Диссертация (1143937), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Снижение расхода утечки на 20% от текущихзначений определит прирост внутреннего КПД до 1,5% на режиме максимальнойэффективности.1264.РАЗРАБОТКАМЕРОПРИЯТИЙСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯЦЕНТРОБЕЖНО-РЕАКТИВНЫХ ТУРБИН В СОСТАВЕ ДЕТАНДЕРГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТАДанная глава посвящена разработке мероприятий увеличения эффективности ЦбРТ,сформулированных и обоснованных в Главе 3. С целью совершенствования ЦбРТ предлагается:Выполнить сверхзвуковое профилирование выходного сопла;Разработать и повести численную апробацию осевого диффузора;Проработать вопрос совершенствования бесконтактных и применения контактныхуплотнений для уменьшения расхода утечки рабочего тела.Вопрос сверхзвукового профилирования сопл турбомашин очень широко проработан кнастоящему времени.
Использование метода характеристик позволяет получать высокиекоэффициенты скорости для чисел Маха до 2 и выше, как показано в многочисленныхисследованиях [35, 60, 61, 63, 97, 103]. Не вызывает сомнения возможность применения такоготипа профилирования и для сопла ЦбРТ. Разработка сверхзвукового профилирования не будетрассматриваться в текущей Главе с целью уделения большего внимания мероприятиям поуменьшению потерь с выходной скоростью и утечки рабочего тела, а также стабилизациипотока на выходе из рабочего колеса.Раздел 4.1 посвящен разработке и численной апробации осевого диффузора для ЦбРТ.Описаны факторы, оказывающие влияние на эффективность диффузора.
Предложено нескольковариантов конструкции с выбором оптимальной и обоснованием причин ее лучшей работы.Раздел 4.2 посвящен проработке бесконтактного ступенчатого лабиринтного уплотненияи определению возможности применения контактных уплотнений в ЦбРТ. Выполненаапробация ступенчатого лабиринтного уплотнения с целью оценить его эффективность посравнению с петлевым лабиринтным. Расчеты проведены в широком диапазоне степенейпонижения давления и во всем диапазоне допустимых частот вращения. Обзор конструкций ипараметров современных контактных уплотнений дополняет раздел и определяет потенциалувеличения эффективности ЦбРТ за счет их применения.4.1.Разработка и численная апробация осевого диффузора ЦбРТ4.1.1.
Факторы, определяющие режим течения в диффузорахПо вопросу проектирования, расчетного и экспериментального исследования осевыхдиффузоров газовых и паровых турбин к настоящему времени накоплен значительный опыт.Существует множество работ, рекомендующих оптимальные соотношения геометрических127параметров в них [9, 11, 110]. Эти работы рассматривают случай проектирования диффузораэнергетических турбин с равномерным окружным распределением скорости и направлениемпотока на входе, близким к осевому, что не соответствует условиям работы диффузора ЦбРТ.Для разработки конструкции диффузора ЦбРТ и определения корректного подхода кмоделированию следует выделить основные параметры, оказывающие влияние на режимтечения в диффузоре и определяющие его эффективность.Вкачествепоказателяэффективностиработыдиффузоравыступаетобычнокоэффициент восстановления давления, определяемый в соответствии с выражением (4.1).cp p3 p 2,(4.1)c 2222где индексом «2» обозначены параметры потока на входе в диффузор, а «3» - на выходеиз него.Знания о рабочем процессе в диффузорах накапливались интенсивно с 50-х годовпрошлого столетия и наиболее полно систематизированы в работах В.А.
Черникова,И.Г. Гоголева и Z. Burton [9, 44, 54]. В качестве основных определяющих факторов указанныеавторы выделяют:угол закрутки потока на выходе из турбины в абсолютном движении;активную струю перетечки через радиальный зазор;неравномерность параметров потока в окружном и радиальном направлении;степень турбулентности потока.В работе И.Г.Гоголева [9] показано, что при росте закрутки потока от осевогонаправления до 40° отмечается рост коэффициента восстановления давления. Дальнейшаязакрутка обладала негативным влиянием на эффективность диффузора.Влияние активной струи радиальной перетечки рабочего тела на режим течения вдиффузоре подробно описан в работах A.
