Диссертация (1143937), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Значение расхода утечки не моделировалось напрямую всвязи с принятым подходом к численному моделированию, описанным в разделе 2.4,соответственно, на характеристике приведено его аналитически рассчитанное значение.Момент рабочего колеса в области низких частот вращения выше по результатамчисленного расчета, что говорит, очевидно, о более высоком коэффициенте скорости сопла вэтом диапазоне, чем задано в одномерной методике. Далее, с ростом частоты вращения,одномерная модель имеет тенденцию к завышению значений эффективности.
Причина лежит вувеличении потерь от нестационарности, что было показано в разделе 2.5.2 и хорошокоррелирует с результатами, полученными в работе А.А. Себелева [39]. С ростом частотывращения также имеет место увеличение потерь в процессе сжатия при движении рабочего телана периферию. Поскольку одномерная модель не воспроизводит эти виды потерь, рассчитанныепо ней значения завышены относительно полученных в результате численного моделирования.Отличие в моментных кривых закономерно находит отражение и в кривых окружноймощности, где по результатам численного моделирования отмечаются меньшие значения вобласти высоких частот вращения.Значения мощности трения в соответствии с реализуемой расчетной методикой былиполучены численно и применяются для получения значений внутренней мощности как дляодномерного, так и численного расчетов.Кривые эффективности также отражают отмеченную выше тенденцию, показываяблизкие значения эффективности в области малых частот вращения и увеличивающеесярасхождение начиная с u2/С0= 0.25.
Интересно, что результаты, полученные на натурномрабочем теле, отличаются от результатов по модельной ЦбРТ. При верификации моделиобласть применения одномерной модели ограничивалась вдвое меньшим характеристическимчислом. Возможно, полученная разница объясняется существенно более высоким числомРейнольдса при работе ЦбРТ на природном газе.Одномерная модель демонстрирует завышение внутреннего КПД ЦбРТ до 5%,показывая также несколько завышенное положение оптимума по характеристическому числуu2/С0.
Полученная разница в значениях эффективности несколько превышает таковую,полученную в результате валидации расчетных методик в Главе 2 текущей работы, что следуетсвязать с большим характеристическим числом в натурной машине, определяющим, как былопоказано ранее, более высокие потери от нестационарности.115Положение оптимума по u2/С0 по результатам трехмерного нестационарного расчетанесколько превышает предельное значение частоты вращения, определяемое прочностнымисоображениями. Примечательно, что учитывая переоценку эффективности численной модельюЦбРТ, которую можно оценить порядка 2% (по результатам валидации не более 2,2% дляu2/С0=0,3 при πТ<5), и обычно связанный с этим сдвиг положения оптимума похарактеристическому числу, можно для реальной ЦбРТ ожидать положение максимаэффективности при предельной частоте вращения. Количественно, внутренний КПД составитпри этом около 47%.3.2.Анализ режима течения и режимных параметров ЦбРТПроведем анализ режима течения в натурной ЦбРТ.
Рассмотрим режим течения вканалах рабочего колеса (рисунок 3.9) , в косом срезе (рисунок 3.10), а также в выходномпатрубке (рисунок 3.11 и 3.12). Динамика расхода рабочего тела на входе и выходе ЦбРТпредставлена на рисунке 3.12.Рабочее тело входит в колесо без закрутки в абсолютном движении, вызывая отклонениеугла движения потока от угла наклона канала в окружном направлении. Ввиду этого, а такжевследствие резкого поворота от осевого направления к радиальному, формируются парныевихревые системы в каждом канале. По мере движения к периферии под действиемцентробежных сил и благодаря уменьшению проходного сечения канала линии токавыравниваются. К критическому сечению поток рабочего тела приближается, имея ужевысокую степень равномерности. Профилирование суживающейся части сопла передкритическим сечением выполнено не совсем удачно, что приводит к формированию небольшойзоны рециркуляции, не вносящей, тем не менее, существенных возмущений в поток.Большой располагаемый перепад энтальпий на ступень предполагает достижениевысоких чисел Маха потока, выходящего из сопла.
