автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Экспериментальное исследование режимов течения на вибродинамическое состояние диффузорных элементов проточных частей турбомашин

На правах рукописи

Носков Виктор Владимирович

00460

400

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ НА ВИБРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ДИФФУЗОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ТУРБОМАШИН

Специальность 05.04.12 -Турбомашины и комбинированные турбоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АП? 2010

Москва 2010

004601400

Работа выполнена на кафедре паровых и газовых турбин Московского энергетическог о института (Технического университета).

Официальные оппоненты:

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Зарянкин Аркадий Ефимович доктор технических наук Кукушкин Александр Николаевич

Ведущее предприятие:

кандидат технических наук, доцент Жинов Андрей Александрович ОАО "Калужский турбинный завод'

Защита состоится в аудитории Б-407 " 2-*/ " мая_ 2010 г. в

■13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.09 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17, кор. "Б", 4-й этаж.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан " 7- 0 " алу-е*** 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент

А.И. Лебедева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование теплотехнического оборудования всегда актуально, независимо от достигнутого уровня техники.

Для России совершенствование работающего оборудования сейчас особенно важно, так как пока нельзя рассчитывать на массовое его обновление.

Возможность достижения при этом серьезных результатов определяется тем резервом, который имеется между существующими и теоретически возможными показателями,

Неиспользованные резервы повышения экономичности и надежности теплотехнического оборудования для различных объектов отличаются очень сильно.

Анализ технико-экономических показателей различных элементов конструкций показал наличие значительных резервов повышения аэродинамической эффективности на диффузорных участках проточных частей паротурбинных и газотурбинных установок.

Диффузорные элементы - неотъемлемая часть проточной части любой турбомашины. Система паровпуска, переходные, входные и выходные патрубки, косой срез решеток находятся под действием положительного градиента давления, что часто ведет к отрыву потока от обтекаемых стенок и сопровождается увеличением потерь энергии, нарушением стабильности и симметрии в распределении параметров потока в осесимметричных каналах.

Экономические показатели и показатели надежности теплотехнического оборудования тесно связаны между собой. В ряде работ показано, что основной причиной разрушения элементов конструкций, являются возникающие в их проточных частях динамические усилия, величина которых прямо зависит от характера движения жидкости.

Особенно опасными оказываются режимы течения с образованием дискретных вихревых областей. Во всех случаях при их возникновении отмечается резкое увеличение уровня шума, рост энергетических потерь и

повышенная вибрация всех стенок, каналов. Отсюда вытекает естественный вывод о необходимости разработки мер, препятствующих развитию вихревых образований в каналах подобного течения.

Известные эффективные методы предотвращения отрыва потока требуют дополнительных затрат энергии, а в ряде случаев возникают технологические трудности при их практической реализации.

Соответственно, возникает необходимость в разработке простых методов, способных эффективно влиять на режим течения при наличии положительного градиента давления.

Отмеченные обстоятельства определяют актуальность решения отмеченных задач и далее рассматриваются возможные пути их решения.

Объект исследования. Объектами исследования являются:

плоские диффузоры с эквивалентным диаметром горла = 83мм и следующими степенями расширения при различных углах раскрытия канала:

Угол раскрытия диффузора а 0 3,5 5 7 10 15 20

Степень расширения канала п 1 1,82 2,17 2,63 3,33 4,50 5,66

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы

является:

- исследование влияния угла раскрытия диффузора на развитие пульсаций давления вдоль его продольной оси, на величину динамических нагрузок, действующих на стенки исследуемого канала, на вибрационное состояние и акустическое излучение диффузоров;

- разработка и исследование простых и эффективных способов стабилизации течения в широкоугольных диффузорах, обеспечивающих снижение уровня пульсаций давления в диффузорных каналах, снижение динамических нагрузок и акустического излучения без заметного снижения степени восстановления энергии;

- использование разработанных решений для повышения эффективности и надежности диффузоров в паровых и газовых турбинах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- установить зависимость статических и динамических сил, действующих на стенки плоских диффузоров от угла раскрытия, а также исследовать связь указанных сил с уровнем пульсаций давления, акустическим и вибрационным состоянием этих диффузоров;

- разработать и исследовать способы геометрического воздействия на характер течения в диффузорах, обеспечивающих снижение динамических нагрузок, вибрации и уровня шума, излучаемого диффузорными каналами;

- на основе проведенных исследований дать практические рекомендации по проектированию оптимальных (с точки зрения динамических нагрузок, вибрационного состояния, акустического излучения и потерь энергии) диффузоров, позволяющих повысить надежность теплотехнического оборудования.

Методы исследований и достоверность полученных результатов. При выполнении работы широко использовались, как общепризнанные, так основанные на современной измерительной технике новые методы проведения экспериментов.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современной измерительной техники, повторяемостью опытных данных и хорошим совпадением результатов модельных и натурных исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- на специально созданной установке, предназначенной для исследования плоских диффузоров, разработана новая схема измерений, позволяющая измерять меняющиеся во времени параметры потока, вибрационное состояние, статические и динамические нагрузки, а также акустическое излучение исследуемых диффузоров при изменении входных условий;

- проведено комплексное исследование серии плоских диффузоров, включающее в себя: исследование силовых факторов, действующих на их стенки, исследование пульсационного, вибрационного и акустического состояния указанных объектов;

- разработаны новые эффективные меры геометрического воздействия на характер течения в диффузорных каналах, позволяющие резко снизить уровень пульсаций давления в диффузорах, вибрацию его стенок, уровень динамических нагрузок и величину акустического излучения.

Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение, так как разработанные меры позволят повысить надежность эксплуатации газовых и паровых турбин, а также сопутствующего оборудования, где имеет место диффузорный эффект.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная система снижения динамических нагрузок на стенках диффузорных каналов и ее конструктивная реализация передана для использована на завод "КТЗ".

Результаты работы реализованы на ряде турбин 13К215 ABB Zamech, при модернизации систем паровпуска этих турбин.

Личный вклад автора заключается в:

- проведении обзора и анализа литературных данных;

- проведении экспериментальных исследований плоских диффузорных каналов;

- проведении анализа полученных экспериментальных данных;

- в разработке широкоугольных диффузоров с новой системой стабилизации течения.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на:

15-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". -М.: МЭИ, 26-27 февраля 2009 г.;

8-ой международной научно-техн. конференции "Power System Engineering Thermodynamics & Fluid Flow". - Чехия, Пльзень: 18 июня 2009г.;

16-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов к аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". -М.: МЭИ, 25-26 февраля 2010 г.;

газодинамическом семинаре кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ.

