автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.01, диссертация на тему:Дополнительные потери в ступенях турбомашин и их измерение

На кафедре паровых и газовых турбин Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института и кафедре тепловых электрических станций и паровых и газовых турбин Ивановского ордена "Знак Почета" энергетического института имени В.И.Ленина ведутся интенсивные исследования в области аэродинамики проточной части турбомашин.

Данная работа представляет часть обширного комплекса исследований указанной проблемы.

Автор приносит свою глубокую благодарность профессору Г.С. Самойловичу.

Автор благодарен к.т.н. Антипину А.В., к.т.н. Нитусову В.В., к.т.н. Письмину И.Н., к.т.н. Рабенко B.C., к.т.н. Яблокову Л.Д. за большую помощь в работе и обсуждении проблем.

Искреннюю признательность автор выражает к.т.н. Лазареву Л.Я. за ценные замечания, сделанные при чтении рукописи.

Автор благодарит инженера Новичкова А.И. за помощь в работе.

Большую благодарность автор приносит коллективу кафедры ТЭС и ПГТ ИЭИ за предоставленную возможность в проведении эксперимента.

Автор выражает глубокую признательность всему коллективу кафедры ПГТ ИЭИ за приобретенные знания, доброжелательность и сотрудничество.

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных обозначений

Введение.

1. Аналитический обзор и постановка задачи.II

1.1. Дополнительные потери в ступенях турбомашин из-за периодической нестационарности набегающего потока.II

1.2. Измерение периодически нестационарного потока пневмомет-рическими зондами.

1.3. Постановка задачи.

2. Экспериментальные установки для исследования нестационарного обтекания решеток. Методика обработки экспериментальных данных

2.1. Установка № I для исследования нестационарного обтекания решеток.

2.2. Установка № 2 для исследования решеток стержней в статических условиях.

2.3. Установка № 3 для динамической тарировки пневмометричес-ких зондов.

2.4. Модель турбинной ступени (установка № 4).

2.5. Схема измерения.

2.6. Исследование потока за поворотным соплом.

2.7. Методика обработки результатов пневмометрических измерений.

2.8. Оценка погрешности измерений параметров потока.

2.9. Измерение интенсивности турбулентности.

3. Исследование возмущающих решеток.

3.1. Геометрические характеристики возмущающих решеток и режимы исследования.

3.2. Результаты исследования потока за возмущающими решетками.

4. Измерение периодически нестационарных потоков пневмометрическими зондами.

4.1. Методика динамической тарировки пневмометрических зондов

4.2. Постановка динамической тарировки зондов.

4.3. Особенности методики обработки экспериметальных данных при динамической тарировке зондов.

4.4. Погрешности пневмометрических зондов при измерении в периодически нестационарном потоке.

4.5. Анализ результатов различных исследований динамических погрешностей пневмометрических зондов.

4.6. Методика измерения периодически нестационарных потоков пневмометрическими зондами.

5. Дополнительные потери от нестационарности набегающего потока

5.1. Особенности методики обработки результатов эксперимента

5.2. Методические эксперименты.

5.3. Исследование обтекания рабочей решетки периодически нестационарным потоком.

5.4. Сравнение полученных данных с результатами других авторов. . . .,

6. Экспериментальное исследование потока в модельной ступени.

6.1. Постановка и порядок выполнения эксперимента.

6.2. Определение интегральных характеристик ступени.

6.3. Расчет потерь энергии на рабочих лопатках по результатам траверсирования потока.

6.4. Дополнительные потери энергии на рабочих лопатках из-за нестационарности потока на входе.

Выводы.

Энергетика СССР, являющаяся основой развития промышленности, транспорта, коммунального и сельского хозяйства и служащая базой повышения производительности труда и благосостояния народа, наращивается темпами, обеспечивающими развитие народного хозяйства страны. "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривают осуществить крупные структурные сдвиги в электроэнергетике, связанные с развитием новой техники в отрасли. В частности, предполагается дальнейшая концентрация производства электроэнергии. Этого можно достичь за счет внедрения мощных энергетических блоков мощностью 500 и 800 МВт на ТЭС.

В. этих условиях определяющее значение имеет высокая эффективность и качество энергетических установок, в частности, паровых турбин. Для решения этой задачи необходимы всесторонние и глубокие теоретические и экспериментальные исследования различных элементов турбин, в том числе проточной части.

В настоящее время накоплен обширный материал по аэродинамическому исследованию изолированных решеток. Однако реальные процессы в турбомашинах связаны с появлением нестационарных явлений, протекающих в лопаточных решетках. В современных аэродинамических исследованиях изучение нестационарных явлений в турбомашинах занимает одно из центральных мест.

Данная проблема изучается сейчас в следующих направлениях:а) определение нестационарных аэродинамических сил, возбуждающих колебания лопаток;б) определение влияния нестационарности на аэродинамическую эффективность проточной части;в) оценка генерации шума при работе турбомашины.

