автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Малорасходные турбины безвентиляционного типа

и

- </\У

о у

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ РЫБОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЧЕХРАНОВ СЕРГЕИ ВАЛЕНТИНОВИЧ

УДК 621.165....621

МАЛОРАСХОДНЫЕ ТУРБИНЫ БЕЗВЕНТИЛЯЦИОННОГО ТИПА (основы построения, математические модели, характеристики и обобщения)

Специальность 05.04.12 Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................10

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН (МРТ)

1.1. Анализ современного состояния исследований малорасходных турбин .............................................................12

1.1.1. Анализ параметров ступеней малорасходных турбин ...........................................................12

1.1.2. Анализ лопаточных аппаратов малорасходных турбин.......................................................................22

1.2. Анализ конструктивных схем малорасходных турбин, постановка цели и задачи исследования ...............................26

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАРЦИАЛЬНЫХ МРТ

2.1. Выбор геометрических параметров МРТ .................37

2.2. Характеристики МРТ ...........................................47

2.2.1. Влияние парциального подвода на эффективность турбинной ступени ...................................................47

2.2.2. Вентиляционные потери .....................................51

2.2.3. Потери на краях дуги подвода ............................60

2.2.4. Методы снижения потерь от парциальности ..........70

2.3. Утечки рабочего тела в зазорах малорасходных турбин.............................................................................77

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН

3.1. Разработка математической модели центростремительной МРТ ................................................................82

3.1.1.Выбор геометрических параметров ступени МРТ ....82

3.1.2. Модель газодинамических процессов в сопловых аппаратах центростремительной МРТ .........................89

3.1.3. Математическая модель течения в зазоре

между СА и РК .................................................................97

3.1.4. Модель течения в рабочем колесе центростремительной МРТ .........................................................112

3.2. Математическая модель двухступенчатой осевой МРТ .........................................................................116

3.2.1. . Математическая модель газодинамических процессов во вращающемся сопловом аппарате .............................116

3.2.2 Математическая модель течения потока в межвенце-вых зазорах ....................................................................130

3.2.3 Математическая модель течения в камерах ...........148

3.2.4. Модель течения в направляющем аппарате и

рабочем колесе ..............................................................153

3.2.5 Методы решения балансовых уравнений ..............154

3.2.6 Внутренние потери ...........................................156

3.3 Проверка адекватности моделей ............................159

4 СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МРТ

4.1. Экспериментальные стенды и установки ................167

4.2. Модели экспериментальных турбин и их элементов ......................................................................171

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН С ЧАСТИЧНЫМ ОБЛОПАЧИВАНИЕМ РАБОЧЕГО КОЛЕСА

5.1 .Характеристики центростремительных реактивных турбин с частичным облопачиванием РК .................191

5.2. Характеристики двухступенчатой МРТ с частичным облопачиванием ..............................................................205

5.3. Место двухступенчатых МРТ с частичным облопачиванием РК в ряду других конструкций ...................213

5.4. Характеристики МРТ с большим углом поворота потока ..........................................................................217

5.4.1. Характеристики единичных криволинейных каналов .........................................................................217

5.4.2 Характеристики плоских решеток профилей .........227

5.4.3 Характеристики осевых биротативных турбин

конструкции ЛПИ ...........................................................240

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...............................................................252

ЛИТЕРАТУРА ................................................................256

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И

СОКРАЩЕНИЯ

Условные обозначения: 1. Параметры и характеристики турбин и их элементов

0 - массовый расход рабочего тела; N - мощность;

М - момент на валу турбины;

1 - момент инерции;

Н - перепад энтальпий; Ь - энтальпия;

<3, q - количество подведенной теплоты; п - частота ращения, количество режимов; г} - КПД ступени (турбины); ¡х - коэффициент расхода;

фк - коэффициент момента количества движения;

Ф - коэффициент скорости соплового аппарата (сопла);

\|/ - коэффициент скорости рабочей решетки;

и/Со - характеристическое число;

рт - термодинамическая степень реактивности;

£ - коэффициент потерь;

7Ст - степень расширения в турбине (ступени);

т, 1 — время.