Локальные числа Маха достигают двух длявсех рассмотренных частот вращения, осредненное число Маха растет с ростом оборотов засчет роста расхода рабочего тела. Наблюдается система из пяти косых скачков уплотнения.Взаимодействие активного высокоскоростного потока с рабочим телом в патрубке приводит кразмытию струи и определяет высокие потери на смешение и вентиляцию, что отражено в ростеэнтропии. Наличие нестационарных вихревых структур в области выхода потока из рабочегоколеса, показанных на рисунке 3.11, также вносит вклад в уменьшение коэффициента скоростисопла φ, количественная оценка которого приводится ниже.
Существенное падениетемпературы, наблюдающееся в косом срезе, далее несколько компенсируется за счет116торможения струи при входе в патрубок. Однако, полученное значение температуры порядка 20°С говорит о необходимости предварительного подогрева газа.Рисунок 3.9 – Линии тока с числами МахаИстечение активной струи в свободное пространство выходного патрубка рождаетнеблагоприятный режим течения с высокой неравномерностью, нестационарностью ипульсациями параметров потока.
Визуализация поля завихренности в CFD Post при помощикритерия λ2 (λ2 criterion) дает возможность выделить области интенсивного вихреобразования.Как видно из рисунка 3.11, взаимодействие активной струи, покидающей сопло, и рабочего телав патрубке формирует протяженные вихревые жгуты по всей окружности периферии рабочегоколеса. Наиболее объемные вихревые области находятся в выходной части патрубка. Тампроисходитдроблениепериферийныхвихревыхструктур,определяющеевысокуюнестационарность процесса. Двигаясь с потоком рабочего тела в область выхода, вихривызывают периодическое во времени изменение его живого сечения, а значит, и переменноесопротивление выходной части патрубка.
В результате, можно наблюдать осцилляции расходарабочего тела на выходе ЦбРТ, достигающие до 20% среднего расхода, как показано на рисунке3.12. Такие пульсации неизбежно будут оказывать влияние на режим работы регулирующегооборудования ГРС, установленного ниже по потоку, вынуждая регуляторы расхода кпериодическому отслеживанию изменения потока рабочего тела. Учитывая совпадение частот117процесса колебания расхода и ответа регулирующего оборудования, а также наличия прямойаэродинамическойсвязи,создаютсянеблагоприятныеусловиядлявозникновенияавтоколебательного процесса в системе.Рисунок 3.10 – Поля параметров потока в косом срезе соплаОсновнойпричинойотмеченныхнестационарности рабочего процесса являются:неравномерностипараметровпотокаи118неравномерность параметров потока на выходе из ЦБРТ за счет выходнойпарциальности ε=0,42;взаимодействие активного потока, выходящего из рабочего колеса, с пассивнымрабочим телом в патрубке.Попадая в пространство патрубка, рабочее тело снижает свою скорость и движется поокружности в цилиндрической части патрубка в сторону выхода в его верхней части.
Движениев открытом пространстве большого объема и периодическое взаимодействие со струями израбочего колеса приводит к активному вихреобразованию. Характерное число Маха на выходеиз косого среза сопла составляет не менее 1,2, в то время как в патрубке – от 0,3 до 0,7.Очевидно, мероприятия по стабилизации потока должны включать организацию течениярабочего тела для снижения отмеченного интенсивного взаимодействия активного ипассивного потоков.
Из этого явно следует необходимость увеличения скорости течения впатрубке в области взаимодействия с колесом, далее же скорость должна быть снижена дляснижения потерь полного давления.Рисунок 3.11 – Режим течения в выходном патрубке120Рисунок 3.12 – Режим течения в выходном патрубке и динамика массового расхода3.3.Основные источники потерь, направления совершенствования ЦбРТРезультаты расчетов по одномерной методике и численного моделирования вариантанатурного ЦбРТ показывают значения внутреннего КПД в диапазоне 49…54%. Рассмотримбаланс потерь ЦбРТ в широком диапазоне характеристического числа u2/С0 для выявленияосновных источников потерь. Диаграмма потерь и эффективности приводится на рисунке 3.13.Диаграмма получена по результатам одномерного расчета путем оценки потери располагаемоймощности от действия каждого источника потерь и приведения полученных значений кбезразмерному виду.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