На кафедре паровых и газовых турбин Московского ордена Ленина энергетического института ведутся интенсивные научные исследования по первым двум проблемам.

Представленная работа является продолжением разработок кафедры второй проблемы.

В работе на основании экспериментального исследования, получены результаты, позволяющие оценивать в реальных условиях обтекания аэродинамическую эффективность активных решеток. Для оценки точности выполнены исследования на модели турбинной ступени. Кроме того, исследована работа пневмометрических измерительных систем в нестационарном потоке.

Таким образом, получены рекомендации, позволяющие оценивать аэродинамическую эффективность лопаточных решеток в условиях реальной ступени.

Работа состоит из шести разделов.

В первом разделе освещается состояние вопроса и дается обзор работ, посвященных исследованию влияния на обтекание решетки периодической нестационарности на входе, а также влияния периодической нестационарности на показания пневмометрических зондов.

Второй раздел посвящен описанию экспериментальных установок, на которых выполнялись исследования (обращенной установки с генерацией нестационарности с помощью стержней, модели турбинной ступени). Освещается методика обработки опытных данных и оценивается погрешность эксперимента.

В третьем разделе приводятся результаты исследования возмущающих решеток цилиндрических стержней в статических условиях.

В четвертом разделе приведено экспериментальное исследование влияния периодической нестационарности на показания пневмометрических зондов.

В пятом разделе проведена оценка влияния периодической нестационарности на входе в активную решетку на ее аэродинамическую эффективность. Анализируется качественная картина обтекания профиля периодически нестационарным потоком.

Шестой раздел посвящен изучению с помощью пневмометрических зондов, протарированных в нестационарном потоке, турбинной ступени. Исследуется также распределение интенсивности турбулентности. По проведенным исследованиям делается оценка влияния нестационарности потока на обтекание рабочей решетки.

ВЫВОДЫ

1. Автором создан комплекс экспериментальных установок для исследования нестационарного обтекания рабочих решеток. Разработана методика исследований, позволившая уменьшить ошибки измерения дополнительных потерь энергии.

2. Разработанная методика и экспериментально полученные динамические погрешности пневмометрических зондов позволяют измерять обычными пневмометрическими системами параметры периодически нестационарных потоков при Мс< 0,2, < 0,26, u/wt= 0,5 - 2,0.

3. Измерения потока за рабочим колесом турбинной ступени показали, что в практических исследованиях турбинных ступеней необходимо учитывать динамические погрешности пневмометрических зондов в перио -дически нестационарном потоке. Ошибки по абсолютной величине изза этих погрешностей при измерении потерь энергии на рабочем колесе составляют в условиях опыта - 0,02, статического давления (отнесенного к динамическому напору) - 0,03, угла потока - до 2,5°. Датчик термоанемометра завышает показания из-за наложения на турбулентные пульсации пульсаций нестационарных на 17$.

4. Предложена схема обтекания рабочей решетки периодически нестационарным потоком, которая показывает, что кромочный след от предыдущей решетки деформируется в ядре потока и взаимодействует в основном с пограничным слоем на выпуклой стенке канала. Таким образом, воздействие нестационарности не может быть сведено лишь к турбулентному перемешиванию в межлопаточном канале.

5. Исследование дополнительных потерь энергии от нестационарности на входе показало преобладающее влияние на обтекание решетки неоднородности набегающего потока. Получены экспериментальные зависимости, позволяющие определить увеличение профильных потерь энергии на рабочей решетке в зависимости от , *s .

Сравнительные испытания решетки в составе турбинной ступени показали возможность переноса полученных результатов на реальные ступени.

- 198

1. Е. Самойлович Г,С. Возбуждение колебаний лопаток турбомашин. М.: Машиностроение, 1975.-288 с.

2. Лазарев Л.Я., Полникова Т.В. Влияние степени турбулентности на характеристики направляющих решеток турбин. В сб.: Промышленная теплотехника и гидравлика, вып. I, Чебоксары, 1975,с.35-43.

3. Кириллов И.И., Ласкин А.С., Шпензер Г.Г. Влияние нестационар -ности потока на КПД турбинных ступеней. Теплоэнергетика, 1970, Л 10, с.21-24.

4. Шубенко-Шубин Л.А., Стоянов Ф.А., Шубенко А.Л. Об оценке про -фильных потерь в турбинной решетке, обтекаемой нестационарным потоком. Энергомашиностроение, 1972, № I, с.7-9.

5. Епифанов В.К. Исследование влияния пульсаций потока в проточ -ных частях осевых турбин на газодинамическую эффективность лопаточных аппаратов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Л.; 1979,- 21 с.