2. Геометрические характеристики проточной части элементов турбины: и, ъ, г - оси координат, соответствующие направлению окружной скорости и, оси турбины г и радиусу г; е - степень парциальности; Б - диаметр ступени;

1 - длина лопатки вдоль радиуса; Ь - хорда профиля;

В - ширина решетки, измеренная вдоль оси г; I - шаг решетки;

1ГС - геометрическая степень расширения в сопле; Хс - число сопел соплового аппарата; Р - площадь проходных сечений;

8 - зазор;

А - толщина кромки;

у - угол раскрытия проточной части;

Р - угол лопаток рабочей решетки на входе и на выходе;

а - угол лопаток сопловой решетки на входе и на выходе, угол косого

среза осесимметричных сопел;

Сщах - телесность профиля;

т - степень перерезывания.

3. Кинематика потока

С - абсолютная скорость;

У? - относительная скорость; *

Со - условная скорость, рассчитанная по полному изоэнтропическому перепаду энтальпий;

Р - угол между положительным направлением оси и проекцией вектора абсолютной скорости на плоскости ш;

а - угол между положительным направлением оси и проекцией вектора относительной скорости на плоскости ш;

9 - угол поворота потока в решетке, угол раскрытия сопла; 1 - угол атаки.

4. Критерии и газодинамические параметры потока

Re - число Рейнольдса; М - число Маха;

X - относительная скорость (отношение скорости потока к критической скорости) Р - давление; Т - температура; р - плотность; V - удельный объем; R - газовая постоянная; к - показатель изоэнтропы.

5. Индексы

в - внутренний;

и - окружной;

opt - оптимальный;

min - минимальный;

max - максимальный;

t - теоретический, термический;

ср - сечение на среднем диаметре;

к - корневое сечение, конструктивный;

п - периферийное сечение;

0 - сечение перед сопловым аппаратом;

1 - сечение на выходе их соплового аппарата, сопловая решетка;

2 - сечение за рабочим колесом, рабочая решетка; пр - профильные;

конц - концевые; волн - волновые; Е - суммарные; Хг - полные параметры;

- - осредненный, относительный;

г - геометрический, горло; е - эффективный; кр - критический, кромочные; р - расчетный; с - сопло, сопловая решетка; см - параметры смеси; отс - параметры утечки из проточной части; поде - параметры подсоса в проточную часть; оз - осевой зазор; акт - активная дуга; неакт - неактивная дуга; рст - регулирующая ступень; стд - ступень давления; 1 - номер режима; - номер ступени.

6. Сокращения

БИТМ - Брянский институт транспортного машиностроения;

КТЗ - Калужский турбинный завод;

КуАИ - Куйбышевский авиационный институт;

ЖЗ - Ленинградский Кировский завод;

ЛКИ - Ленинградский кораблестроительный институт;

ЛПИ - Ленинградский политехнический институт;

СПбГТУ - Санкт-Петербургский государственный технический университет;

МАИ - Московский авиационный институт им. С. Орджоникидзе;

МЭИ - Московский энергетический институт;

НКИ - Николаевский кораблестроительный завод;

ПЗ - Пролетарский завод; _

ХПИ - Харьковский политехнический институт;

ЦИАМ - Центральный научно-исследовательский институт авиационного моторостроения;

ЦКТИ - Центральный котлотурбинный институт им. И.И.Ползунова;

СА - сопловой аппарат;

ОС - одиночное сопло;

РК - рабочее колесо;

CJ1 - сопловая лопатка;

РЛ - рабочая лопатка;

РР - рабочая решетка;

ПЧ - проточная часть;

МО многорежимная оптимизация;

ММ - математическая модель;

АЭУ - автономная энергетическая установка;

МРТ - малорасходная турбина;

ММРТ - многоступенчатая малорасходная турбина;

БИТ - биротативная турбина;

ВСА - вращающийся сопловой аппарат;

КПД - коэффициент полезного действия;

ГТД - газотурбинный двигатель;

ГТУ - газотурбинная установка;

ПТУ - паротурбинная установка;

ЭСУ - энергосиловая установка;

ЭУ - энергетическая установка;

МПА - морской подводный аппарат;

САПР - система автоматического проектирования.