Benim [84], C. Finzel [65], L. Tajc [102]. Показанапринципиально разная реализация режима течения в части появления отрывов рабочего телапри различной интенсивности утечки через радиальный зазор. В целом, отмечаетсяположительное влияние радиальной перетечки ввиду ее способности предотвращать появлениеи уменьшать интенсивность отрывных зон.Влияние неравномерности параметров потока описывалась И.Г. Гоголевым в его работе[9].
Автор со ссылкой на другие работы показывает, что возможно как позитивное, так инегативное влияние неравномерности на режим и эффективность диффузора. В связи с этим,неравномерность потока, ввиду трудности однозначной оценки ее влияния, должнаучитываться при моделировании диффузора.128Степень турбулентности потока во многом определяет режим течения в диффузоре.Механизм влияния заключен в энергетическом воздействии турбулентных пульсаций напограничный слойи связанное с этим подавление отрывных течений. Анализ влиянияуказанного фактора приведен в работах В.К. Мигая [24] и, наиболее полно, в работахJ. Hoffmann [69].
Автор показывает возможность существенного (до 11,5 процентов)увеличения коэффициента восстановления диффузора при увеличении интенсивноститурбулентности на входе в диффузор. При работе диффузора турбины основным генераторомтурбулентных пульсаций является рабочее колесо, находящиеся переддиффузором.Исследования В.А. Черникова и Z.Burton особенно подчеркивают влияние генерируемойтурбиной турбулентности и обосновывают необходимость совместного моделирования отсекаступень-диффузор.Систематизация подходов к экспериментальному и численному исследованию,приводимая в работах В.А.
Черникова, И.Г. Гоголева и Z. Burton [9, 44, 54], привела авторов квыводу о необходимости совместного исследования диффузора с последней ступенью турбины.4.1.2. Подход к моделированию диффузора ЦбРТДля определения подхода к моделированию рассмотрим проявление отмеченных вышефакторов в условиях работы диффузора натурной ЦбРТ.Для конструктивной реализации ЦбРТ не характерно наличие радиальной перетечки, какв осевых турбомашинах.
Однако перетечка через уплотнение требует учета при моделированиидиффузора, поскольку определяет режим течения и эффективность. Схема утечек рабочего телапредставлена на рисунке 4.1. Как видно, рабочее тело через лабиринтное уплотнение проникаетв придисковое пространство. Затем, ввиду понижения давления на выходе из турбины за счетработы диффузора, втекает в диффузор и уносится активным потоком рабочего тела,выходящего из сопла. Эжекция пассивного рабочего тела негативным образом влияет на режимтечения и эффективность диффузора.Влияние неравномерности потока существенно ввиду парциальности на выходе израбочего колеса и требует учета.Течение в натурном ЦбРТ характеризуется высокими числами Рейнольдса, что являетсяблагоприятным ввиду отмеченных выше физических особенностей.
Влияние рабочего колесаЦбРТ на турбулизацию входящего в диффузор потока дополнительно проявляется ввидуналичия скачков уплотнения как мощного генератора турбулентности.Таким образом, действие всех перечисленных факторов, определяющих режим течения иэффективность диффузора, обнаружено как имеющее место в натурном ЦбРТ.
Для их129корректного учета примем подход совместного моделирования ступени ЦбРТ и диффузора какрекомендованный в литературе [9, 44, 54].Рисунок 4.1 – Схема утечек рабочего телаОстальные параметры численной модели принимаются, как описано в Главе 2, раздел2.4, как подтвердившие свою работоспособность в результате валидации по результатамэкспериментального исследования. Единственным отличием является возможность применениясекторного моделирования вместо расчета полной окружности, поскольку течение при работеступени с осевым диффузором имеет выраженную осевую симметрию.Расход утечки рабочего тела, втекающий в диффузор, как было показано, также требуетучета и потому включен в численную модель.