6. Лопатицкий А.О. и др. Развитие турбулентных и нестационарных пульсаций потока в турбине. Энергомашиностроение, 1977, № 6, с.8-10.

7. Зысина-Моложен Л.М., Медведева М.А. Влияние турбулентности и числа Re на потери энергии в решетках профилей. Изв.вузов. Авиационная техника, 1971, Jfe 4. *

8. О, Зысина-Молокен Л.М. и др. Влияние турбулентности на потери в проточной части турбин. Энергомашиностроение, 1970, & 7, с.23-25.

9. CI. Врублевская В.А. 0 влиянии начальной турбулентности потока на характеристики направляющих и рабочих решеток турбин. Теплоэнергетика, I960, .te 6, с.39-44.

10. Ляховицкий И.Д. Турбулентность потока и профильные потери активных лопаток. Известия ВТИ, 1950, № 5, с.20-24.

11. Зарянкин А.Е. и др. Исследование влияния турбулентности на потери энергии в центральной части канала. Теплоэнергетика, 1978, № И, с.49-51.

12. Кириллов И.И., Шпензер Г.Г. Влияние турбулентных потоков и шероховатости на потери энергии в турбинных ступенях. Тепло -энергетика, 1978, № 5, с.28-31.

13. Кириллов И.И., Шпензер Г.Г. Влияние степени шероховатости на характеристики турбинных решеток. Теплоэнергетика, 1969,М2, с.21-23.

14. Зысина-Моложен Л.М. и др. Влияние числа Re. и турбулентности на обтекание решеток профилей. Теплоэнергетика, 1969, № 10, с.53-56.

15. Юринский В.Т., Шестаченко И.Я. 0 потерях в активной турбинной решетке, продуваемой нестационарным потоком. Известия вузов. Энергетика, 1973, № 4, с.67-72.- 200

16. Смит Л. Рассеяние спутных следов в турбомашинах» Теоретические основы инженерных расчетов, 1966, № 3, с.169-171.

17. Лаптева 3.А., Лопатицкий А.О. Экспериментальная воздушная турбина ЭТВ-1 и ее стенд, В кн. Исследование элементов паровых и газовых турбин и осевых компрессоров. Л,: Машгиз, I960.

18. Ъ. Вольфсон И,М. и др. Аэродинамические исследования работы плоских и кольцевых решеток с профилями типа ТС-2А МЭИ, Труды МЭИ, 1963, вып.47.

19. Гиневский А.С., Довжик С.А. Экспериментальное исследование потерь давления во вращающемся колесе осевого компрессора.-Известия АН СССР ОТН. Энергетика и автоматика, 1959, № I, с.45-52,

20. Я. Ушаков К.А., Брусиловокий И.В. Исследование кольцевых решеток вращающегося рабочего колеса осевого вентилятора. В кнПромышленная аэродинамика, $ 10, М.: Оборонгиз, 1958, с.43-60.

21. Самойлович Г.С. и др. Способ измерения параметров потока в относительном движении. Авторское свидетельство № 253994, класс27 с, 11/15, 46 ,15. Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1969, J& 31.

22. Самойлович Г.С., Письмин И.Н. Измерение пульсаций давления Ш динамических напряжений на вращающихся лопатках осевого комп -рессора. Теплоэнергетика, 1962, № 8, с.51-55.

23. Ласкин А.С. Исследование нестационарных явлений в турбинной ступени. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Л., 1964,-186 с.

24. Кромов А.Г. Влияние периодической нестационарности потока в турбинной ступени на потери активных лопаток. Известия ВТИД950, № I, е. 1-8.

25. Каминер А.А., Нестеренко Н.Я. К вопросу о моделировании процесса обтекания лопаток турбомашин при исследовании колебаний плоских решеток. Проблемы прочности, 1972, J£ 8, с.116-118.

26. Ю. Марков Н.М. Расчет аэродинамической плоской решетки профилей осевых турбомашин. Л: Машиностроение, 1952.

27. И. Самойлович Г.С. Нестационарное обтекание и аэроупругие колебания решеток турбомашин. М: Наука, 1969.-444с.

28. Шестаченко И.Я. Исследование обтекания активной турбинной ре -шетки нестационарным потоком воздуха. Труды Новочеркасского политехнического института, 1972, вып.258, с.43-49.

29. Юринский В.Т., Шестаченко И.Я. Исследование обтекания активной турбинной решетки равномерным и неравномерным потоком воздуха.-Известия вузов. Энергетика, 1969, № 12,

30. KVonauer* k.E.^ Cri-an+ H.P. Pressure profce rec,pon*a in. itutlubiinfy iCow . — Proc. o^ tb € US

31. Con^r. oV ttppC. meek., ^ Ann. А&ог.1. MicK.,

32. Chomiak "3. pomiaru saeo/nicW cintcK 2.O. pomoca. ukefludow po miiet г о w^jcA

33. Ocluzej hosci . ^mp. ^ L oeli

34. Шнее Я.И., Пономарев B.H.; Бондаренко Г.A. 0 погрешностях при экспериментальном определении характеристик турбинной ступени. - Теплоэнергетика, 19 7/ , № 5 , с.35-38.