- М.: МЭИ, 26 марта 2010 г.;

заседании кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. - М.: МЭИ, 7 апреля 2010 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы было опубликовано 2 научных статьи и 4 доклада на международных конференциях.

Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования серии плоских диффузоров;

- разработанную новую систему измерений, позволяющую измерять динамику усилий на стенках плоских диффузоров при изменении геометрии канала, а также измерять меняющиеся во времени параметры потока в плоском диффузорном канале при изменении входных условий;

- новый способ стабилизации течения в плоских и осесимметричных диффузорах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, списка используемой литературы, включающей 96 наименований. Работа изложена на 230 страницах машинописного текста, иллюстрируется 123 рисунками на 107 страницах, содержит список литературы, изложенный на 9 страницах, и содержит 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткое содержание глав работы.

В первой главе представлен краткий обзор литературных источников, посвященных вопросам, в той или иной степени связанных с предметом настоящих исследований. В частности, большое внимание уделено рассмотрению нестационарности, которая является следствием отрыва потока от стенок каналов; методам повышения эффективности диффузорных каналов; влиянию режимных параметров на характеристики диффузоров; расчету течения идеальной жидкости в плоском диффузоре при наличии в его проточной части плоского вихря; исследованию динамических нагрузок на стенках диффузорных каналов. В заключительной части первой главы формулируются цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе дано описание новой установки для исследования характера течения в плоских диффузорах, использованной системы измерений и представление опытных данных.

Схематически эта установка показана на рис. 1 с указанием расположения малоинерционных датчиков давлений, системой для измерения статических и динамических сил на поворотной пластине 1, место расположения датчика вибрации и положение микрофона для измерения акустического давления.

Блок для измерения усилий представлял собой стандартный прибор "Handyscope HS2" фирмы "TiePie engineering" и S - образного датчика ZF работающего на растяжение и сжатие. Примененная система сравнительной оценки эффективности диффузорных каналов на основе интегрального силового воздействия потока на их стенки дает наиболее достоверное и наглядное представление о характере течения в диффузорах.

Все сигналы от датчиков давления, вибрации и микрофона воспринимались современным измерительным комплексом МИК-200М (Россия).

В заключительной части второй главы приведена оценка погрешностей при определении коэффициента потерь энергии.

Рис. 1 Схема рабочей части установки для исследования плоских диффузоров

Третья глава посвящена комплексным исследованиям плоских диффузоров при различных углах раскрытия а с целью получения динамических, вибрационных, акустических и аэродинамических характеристик исследуемых объектов.

Результаты исследования силового взаимодействия потока со стенками исследуемых диффузоров показаны на рис. 2, где представлена зависимость относительного момента, действующего на стенку, от угла а. Здесь за базу для сравнения был принят момент силы на 7° симметричном диффузоре и к нему были отнесены все остальные моменты.

В симметричном диффузоре максимальный момент, действующий на стенки, достигается при а=7° (кривая 3), что хорошо согласуется с известными данными о наибольшей эффективности диффузоров именно при этом угле раскрытия проточной части. Переход к асимметричному диффузору, когда одна стенка оставалась параллельно продольной оси, а отклонялась только противоположная стенка, вызвал заметную асимметрию в распределении давлений по рассматриваемым стенкам. На вертикальной (неотклоненной) стенке имело место плавное увеличение давления вдоль всей поверхности, а на отклоненной давление в основном увеличивалось только на первой половине стенки. Соответственно, момент силы на вертикальной стенке по сравнению с симметричным диффузором заметно увеличился и его максимум несколько сместился в сторону больших значений угла а, а на отклоненной стенке упал и его максимальное значение

м' 1.2 -14

1.0 0.9 0.8 0.7 0,6 0.5 оа:

0.3 0.2 0,1:

0 3,5 5 7 10 15 гГсР

1 1,02 2.П 2,53 1М 4.50 5.66 п

Рис 7. ГпжЬик1 птнпоитрпьнму мпмрнтпн ттппгкптп пнгЬг1и/тпля-

. .„ _ ^ _ . ^ --------------------— Г^ тт^ Г

1 - одностороннее раскрытие, усилия на вертикальной пластине;

2 - одностороннее раскрытие, усилия на отклоненной пластине;

3 - двустороннее раскрытие было зафиксировано при а=5°.

Приведенные зависимости указывают на развитие сильной поперечной асимметрии течения в диффузоре с односторонним раскрытием канала.

Динамическая составляющая сил, действующая на стенки диффузора, определяется главным образом пульсациями давления, которые имеют место в его проточной части. Проведенные измерения показали, что при всех углах а наибольшие пульсации потока имеют место вблизи входного сечения в диффузор, причем их максимальное значение было получено в диффузоре с утлом сг-~15°. Развитие пульсаций давления вдоль стенок этого диффузора хорошо видно на соответствующих осциллограммах, приведенных на рис. 3 а), в), д), ж). Необычно высокие пульсации давления во входном сечении диффузора связаны с резким изменением на небольшом участке знака продольного градиента давления и теми структурными изменениями в пограничном слое, которые при этом происходят.

Спектрограммы рассматриваемых пульсаций давления, приведенные в правой части рис. 3 а), в), д), ж), указывают на большую роль низкочастотных пульсаций давления вдоль диффузорного канала.

Полученные при проведении этой серии опытов коэффициенты корреляции между показаниями датчиков, установленных на

противоположных стенках, показали в области больших пульсаций давления очень высокую связь между этими показаниями. Эта связь существенно ослабевает по мере снижения амплитуды пульсаций давления.

Изменения, которые происходят в структуре потока при изменении угла а должны влиять на уровень динамических сил, действующих на стенки диффузорных каналов. Указанная связь отчетливо прослеживается на осциллограмме усилий, измеренных на одной из стенок исследуемых плоских диффузоров (рис. 4).

При а=0 динамическая составляющая измеряемой силы близка к нулю.

Ситуация меняется при переходе к диффузорному каналу с углом а=7° (рис. 4а).

Во-первых, в связи с высоким днффузорным эффектом, на плоских стенках возникают большие статические усилия, направленные к оси канала.