Условные обозначения и сокращения, не представленные здесь, поясняются в тексте.

ВВЕДЕНИЕ

Вхождение страны в рыночную экономику прежде всего связано с разрушением монопольной системы производства и потребления. Самостоятельное развитие регионов и появление частной собственности неизбежно приводят к конкурентной борьбе на рынке товаров потребления, в том числе и в области энергетики. Условия конкуренции диктуют необходимость выпуска все более широкого спектра энергетических машин эффективных с различных точек зрения, обусловленных как экономическими, так и эксплуатационными факторами.

Именно с таких позиций и следует рассматривать любые двигатели, использующиеся в качестве приводов агрегатов в самых различных областях человеческой деятельности. Малорасходные турбины (МРТ) давно привлекают к себе внимание в качестве привода различных агрегатов прежде всего своей компактностью, высокой удельной мощностью, простотой изготовления и эксплуатации. Часто именно эти качества МРТ становятся определяющими при выборе приводов агрегатов. Поэтому МРТ широко используются в авиации и космической технике, в морском флоте и наземном транспорте, в электроэнергетике и криогенной технике, а также во многих других областях, где применение других двигателей затруднительно, а иногда и невозможно.

Наиболее успешно МРТ используются в качестве приводов без ограничения частоты вращения. В этом случае достигается максимальная эффективность турбины, поскольку обеспечиваются условия оптимального сочетания всех геометрических и режимных параметров. Как правило, при этом удается обеспечить полный подвод рабочего тела к сопловому аппарату (СА) МРТ. Однако, большинство приводимых агрегатов: электрогенераторы, редукторы, насосы и т.п. имеют ограниченную частоту вращения. Известные методы ограничения частоты вращения турбин: увеличение количества ступеней или увеличения диаметра ротора далеко не всегда приемлемы для

MPT. Обусловлено это тем, что в МРТ внутренние потери занимают гораздо большую долю в суммарных потерях энергии, чем в больших турбинах. Увеличение количества ступеней приводит к значительному росту потерь энергии от трения и утечек. Увеличение диаметра ступени при заданном расходе рабочего тела или мощности приводит к необходимости введения частичного впуска рабочего тела и, как следствие, к существенному росту внутренних потерь, обусловленных парциальностью.

Эти особенности МРТ традиционных конструкций существенно ограничивают области их применения. Тем не менее потребность в легких, компактных и эффективных двигателях постоянно растет. Прежде всего это относится к транспортной энергетике, поскольку именно здесь требуется сочетание высокой экономичности и минимальных массогабаритных характеристик энергетической установки. Для энергетических установок больших мощностей требование высокой экономичности во многих случаях удается выполнить как за счет глубокой утилизации тепла, так и за счет применения многоступенчатых турбин. При этом, даже при частичном впуске рабочего тела доля потерь от парциальности в турбинах сравнительно не высока.

Современные тенденции развития автомобильного транспорта, морских подводных аппаратов, малых мобильных электростанций и др. требуют использования компактных двигателей мощностью менее 300 кВт. В МРТ такой мощности потери от парциальности могут достигать очень высоких значений. Причем, основную долю в этих потерях занимают потери от вентиляции рабочего тела неактивной дугой рабочего колеса (РК). Решение проблем повышения эффективности МРТ многие исследователи видят на пути создания нетрадиционных конструкций турбин, позволяющих снизить или даже полностью устранить потери, связанные с частичным впуском рабочего тела. Тогда становится возможным более широкое применение МРТ в качестве привода агрегатов с ограниченной частотой вращения.

1 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН

1.1 Анализ современного состояния исследований малорасходных турбин

1Л. 1 Анализ параметров ступеней малорасходных турбин

Широкое применение малорасходных турбин поставило перед исследователями ряд задач, важнейшей из которых является задача повышения эффективности турбопривода. Решением такой задачи может быть оптимизация режимных и геометрических характеристик турбопривода с учетом конкретных условий использования турбин. В малорасходных турбинах (МРТ), где расход рабочего тела ограничен, проявляется влияние малоразмерности каналов газового тракта, что затрудняет использование обширных данных, полученных на полноразмерных турбинах. Существует немало фундаментальных работ по исследованию МРТ /34, 56, 74, 153/. Однако проведенных исследований недостаточно для того, чтобы с требуемой степенью надежности использовать их при проектировании широкого класса МРТ.