35. Кромов А.Г. Поправка к показателям инерционных приборов при измерении полного давления в пульсирующем потоке. Труды ИЭИ, 1953, $ 5, с.51-55.

36. Колесников А.В., Носов А.Я. Об ошибках измерения потоков при помощи пневмометрических насадков. В кн.: Промышленная аэродинамика. № 2, М.: Обо^онгиз, 1962.55. (л. Со га Не К vf iche dUQ.mic.he del + ивссЦ pi-fo+.~ Аи4о«>а.г . е Vfuz.t>m , iWk , Л; ? ,

37. Ласкин A.C. Исследование нестационарных явлений в турбинной ступени. Отчет ЛПИ им.М.И.Калинина по научно-исследовательской работе, Л., 1965.

38. Солохина Е.В. Исследование параметров потока в осевом зазоре газовой турбины. Труды МАИ, 1956, J6 68, с.61-81.

39. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении.-!/!.: Машиностроение, 1975.-79 с.

40. Самойлович Г.С., Яблоков Л.Д. Способ тарировки пневмометри- 204 ческих зондов в периодически пульсирующих потоках, Авторское свидетельство Л 2II844, класс 27с, 11/15, 46 ,15. Открытия, Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1968, £ 8.

41. Антипин А.В. Расчет динамических напряжений в лопаточном аппарате турбины при колебаниях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукгМ., 1978.- 269 с.

42. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. М.:Мир, 1974.-278 с.62. "3.0. "Tur&uCece . t-d ecU+Hon, We.w-York, т0го*+о 4 ms.

43. I^otckheiw GrQocla,m Ъ.С< The E-4Vec-k oV Tur&uE-erv ce on <;+aUt P r vr e . Aeronau-Kc.o£ Pesearc-K Coucl2 . Repor+s S цеъогапсИe; к о. 2.} , Sep+V 3pp.

44. Жедщински В. Измерение турбулентности датчиками давления. -Ракетная техника и космонавтика, 1966, № 10, с.255-256.

45. Кириллов И.П. и др. Аэродинамика проточной части паровых и газовых турбин. М.: Машгиз, 1958,-247 с.

46. Самойлович Г.С., Антипин А.В., Кошкин Е.В. Измерение направления потока при наличии градиента скорости. Труды МЭИ, 1976, вып.306, с.52-59.

47. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. -М.: Из-во Стандартов, 1973.-316 с.

48. Зайдель А.И. Ошибки измерений физических величин.-М.: Наука, 1974,-108 с.

49. Таблицы стандартных справочных данных. Плотность, энтальпия, энтропия и изобарная теплоемкость жидкого и газообразного воздуха при температурах 70-1500 К и давлениях 0,1-100 МПа.ГСССД 8-7-9.-М.: Из-во Стандартов, I980.-I2 с.

50. Шлихтинг Г. Теория пограничного олоя.-М.: Наука, I974.-7I2 с.

51. Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. М.: Физмат-гиз, 1962.-512 с.

52. Чебышев П.Б. Электротермоанемометры. Вестник электропромышленности, 1952, № I, с.1-19.

53. Клещев А.А., Кудашев Е.Б., Попов А.И. Особенности измерения турбулентных пульсаций. Труды Ленинградского кораблестроительного института, 1974, вып. 8, с.79-82.

54. Постнов В.Ф., Груздев В.Н., Таланов А.В. К вопросу об измерении интенсивности турбулентности термоанемометров. В сб.: Испытания авиационных двигателей, вып. 2, Уфа, 1974, с.94-102.

55. М., <ЗДеег 3. Tur bote,*, ъ ver hin+er vo+ Cerende-n, 2.^ббпЫви^C-tteren. ^or^cKyn^,

56. Дейч M.E., Филиппов Г.Ж., Лазарев Л.Я. Атлас профилей решеток осевых турбин. М.: Машиностроение, 1965.-96 с.77. D.W. , w

57. No^e-rAs, oi Tor i еи\$>& ^4ruc.4ure F£ow/1. Thcoyn^k T^ Co%cadb Рглсе

58. W&k© (beh-lnd cl Coscct^e Aerojoi.£*. ^ovrno.^ о479; tU^r Ih^oerce ©V TuгвоЫпсе.0$ cm -the £.oo0irUorv ^ Wakas %>e,WicIfeectdes . Arcklrujm kudowjj, jt.KVj сЛМ-ъъц.

59. Седов Л.И. Методы подобия и равномерности в механике. М.: Наука, 1967.-428 с.