечки рабочего телаПри работе модельной ЦбРТ, описанной в данном разделе, имеет место утечка рабочеготела через лабиринтное уплотнение, его течение в придисковом зазоре и затем смешение спотоком, выходящим из сопла рабочего колеса. Втекание потока в область за колесом вноситсущественные возмущения в течение тела в диффузоре, снижая эффективность работы ЦбРТ.
Вчисленном расчете утечка рабочего тела и втекание расхода утечки в диффузор немоделировалось, следовательно, этот источник снижения эффективности не был учтен, приэтом, однако, оценка его представляется важной.Оценка дополнительных потерь от утечек рабочего тела производилась на кафедре«Турбины, Гидромашины и Авиационные Двигатели» экспериментально и описана в работеВ.В. Носова [26]. Для оценки снижения эффективности был произведен дополнительный вдуввоздуха в проточную часть через задний придисковый зазор.
Схема проведения экспериментаприводится на рисунке 2.25. В начале эксперимента в ЦбРТ подавался основной воздух,проводилась стабилизация режима установки, измерялся момент на валу. Затем через системудополнительного подвода в задний придисковый зазор через 31 отверстие на радиусе 80ммподводилось рабочее тело. Расход дополнительно подводимого воздуха при этом измерялся,так же как и продолжал измеряться момент на рабочем колесе установки.
В результате былопоказано, что дополнительный расход, вводимый в придисковый зазор и равный расходуутечки, уменьшает значение эффективности турбины на 1,8%. Опыты проводили при u2/С0=0,3.К сожалению, на других режимах влияние утечки на эффективность исследовано не было. Вработе В.В. Носова [26] обоснование увеличения потерь также не приводилось, но можнопредположить, что втекание дополнительного расхода утечки в диффузор ухудшает режимтечения в нем, снижая эффективность всей установки. Активное рабочее тело (струя,выходящая из ЦбРТ) на входе в диффузор имеет скорость не менее 300 м/с в абсолютномдвижении, в то время как рабочее тело, поступающее из придискового зазора – в 3…5 разменьше.Таким образом, снижение эффективности работы установки в результате втеканиярасхода утечки в диффузор могут составлять порядка 1,8%.
В дальнейшем, для расчетов ЦбРТцелесообразно выполнять моделирование вдува расхода утечки в диффузор без моделированияпридискового зазора и течения в нем. Расход утечки может определяться по эмпирическимзависимостям, как описано в разделе 1.3.4 текущей главы.97Рисунок 2.25 – Схема экспериментального определения ухудшения эффективности вследствиеувеличения расхода утечки [26]Неточности, вносимые выбранной методикой численного моделированияКак было отмечено в анализе режима течения модельной ЦбРТ СТ-2М, на выходе изсопла ЦбРТ имеет место отрыв рабочего тела и зона рециркуляции, локализованная напрофилированном обводе рабочего колеса.
При вращении колеса имеет место взаимодействиезоны рециркуляции и набегающего потока, что приводит к периодическим отрывам рабочеготела. Отрывающиеся цилиндрические вихри вращаются подобно вихрям в дорожке Кармана идиссипируют в диффузоре, снижая его эффективность.
Этот процесс является сложным с точкизрения численного моделирования, поскольку является мощным генератором турбулентности,характеристики которой к тому же явно анизотропны и существенно изменяются во времени. ВрамкахвыбранногонестационарнойRANSпостановки,подходаоднакоповедениевихрейхарактеристикивоспроизводитсяврамкахтурбулентностикорректновоспроизведены быть не могут, что может оказывать влияние на режим течения и достигаемыезначения эффективности.Отсутствие поправки на криволинейное движение потока в сильно закрученномвращающемсяканалеможетвноситьсущественныенеточностиврасчет,изменяяхарактеристики потока на выходе из сопла, что существенно влияет на режим пограничногослоя и локализацию отрывов потока. Тем не менее, количественно оценить вышеуказанныепогрешностизатруднительноввидуотсутствия(иневозможностиполучения)98экспериментальных данных по структуре потока в рабочем колесе и на выходе из него ввидумалых размеров проточной части, сверхзвукового течения и высокой неравномерности потока.Названные два фактора потенциально могут быть причиной завышения эффективностиЦбРТ, которую демонстрирует численный расчет в стационарной и нестационарнойпостановке.Анализ дополнительных потерь от нестационарностиАнализируя моментные кривые ЦбРТ для πТ=4,88, приведенные на рисунке 2.21, легкозаметить эквидистантность кривых, полученных в рамках нестационарного трехмерногорасчета и экспериментально, а также кривых, полученных в рамках одномерного и трехмерногостационарного расчетов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