Во-вторых, несмотря на безотрывный характер течения, в пристеночной области происходит увеличение пульсаций давления, что на рассматриваемой осциллограмме отражается в виде заметного увеличения динамических составляющих измеряемой силы.

Отмеченное возрастание динамических нагрузок на стенках плоского диффузора при отсутствии отрыва потока связано, видимо, с интенсификацией низкочастотных турбулентных пульсаций. С увеличением угла раскрытия диффузора а происходит дальнейший рост динамических составляющих интегральной силы на обтекаемой стенке и снижение средней величины силы (рис. 4в), несмотря на увеличение по сравнению с предыдущими случаями степени расширения канала. Как и следовало ожидать, в соответствии с рассмотренными выше осциллограммами пульсаций давления максимальная амплитуда пульсаций измеряемой силы достигается при угле а=15° (рис. 4д) и составляет почти 100% от среднего значения силы.

д)

гГУг—--

- е)

ж) ,!

^ '"»» Ж*-1»»'»»'*1*»

Рис. 3 Осциллограммы пульсаций давления на стенке плоского 15°

диффузора:

а), б) 1 = 0; в), г) 1 = ОД; д), е) 1 = 0,325; ж), з) 1 = 0,875 с гладкими стенками: а), в), д), ж); с продольным оребрением: б), г), е), з)

кг 18.000

5.000

12.000

а) 7°

б) 7°

в) 10°

«г 12.000

12.000

15.00=

20.00с

25150с

г) 10°

д) 15°

8.000

0.000

е) 15°

Ос 5.0 Ос 10 Шс 15.0Й: 2000с 26.00 с 30.00с

Рис. 4 Осциллограммы усилий на стенке диффузоров: с гладкими стенками: а), в), д);

с продольным оребрением: б), г), е) На рис. 5 показано изменение динамической нагрузки на стенке

плоского диффузора с ростом угла раскрытия а. Все полученные

динамические нагрузки были отнесены к динамической нагрузке полученной

на плоскопараллельном канале. При увеличении угла а от нуля до 20° динамические нагрузки на стенках диффузора возрастают почти в 34 раза. Соответственно, почти в 7 раз увеличиваются и виброускорения, измеренные вблизи выходного сечения исследуемых диффузоров.

Рост пульсаций давления внутри диффузорного канала с увеличением угла раскрытия до 15+20° и последующее некоторое снижение этих пульсаций не только адекватно отражается на динамических нагрузках, но и примерно таким же образом отражается и на величине акустического давления, излучаемого диффузорами (рис. 6).

Четвертая глава посвящена поиску возможных путей снижения динамических усилий на стенках диффузорных каналов.

Рассматривались диффузоры с перфорированными экранирующими поверхностями, с дефлекторами, с продольными канавками на обтекаемых поверхностях и с продольным оребрением поворотных стенок с помощью клиновидных ребер, показанных на рис. 7.

Поскольку последний вариант в максимальной степени решил задачу снижения динамических нагрузок на стенки диффузора, далее приведены результаты исследования только этого варианта.

Соответствующие осциллограммы пульсаций давления в сребренном диффузоре с углом раскрытия а=15°, приведенные на рис. 3 б), г), е), з) показывают, что по всей проточной части произошло резкое снижение пульсаций давления. На стабилизацию течения и ликвидацию отрыва потока в рассматриваемом диффузоре указывают как спектрограммы (рис. 3), так и полученные профили полей давлений полного торможения в его выходном сечении. Во входном сечении диффузора установка продольных ребер привела к снижению амплитуды пульсаций давления в 3 раза (рис. 5 кривая 2). Согласно осциллограммам усилий полученных на стенке диффузора (рис. 4 б, г, е) динамические составляющие измеряемой силы снизились в 3 раза и оказались ниже, чем в обычном диффузоре с углом а=7° (рис. 5 кривая 1). Также снизилось и акустическое давление (кривая 2 на рис. 6).

Рис. 5 Изменение динамической нагрузки на стенке плоского диффузора с ростом угла

раскрытия а: 1-е гладкими стенками; 2-е продольным оребрением

Рис. 6 Влияние угла раскрытия диффузора на акустическое давление

1 - диффузор с гладкими стенками;

2 - диффузор с продольным оребрением.

Рис. 7 Диффузорная модель с продольным оребрением

Рис. 8 Коэффициент полных потерь плоского симмегричногого диффузора (е=0,963): 1 - с гладкими стенками; 2 - с продольным оребрением по всей длине пластины. Ребра установлены от горла. Длина ребер: 3 - И),5Ъ; 4 -1=0,25Ь.__

Столь масштабные изменения всех характеристик наиболее проблемного диффузора с углом раскрытия а=15° при установке на его стенках продольных клиновидных ребер указывают на их высокое стабилизирующее влияние и переходу к устойчивому безотрывному течению.

С физической точки зрения полученный результат объясняется тем, что при введении оребрения сплошное поле течения у стенок заменяется течением внутри сравнительно узких каналов, где не только увеличивается площадь взаимодействия потока с обтекаемой поверхностью, но и возникают вторичные течения в угловых зонах прямоугольных каналов, способствующих интенсивному переносу массы и количества движения в поперечных к стенкам направлениях.

Естественно, такой перенос должен сопровождаться повышенными внутренними потерями. Однако, предотвращение отрыва потока и снижение пульсационного движения в центральной части канала ведет к снижению, как внутренних потерь энергии, так и к снижению потерь энергии с выходной скоростью. В результате, коэффициент полных потерь С„ при установке ребер в широкоугольных диффузорах меняется мало, а при очень больших углах а можно ожидать и его снижение. Сказанное хорошо подтверждается и кривыми, приведенными на рис. 8, где показана зависимость С,,, = f(a) для диффузора с гладкими стенками (кривая 1) и оребрением обтекаемой поверхности по всей длине (кривая 2). Если при углах а < 15° полные потери в диффузорах с гладкими стенками были несколько ниже (на 3^5%), чем в сребренных диффузорах, то при а > 15° оребренные диффузоры уже имеют явное преимущество и с точки зрения их эффективности.

В заключительной части четвертой главы рассматривались диффузоры с оребрением только на 50% и на 25% общей длины обтекаемых стенок. Оказалось, что и частичное оребрение обладает достаточно высокой эффективностью и при больших осевых размерах диффузоров оказывается вполне достаточным вводить оребрение только на половине общей длины длины обтекаемых поверхностей. Согласно кривым 3 и 4 на рис. 8 при

частичном оребрении и угле а < 15° полные потери имеют тенденцию к снижению.