Все приведенные варианты диффузороврассчитывались совместно с рабочим колесом ЦбРТ на режиме максимальной эффективностиu2/С0=0,6. Расход утечки принят равным по результатам одномерного расчета 0,204 кг/с.Граничные условия для расчета принимались как для расчета натурной ЦбРТ с выходнымпатрубком и указаны в Главе 3.1304.1.3. Проектирование диффузораВопрос проектирования диффузора в отмеченных условиях высокой неравномерности исильной закрутки потока является исключительно сложным. Рекомендации по проектированиютаких устройств не содержатся в литературе и должны быть разработаны на основе пониманияфизики потока и общих принципов работы диффузоров.
С одной стороны, условия течения вдиффузоре ЦбРТ не являются благоприятными. Кинематика ЦбРТ, описанная подробно вГлаве 3, показывает углы выхода в абсолютном движении α2 порядка 165…170°, что определяетрежим работы диффузора в заведомо неблагоприятной области. Неравномерность в окружномнаправлении прямо следует из парциальности на выходе из рабочего колеса ε=0,42. С другойстороны, высокие числа Рейнольдса и генерация турбулентности косыми скачками уплотнениядолжны иметь благоприятное воздействие на режим течения, препятствуя появлению иразвитию отрывов.Меридиональное сечение осевого диффузора ЦбРТ с обозначенными основнымипараметрами представлено на рисунке 4.2.Рисунок 4.2 – Схема осевого диффузора ЦбРТ и основные геометрические параметрыВ качестве базового варианта рассмотрен конический диффузор с постоянным корневымдиаметром.
Вдув расхода утечки производится в корневую область. Для улучшения смешенияактивногопотока,выходящегоизрабочегоколеса,ирасходаутечкивыполненпрофилированный переходный обвод.На рисунке 4.3. представлены эскизы исследованных вариантов осевых диффузоров.131Базовая модель V1 имеет постоянный корневой диаметр, равный корневомудиаметру на выходе из сопла. Угол раскрытия принят равным 4 градусам.Диффузор выполнен длинным, 8,6 калибров по высоте на входе или 104 мм.Высота диффузора на входе равна высоте проточной части сопла на выходе.Коэффициент увеличения площади n F3, равный соотношению площади наF2выходе к площади входа, для базовой модели равен 1,58.Модель V2 имеет ту же конфигурацию, что и V1, но его корневой диаметр поднятна 2 мм относительно корневого диаметра сопла ЦбРТ.
При этом, для сохранениякоэффициента увеличения площади диффузора угол раскрытия диффузоранесколько уменьшен.Модель V3. Учитывая наличие существенной парциальности на выходе израбочего колеса ЦбРТ, сохранение высоты на входе в диффузор, равной высотесопла, представляется не совсем отвечающим расходу рабочего тела. Уменьшениевысоты непосредственно на входе в диффузор будет связано с высокими ударнымпотерями и не подлежит рассмотрению.
В качестве альтернативы, представляетсяцелесообразным уменьшить высоту диффузора на некотором удалении от входа идалее увеличивать ее для создания диффузорного эффекта. Сечение с минимальнойвысотой будем называть сечением с эффективной площадью F2eff . Уменьшениевысоты можетдостигаться путем изменения корневого или периферийногодиаметра диффузора. При этом, характеру течения в расширительных машинахлучше соответствуют конфигурации с увеличением корневого диаметра. Ввидусущественного поднятия корневого обвода в этом случае (на 5 мм относительнокорневого диаметра сопла) необходима организация плавного переходного обвода.В данном варианте коэффициент увеличения площади принят равным 1,98.Модель V4 в корневой части полностью повторяет вариант V3, для периферийнойже части применен меньший угол раскрытия для получения коэффициентаувеличения площади n=1,58 как для вариантов V1 и V2.Модель V5 преследует цель еще большего уменьшения высоты диффузора, в связис чем корневой обвод имеет больший диаметр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