Одной из особенностей малорасходных турбин являются повышенные относительные зазоры в проточной части, что увеличивает относительную потерю от утечек рабочего тела. Как показано в работах /74, 153, 176/, такие турбины желательно выполнять активными для уменьшения потерь давления в зазорах. Кроме того, полный впуск в МРТ определяет малую высоту рабочих лопаток, поэтому чаще всего такие турбины выполняются парциальными. Как уже отмечалось выше, МРТ приходится выполнять активными, где весь теплопере-пад срабатывается в соплах^ что определяет повышенные скорости истечения рабочего тела и при проектировании турбины на работу при (и/Со)опт приходится увеличивать частоту вращения ротора. Для большинства механизмов, приво-

димых турбиной, требуется более низкая частота вращения, поэтому широкое применение находят турбины со ступенями скорости. Другим способом уменьшения окружных скоростей является использование биротативных турбин. Однако все вышеперечисленные типы МРТ могут решить задачу повышения эффективности турбопривода в целом только при условии оптимизации основных геометрических и режимных параметров этих турбин.

Как известно, основной трудностью при расчете парциальных турбин является отсутствие достаточно точных аналитических зависимостей, описывающих влияние различных геометрических и режимных факторов на к.п.д. ступени. Это объясняется сложностью газодинамических процессов, обусловленных наличием парциальноети. Поэтому основным источником информации по таким турбинам является эксперимент. В работах /76, 78, 153/, по исследованию МРТ, главное внимание уделяется оценке влияния на эффективность ступеней потерь, связанных с малоразмерностью и парциальностью. При этом, как правило, геометрические характеристики ступеней берутся из атласов профилей полноразмерных турбин.

В работе /129/ исследовалась парциальная сверхзвуковая ступень со следующими геометрическими характеристиками: Оср = 530 мм, 1\ = 14 мм, Ь = 15 мм, ЬЪ = 0.65, ¡3\ = ¡Зг = 25°, а\ = 18°. Парциальность менялась перекрытием части сопел. При этом менял ось. количество работающих сопел - 1, 3, 5, 7 при соответственном изменении парциальноети - е - 0.02, 0.06, 0.1, 0.14. Оптимум по а/Со в зависимости от парциальноети достигнут в пределах 0.03 .. . 0.16, а максимальный к.п.д. при е =0.14 равен 0.4. Основной вывод, сделанный в работе, заключается в том, что падение к.п.д. тем больше, чем больше щ и меньше £. Влияние парциальноети на другие факторы не исследовалось. В работе /130/ исследовалось влияние на характеристики той же турбины, что и в работе /129/, угла а\. Парциальность менялась аналогичным образом как в /129/от £ 0.02 до 0.128. Угол щ варьировался от 12° до 18°. Выяснено, что максимум к.п.д. получается при а\ = 18° и при {щ )раСч =14. без учета других факторов.

Исследование влияние угла а\ на эффективность одновенечной ступени, с полным впуском представлено в /174/.Относительный шаг соплового аппарата (t/b)c = 0.595, рабочего колеса (t/b)n = 0.7 . . . 0.8, zn = 34. Степень расширения в турбине TZr = 1.4. Корневой диаметр рабочего колеса DK = 430 мм. Угол а\ равен 8, 9,12 и 14 градусов. Экспериментально решалась задача определения оптимального угла сопел одновенечной активной ступени небольшой пропускной способности (/c-sm<2i =3.3 . . . 4.9) и относительной высоты (/с = 0.2 ... 0.5).

Профили для направляющего аппарата и рабочего колеса выбирались по атласу профилей, причем в целях сохранения оптимального относительного шага ширина профилей менялась в зависимости от угла а\. Показано, что максимальный внутренний к.п.д. /;в = 0.81 достигается при а\ = 8° и (и1Со)опт = 0.47. Однако, рост к.п.д. при уменьшении ct\ происходит при одинаковом значении пропускной способности ступени /с-sinai. При сохранении же относительной вы