Полученные результаты еще раз указывают на решающее влияние, на все характеристики диффузоров, входных условий, изменяя которые можно в широком диапазоне менять характеристики диффузоров.

Практическая важность рассмотренного способа стабилизации течения в диффузорах состоит б том, что наряду с традиционной борьбой с вибрацией диффузоров, состоящей в ужесточении всей конструкции, предлагается способ активного воздействия на сам источник вибрации, связанный с высоким уровнем пульсаций в самом потоке.

Пятая глава посвящена вопросам совершенствования диффузорных седел в регулирующих клапанах паровых турбин и кольцевых диффузоров, используемых в выхлопных патрубках турбомашин.

Суть проблемы состоит в том, что сопротивление в системе паровпуска современных паровых турбин в значительной степени определяется степенью восстановления энергии в диффузорных седлах регулирующих клапанов, которая определяется степенью расширения диффузорного канала. Однако, ограниченные осевые размеры не позволяют использовать при малых значениях угла раскрытия а длинные диффузоры с большой степенью расширения, а переход к большим углам а ведет к резкому увеличению пульсаций давления и вибрации диффузоров, что вызывает выпрессовку седел и обрывы штоков клапанов.

В этой связи переход к продолыю-оребрецным диффузорным седлам может снять указанные противоречия.

Разработанный с учетом рассмотренных особенностей течения рабочих сред в диффузорах регулирующий разгруженный клапан серии "2Е" с сребренным широкоугольным диффузором показан на рис. 9 и здесь же показаны осциллограммы усилий на штоке этого клапана (рис. 10).

Видно, что переход к оребренному диффузору с углом а=15° не привел к появлению на штоке заметных динамических сил и при этом на расчетном

пропуске пара сохранилось достаточно низкое сопротивление клапана, не превышающее 2% от начального давления пара.

Введение рассматриваемого продольного сребрения в кольцевых диффузорах выхлопных патрубков рассматривалось на примере выхлопного патрубка турбины К-60-90 КТЗ, где осевые размеры позволяли использовать кольцевой диффузор.

Здесь переход к широкоугольному внешнему обводу диффузора с углом а=21° позволил увеличить степень расширения п до 2,5, что на расчетном режиме работы может почти на 15% снизить потери в системе отвода пара в конденсатор. Однако остается открытым вопрос о потерях в таких патрубках при нерасчетных режимах работы турбины, когда в диффузор поступает закрученный поток.

1. Создана новая экспериментальная установка для всесторонних исследований диффузоров с различными углами раскрытия проточной части, позволяющая определить расходные, силовые вибрационные, акустические и энергетические характеристики указанных элементов.

2. Показано, что все характеристики диффузорных каналов и характер течения в них рабочих сред определяются уровнем возмущений,

Рис. 9 Регулирующий клапан МЭИ

Рис. 10 Осциллограммы усилий на штоке клапана МЭИ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

возникающих непосредственно во входном сечении, где их величина достигает максимальных значений.

3. Систематические измерения пульсаций давлений вдоль проточных частей диффузоров показали, что абсолютная величина этих пульсаций непрерывно снижается в направлении выходного сечения, причем максимум пульсаций имеет место вблизи минимального сечения диффузора.

4. Прямые измерения усилий, действующих на стенки диффузоров, позволили определить оптимальный, с точки зрения эффективности преобразования энергии в диффузорах, угол раскрытия а по максимальной силе, действующей на их стенки. При отсутствии специальных мер воздействие на характер течения величина этого угла, как и следовало ожидать, при фиксированной степени расширения п, на основании предшествующих исследований, составляет 7°.

5. При исследовании плоских несимметричных диффузоров, где при больших углах раскрытия проточной части возникает устойчивый отрыв потока с отклоненной стенки, было установлено, что уровень динамических нагрузок на стенке, где возникает отрыв потока выше уровня этих нагрузок на противоположной (вертикальной) стенке, где имеет место безотрывное течение.

6. Среди исследованных способов стабилизации течения в широкоугольных диффузорах лучшие результаты были получены при использовании продольного клинового оребрения поверхностей, когда ребра имеют форму клина с углом при вершине а, равным углу раскрытия самого диффузора.

При применении такой системы воздействия на поток в диффузоре с углом раскрытия а=15° динамические нагрузки на стенки диффузора удалось снизить в 8 раз без добавочных потерь энергии. Одновременно резко снизилась вибрация и на 30% уменьшилось акустическое излучение.

7. Данные проведенных исследований были использованы при разработке новых регулирующих клапанов и выхлопного патрубка турбины К-60-90 КТЗ.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Зарянкин А.Е., Парамонов А.Н., Фичоряк О.М., Носков В.В., Шебашова Е.А. О влиянии регенеративных отборов пара на характер течения в послеотборных сопловых решетках. Тяжелое машиностроение. №12. 2009. С. 2+6.

2. Зарянкин А.Е., Носков В.В. Исследование и аэродинамическая отработка выхлопного патрубка турбины К-60-75 КТЗ// Тезисы докладов четырнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (март 2008 г., Москва). - М.: МЭИ, 2UUS. - Г. З.-С. 201-202.

3. Зарянкин А.Е., Носков В.В. Исследование влияния характера течения в плоских диффузорных каналах на их вибрационное состояние// Тезисы докладов пятнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (февраль 2009 г., Москва). - М.: МЭИ, 2009. - Т. 3. - С. 251-252.

4. Зарянкин А.Е., Носков В.В. Исследование особенностей течения жидких и газообразных сред в диффузорных каналах/7 Тезисы докладов шестнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (февраль 2010 г., Москва). - М.: МЭИ, 2010. - Т. 3. - С. 284.

5. Зарянкин А.Е., Черноштан В.И., Арианов C.B. Носков В.В. Некоторые пути повышения вибрационной надежности разгруженных регулирующих клапанов паровых турбин. Теплоэнергетика, 2009, №8, с. 20-24.

6. The investigation of influence of the flow regime in two-dimensional diffuser channels on its vibration state. Zaryankin A., Gribin V., Paramonov A., Noscov V. - 8-ая международная научно-техн, конференция "Power System Engineering Thermodynamics & Fluid Flow". - Чехия, Пльзень: 18 июня 2009 г. с. 249-254.

Подаисано в печать И &И■ ЮГ Зак. £[f Тир /до п д / ^ jf Полиграфический центр №ЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

ВВЕДЕНИЕ.

1 КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ПРЕДМЕТУ ПРОВОДИМЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Модели отрыва потока.

1.2 Методы повышения эффективности диффузорных каналов.

1.3 Расчет течения идеальной жидкости в плоском диффузоре при наличии в его проточной части плоского вихря.

1.4 Исследование динамических нагрузок на стенках диффузорных каналов.

1.5 Выводы.

1.6 Постановка задачи исследования.

2 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ, МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ, ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1 Методика экспериментального определения аэродинамических характеристик диффузоров.

2.2 Описание экспериментального стенда.

2.3 Оценка погрешности измерений.

2.4 Описание объектов исследований.

2.4.1 Модель для исследования диффузорных каналов.

2.5 Средства измерений, используемые при модельных исследованиях.

2.5.1 Прибор измерения силы «Напс1у8соре-2».

2.5.2 Прибор МИК-200М.

2.5.2.1 Описание прибора МИК-200М и используемых датчиков.

2.5.2.2 Программное обеспечение прибора МИК-200М.

2.5.2.2.1 Программа МЯ-3 00.

2.5.2.2.2 Программа \¥тПОС.

2.6 Корреляционный анализ.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРА ТЕЧЕНИЯ В ПЛОСКИХ ДИФФУЗОРНЫХ КАНАЛАХ НА ИХ ВИБРАЦИОННОЕ СОСТОЯНИЕ.

3.1 Исследование вибрационного состояния плоских диффузорных каналов.

3.1.1 Влияние угла раскрытия плоского диффузора на динамические нагрузки, действующие на его стенки.

4. ПУТИ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА СТЕНКАХ ДИФФУЗОРНЫХ КАНАЛОВ. т

4.1 Исследование вибрационного состояния плоских диффузорных каналов с перфорированными экранами и дефлектором. ю^

4.2 Исследование плоских диффузоров с профильными поверхностями.

4.3 Количественное исследование плоских диффузоров с продольными ребрами (швеллерами).

5. ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШИРОКОУГОЛЬНЫХ

ДИФФУЗОРОВ В ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЯХ ПАРОВЫХ ТУРБИН.

5.1 Некоторые новые пути стабилизации течения в регулирующих клапанах паровых турбин.

5.2 Выхлопные патрубки паровых турбин с широкоугольными диффузорами.

5.2.1 Особенности течения рабочей среды в диффузорных системах выхлопных патрубков паровых турбин.

5.2.2 Конструктивные особенности исходного выхлопного патрубка турбины К-60-90 КТЗ и исследованные модели.

5.2.3 Результаты исследования моделей выхлопного патрубка турбины К-60-90 КТЗ.

5.2.4 Рекомендуемая аэродинамическая схема выхлопного патрубка турбины К-60-90 КТЗ.

Актуальность работы. Совершенствование теплотехнического оборудования всегда актуально, независимо от достигнутого уровня техники.

Для России совершенствование работающего оборудования сейчас особенно важно, так как пока нельзя рассчитывать на массовое его обновление.

Возможность достижения при этом серьезных результатов определяется тем резервом, который имеется между существующими и теоретически возможными показателями.

Неиспользованные резервы повышения экономичности и надежности теплотехнического оборудования для различных объектов отличаются очень сильно.

Повышение экономичности и надежности основного и вспомогательного оборудования тепловых электростанций — одна из основных проблем развития отечественной энергетики.

Решение проблемы повышения экономичности требует разработки новых физически обоснованных методов совершенствования аэродинамических характеристик, которые могут быть применены как при проектировании, так и для модернизации теплоэнергетического оборудования электростанций.

Анализ технико-экономических показателей различных элементов конструкций показал значительные резервы повышения аэродинамической эффективности диффузорных участков проточных частей паротурбинных и газотурбинных установок.

Диффузорные элементы — неотъемлемая часть проточной части любой турбомашины. Система паровпуска, переходные, входные и выходные патрубки, косой срез решеток находятся под действием широкого диапазона значений положительного градиента давления. Возможности повышения экономичности этих элементов конструкций, как правило, ограничиваются переходом к отрывному режиму течения с увеличением потерь энергии, нарушением стабильности и симметричного распределения параметров потока.

Экономические показатели и показатели надежности теплотехнического оборудования тесно связаны между собой. В ряде работ [7, 21, 32, 33, 71, 84] было показано, что основной причиной разрушения элементов конструкций, являются возникающие в их проточных частях динамические усилия, величина которых прямо зависит от характера движения жидкости.

Окружная и радиальная неравномерность параметров потока, неизбежно возникающая в проточной части турбомашины из-за несимметричности конструкции, зависит от режима работы турбоустановки и влияет на возникновение отрывного режима течения. В результате появляются дополнительные нестационарные усилия, действующие на элементы конструкции, т.е. снижается не только экономичность, но и надежность работы оборудования.

Особенно опасными оказываются режимы течения с образованием дискретных вихревых областей.

Во всех случаях при возникновении в потоке вихревых областей отмечается резкое увеличение уровня шума, рост энергетических потерь и повышенная вибрация всех стенок, каналов. Отсюда вытекает естественный вывод о необходимости разработки мер, препятствующих развитию вихревых образований в каналах подобного течения.

Существенное снижение экономичности установок происходит из-за отрывного режима течения в широкоугольных диффузорных входных патрубках теплообменных аппаратов различного назначения: редукционно-охладительных установок, смешивающих теплообменников, входных патрубков котлов-утилизаторов, входных участков патрубков теплофикационных отборов. В результате растет аэродинамическое сопротивление, неравномерность поля. скоростей. По мере увеличения расхода рабочего тела степень отрицательного влияния отрыва на технико-экономические показатели энергетических установок возрастает.

Традиционные методы управления отрывом потока для получения устойчивого положительного эффекта требуют дополнительных затрат энергии, возникают также технологические трудности при их реализации на действующем оборудовании. Аэродинамическая эффективность методов предотвращения отрыва, как правило, уменьшается при изменении режима работы установки.

Снижение отрицательных последствий отрывного режима течения может быть достигнуто за счет уменьшения положительного градиента давления при изменении геометрических характеристик установки, однако это не всегда возможно из-за габаритных ограничений и, как правило, приводит к уменьшению восстановления давления и снижению эффективности применения диффузоров. Необходима разработка методов, которые позволили бы эффективно влиять на режим течения при наличии в каналах участков с предельными значениями положительного градиента давления, а также уменьшать отрицательные последствия перехода к отрывному режиму течения.

Актуальность решения отмеченной задачи достаточно очевидна и далее рассматриваются возможные пути их решения.

Объект исследования. Объектом исследования является: - прямоугольный диффузорный канал с приведенным диаметром горла с1пр = 83мм и следующими степенями расширения при различных углах раскрытия канала:

Угол раскрытия диффузора а° 0 3,5 5 7 10 15 20

Степень расширения канала п 1 1,82 2,17 2,63 3,33 4,50 5,66 п - равна отношению площади на выходе к входной площади Б].

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является:

- разработка и исследование способов снижения динамической составляющей силы, действующей на стенки диффузорных каналов;

- исследование пульсаций давления в диффузорном канале;

- исследование вибрационного состояния диффузорных каналов;

- исследование акустического состояния диффузорных каналов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- рассмотреть абсолютный и динамический уровень силы, возникающей на гладких стенках прямоугольного диффузорного канала, а также исследовать акустическое и вибрационное состояние данного канала при различных режимах работы;

- разработать и исследовать эффективность снижения динамического уровня указанной силы, а также уровня шума и вибрации путем различных изменений стенок канала;

- на основе проведенных исследований дать рекомендации по проектированию оптимальных (с точки зрения динамической составляющей силы, пульсационного, вибрационного, акустического уровня и потерь энергии) диффузоров позволяющих повысить надежность теплотехнического оборудования.

Методы исследований и достоверность полученных результатов. При выполнении работы широко использовались общепризнанные и отработанные методы проведения экспериментов.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современной измерительной техники, проведением оценки погрешности измерений, повторяемостью опытных данных и хорошим совпадением результатов модельных и натурных исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- в представленной работе на специально созданной установке, предназначенной для исследования прямоугольных диффузоров, разработана схема измерений, позволяющая измерять динамику усилий на стенках плоских диффузоров при изменении геометрии канала, а также измерять меняющиеся во времени параметры потока в диффузорных каналах при изменении входных условий;

- проведено комплексное исследование прямоугольного диффузорного канала включающее в себя: исследование силовых факторов действующих на стенки диффузорного канала, исследование пульсационного, вибрационного и акустического состояния;

- предложены меры по снижению динамических нагрузок на стенках диффузорных каналов, пульсационного, вибрационного и акустического состояния диффузорных каналов.

Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение, так как разработанные меры позволят повысить надежность и срок эксплуатации газовых и паровых турбин, а также всего сопутствующего оборудования, где имеет место диффузорный эффект.

Кроме того, результаты экспериментального исследования способов повышения надежности диффузорного канала могут быть использованы при реконструкции теплотехнического оборудования.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная система снижения динамических нагрузок на стенках диффузорных каналов и ее конструктивная реализация передана для использована на завод "КТЗ".

Результаты работы реализованы на ряде турбин 13К215 ABB Zamech, использованы при модернизации систем паровпуска этих турбин.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и » докладывались на:

15-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика".-М.: МЭИ, 26-27 февраля 2009 г.;

- 8-ой международной научно-техн. конференции "Power System Engineering Thermodynamics & Fluid Flow". - Чехия, Пльзень: 18 июня 2009 г.;

- 16-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". - М.: МЭИ, 25-26 февраля 2010 г.;

- газодинамическом семинаре кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. - М.: МЭИ, март 2010 г.;

- заседании кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. — М.: МЭИ, апрель 2010 г.

Публикации:

1. Зарянкин А.Е., Носков В.В. Исследование влияния характера течения в плоских диффузорных каналах на их вибрационное состояние// Тезисы докладов пятнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Том 3. - М.: МЭИ, 26 - 27 февраля 2009 г, с. 251-252.

2. Зарянкин А.Е., Черноштан В.И., Арианов C.B., Носков В.В. Некоторые пути повышения вибрационной надежности разгруженных регулирующих клапанов паровых турбин. Теплоэнергетика, 2009, №8, с. 1015.

3. The investigation of influence of the flow regime in two-dimensional diffuser channels on its vibration state. Zaryankin A., Gribin V., Paramonov A., Noscov V. - 8-ая международная научно-техн. конференция "Power System Engineering Thermodynamics & Fluid Flow". - Чехия, Пльзень: 18 июня 2009 г. с. 249-254.

4. Зарянкин А.Е., Парамонов А.Н., Фичоряк О.М., Носков В.В., Шебашова Е.А. О влиянии регенеративных отборов пара на характер течения в послеотборных сопловых решетках. Тяжелое машиностроение. №12. 2009. С. 2-6.

5. Зарянкин А.Е., Носков В.В. Исследование особенностей течения жидких и газообразных сред в диффузорных каналах// Тезисы докладов шестнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Том 3. - М.: МЭИ, 25 - 26 февраля 2010 г, с. 284.

Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования прямоугольного диффузорного канала;

- разработанную схему измерений позволяющую измерять динамику усилий на стенках плоских диффузоров при изменении геометрии канала, а также измерять меняющиеся во времени параметры потока в плоском диффузорном канале при изменении входных условий.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, списка используемой литературы, включающей 96 наименований. Работа изложена на 230 страницах машинописного текста, иллюстрируется 123 рисунками на 107 страницах, содержит список литературы, изложенный на 9 страницах, и имеет 6 таблиц.

5.2.3 Результаты исследования моделей выхлопного патрубка турбины К-60-90 КТЗ

Как уже отмечалось выше, корпус исследуемого патрубка имеет достаточно большой осевой размер при сравнительно умеренной ширине и высоте. В таких габаритах наиболее оправданным является установка осевого кольцевого диффузора с коническими или криволинейными обводами. После такого диффузора пар натекает на торцовую стенку и, естественно, от ее положения относительно потока зависит общее сопротивление патрубка. В этой связи на первом этапе исследования рассматриваемого выхлопного патрубка оценивалось влияние формы его торцовой стенки на величину коэффициента полных потерь энергии (рис. 5.13) и уровень вибрации корпуса (рис. 5.14). Как и следовало ожидать, наибольшие потери были получены при расположении задней торцовой стенки перпендикулярно скорости набегающего потока. В этом случае коэффициент дп во всем исследованном диапазоне скоростей оказался выше единицы и был равен дп = 1,03-7-1,035 (кривая 1 на рис. 5.13). Т.е. на преодоление гидравлического сопротивления патрубка затраты кинетической энергии на 3% превышали кинетическую энергию потока, покидающего последнюю ступень турбины. По сравнению с известными выхлопными патрубками других энергетических турбин полученное значение коэффициента полных потерь дп оказалось сниженным в связи с существенным увеличением осевого размера. В результате в зоне контакта потока со стенкой его кинетическая энергия оказывается заметно меньше энергии, которой обладает поток во входном сечении патрубка, так как непосредственно за входным сечением имеет место внезапное расширение потока и при большом осевом расстоянии происходит процесс снижения осевой скорости. Однако процесс поворота потока на 90° на торцовой стенке сопровождается повышенной вибрацией всего выхлопного патрубка. Как показали проведенные измерения, уровень

1,05 1

0,95 0,9

0,65 0,8 0,75 0/

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 м

Рис. 5.13 Влияние формы торцевой стенки патрубка на для бездиффузороного варианта: 1 - стенка перпендикулярна набегающему потоку; 2 - стенка с криволинейным скосом; 3 - стенка со скосом под 65°

1 - ♦ / , 3 * Л

4 4 Л 2 А | ■ - —-■ ■ / ■ ■

35

30 25 2 X 20 <

15

10 5 0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 а1

Рис. 5.14 Влияние формы торцевой стенки патрубка на виброперемещения для бездиффузорного варианта: 1 - стенка перпендикулярна набегающему потоку; 2 - стенка с криволинейным скосом; 3 - стенка со скосом под 65°

1 г~

-- и. '

4 2 виброперемещений в верхней части корпуса патрубка оказался на уровне 33-К35 мкм (кривая 1 на рис. 5.14). При этом отмечался и переменный по частоте уровень шума, излучаемого патрубком. Все это в целом указывает на высокую нестационарность течения в корпусе патрубка.

Ситуация существенно изменилась при криволинейной форме задней торцовой стенки (рис. 5.12 б). Такая форма корпуса характерна для большинства литых патрубков сравнительно маломощных турбин начала 20 века.

В этом случае произошло весьма заметное снижение гидравлического сопротивления, и коэффициент полных потерь уменьшился по сравнению с первой моделью почти на 10% (кривая 2 на рис. 5.13). Важно отметить, что в этом случае и при отсутствии диффузора в патрубке реализуется небольшой диффузорный эффект (коэффициент дп оказался меньше единицы дп = 0,94), обусловленный эффектом внезапного расширения потока. Одновременно на 10-45 мкм снизился и уровень вибрации корпуса патрубка (кривая 2 на рис. 5.14).

При • выполнении сварных патрубков возникают достаточно большие технологические трудности в выполнении криволинейных поверхностей, и торцовые стенки патрубков выполняются в виде сочетания двух плоских поверхностей так, как это показано на рис. 5.12 в, где выше горизонтального разъема торцовая стенка наклонена под углом 65° к направлению натекающего потока. По сравнению с перпендикулярной торцовой стенкой эта форма стенки позволила на 3^5% снизить уровень потерь энергии (дп «1, кривая 3 на рис. 5.13), но, естественно, коэффициент дп оказался существенно выше, чем у патрубка с криволинейной задней стенкой. Тем не менее, даже эти изменения привели к некоторому снижению вибрации корпуса патрубка (кривая 3 на рис. 5.14). Качественно влияние формы задней торцовой стенки на сопротивление и вибрацию патрубка сохранилось и при исследовании патрубков с осевыми кольцевыми диффузорами, но количественные оценки оказались другими.

При одном и том же криволинейном кольцевом диффузоре, установленным с отрицательной перекрышей относительно подводящего кольцевого сопла, рассматривалось три варианта выполнения торцевой стенки. Вариант №1 - патрубок с чисто торцевой стенкой (базовый вариант). Затем верхняя часть патрубка была выполнена со скосом в 65° относительно торцовой плоскости (вариант №3) и далее этот скос был выполнен в виде плавной криволинейной поверхности (вариант №2). Вариант №4 - патрубок с плавной криволинейной торцевой стенкой и еще добавились противовихревые решетки, расположение которых показано на рис. 5.12 ж.

Результаты испытаний этих вариантов представлены в виде зависимости коэффициента полных потерь энергии от безразмерной скорости во входном сечении диффузора (рис. 5.15) и в виде зависимости виброперемещения корпуса патрубка от указанной скорости А,] (рис. 5.16).

Номера кривых на приведенных зависимостях соответствуют номерам исследуемых вариантов патрубков.

Как и следовало ожидать, наиболее высокие значения коэффициента полных потерь были получены в патрубке при вертикальном расположении торцовой стенки (кривая 1). Для этого варианта были зафиксированы и максимальные виброперемещения на стенках корпуса патрубка, причем их величина заметно увеличивалась с ростом скорости Х\.

Полученный результат вполне закономерен, т.к. при неупорядоченном движении рабочей среды в корпусе увеличение скорости влечет за собой нарастание абсолютных амплитуд пульсаций давлений, увеличивающих уровень динамических нагрузок на стенки корпуса патрубка.

В данном случае, при установке криволинейного кольцевого диффузорах отрицательной перекрышей, вообще характерно сближение всех трех зависимостей = /(Л ), полученных при трех разных формах задней стенки патрубка. Здесь разница в коэффициентах дп между прямой торцовой стенкой (кривая 1) и двумя другими формами (кривая 2,3) сократилась с 14% (рис. 5.13) до 7-^-8% (рис. 5.15), причем разница в потерях при использовании 1

0,95 0,9 0,85 0,В ^ 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

А1

Рис. 5.15 Влияние формы торцевой стенки патрубка на С,п для варианта с криволинейным кольцевым диффузором установленным с отрицательной перекрышей: 1 - стенка перпендикулярна набегающему потоку; 2 - стенка с криволинейным скосом; 3 - стенка со скосом под 65°; 4 - стенка с криволинейным скосом + противовихревые решетки

1 / ' : ~т— 1. . ♦

2 х/ ' - Л .

11 ъ.

30

25

20 2

3 <

15

10 5 0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 а1

Рис. 5.16 Влияние формы торцевой стенки патрубка на виброперемещения для варианта с криволинейным кольцевым диффузором установленным с отрицательной перекрышей: 1 - стенка перпендикулярна набегающему потоку; 2 - стенка с криволинейным скосом; 3 - стенка со скосом под 65°; 4 - стенка с криволинейным скосом + противовихревые решетки

1 1

I 1

2 3 / ► 4 наклонной и криволинейной стенок составила всего 1-^2% (кривая 2 и 3 на рис. 5.15). Полученная картина является прямым следствием снижения скорости в кольцевом диффузоре в случае использования угловой (в верхней части корпуса) и криволинейной торцовой стенки. При использовании наклонной и криволинейной торцевой стенки почти на 50% снизилась величина виброперемещений стенок корпуса патрубка (кривая 2 и 3 рис. 5.16) относительно базового варианта (кривая 1 рис. 5.16). Одновременно снизилась и интенсивность нарастания виброперемещений с ростом скорости А,].

Сопоставляя зависимости, приведенные на рис. 5.15 и 5.16 легко видеть тесную связь между характером течения в патрубке и его вибрационным состоянием.

Следует также обратить внимание на то, что в данном случае, базируясь на результатах исследований плоских диффузоров (глава 3), вместо прямолинейных образующих кольцевого диффузора были использованы плавные криволинейные образующие. В результате обеспечивалось хорошее согласование направления потока при выходе из подводящего сопла с направлением внешней криволинейной образующей кольцевого диффузора, что позволило до минимума свести возмущения потока во входном сечении диффузора, которые при использовании прямолинейных образующих достигают недопустимо высоких значений (рис. 3.14, рис. 3.16 глава 3).

Дальнейшее снижение вибрации патрубка было достигнуто за счет установки в корпусе ниже горизонтального разъема противовихревых решеток (рис. 5.12 ж).

Использование противовихревых решеток в данном случае привело к заметному снижению вибрации патрубка (кривая 4 на рис. 5.16), но почти не изменило величины коэффициента полных потерь энергии (Л^л«0,08), поскольку свободный от диффузора объем конуса в данном случае оказался достаточно большим и противовихревые решетки не могли здесь привести к существенному увеличению эффективной проходной площади и снижению локальных скоростей.

Более заметное снижение потерь энергии было получено при использовании кососрезанного в направлении выходного сечения кольцевого диффузора (рис. 5.12 и).

При несимметричном отводе рабочего тела от последней ступени турбины к конденсатору вполне оправданным является использование несимметричных кососрезанных диффузоров. При введении такого среза облегчается разворот потока на 90° в направлении выходного сечения патрубка и полученное снижение коэффициента до 0,71-Ю,74 (кривая 4 на рис. 5.15, рис. 5.17) является вполне закономерным.

Одновременно примерно на 5^-6% относительно симметричного диффузора снизилась и вибрация корпуса патрубка (кривая 4 на рис. 5.16, рис. 5.18).

В качестве альтернативного решения нами предлагается вариант патрубка с кольцевым диффузором, образованным конической поверхностью (рис. 5.19). Угол отклонения верхней образующей от продольной оси патрубка составил 21°. Согласно нашим опытам (глава 3) при таком угле возникает нестационарное отрывное течение порождающее очень высокую амплитуду низкочастотных пульсаций давления.

Для предотвращения этих явлений, как и в случае с широкоугольными диффузорными седлами в клапанах, на входном участке внешнего обвода были установлены продольные ребра, а сам обвод диффузора, как и в предыдущем случае был выполнен с косым срезом (рис. 5.19).

0,95 0,9 0,85 0,В 0,75 0/ 0,65 0,6 0,55 0,5

1 —

2 3 4

0,1

0,2

0,3 А1

0,4

0,5

0,6

Рис. 5.17 Влияние формы торцевой стенки патрубка на для варианта с кососрезанным криволинейным кольцевым диффузором установленным с отрицательной перекрышей: 1 - стенка перпендикулярна набегающему потоку; 2 - стенка со скосом под 65°; 3 - стенка с криволинейным скосом; 4 - стенка с криволинейным скосом + противовихревые решетки

30

25

20 а * з «

15

10 5 0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

А1

Рис. 5.18 Влияние формы торцевой стенки патрубка на виброперемещения для варианта с кососрезанным криволинейным кольцевым диффузором установленным с отрицательной перекрышей: стенка перпендикулярна набегающему потоку; 2 - стенка со скосом под 65°; стенка с криволинейным скосом; 4 - стенка с криволинейным скосом + противовихревые решетки

1 1

1 I / -----

2 3 1 ' 1 п 1 ► Г | | | 1 ' 1

1 4

Рис. 5.19 Внешний вид оребренного кососрезанного диффузора

5.2.4 Рекомендуемая аэродинамическая схема выхлопного патрубка для турбины К-60-90 КТЗ

Проведенные исследования показали необходимость внесения в аэродинамическую схему исходной конструкции патрубка некоторых изменений, суть которых сводится к следующему.

1) Для предотвращения срыва потока с входной кромки внешнего обвода диффузора, установленного с отрицательной относительно лопаток последней ступени перекрышей, необходимо входной участок этого обвода расположить вдоль продольной оси патрубка независимо от направления потока в периферийной области последней ступени турбины.

2) При использовании в патрубке диффузора с прямолинейными образующими и большим отклонением этих образующих от продольной оси патрубка с целью предотвращения отрыва потока с поверхности этого обвода и снижения пульсаций давления, необходимо использовать указанные обводы только с продольным оребрением.

3) Наиболее оптимальной формой задней торцовой стенки патрубка является плавная криволинейная поверхность. Однако при наличии кольцевого диффузора и учитывая технологические сложности выполнения сварных криволинейных поверхностей, задняя стенка патрубка может быть выполнена выше горизонтального разъема в виде наклонной под углом 65° к вертикальной плоскости.

4) При установке в корпусе рассматриваемого патрубка осесимметричного кольцевого диффузора с криволинейным или прямолинейным кососрезанным внешним обводом необходимость в развитой реберной системе отпадает, и вместо нее ниже горизонтального разъема целесообразно установить в затененных диффузором областях пластинчатые противовихревые решетки, а для обеспечения жесткости корпуса использовать стержневые системы жесткости.

На рис. 5.20 (а, б) показана рекомендуемая схема выхлопного патрубка, выполненная с учетом всех отмеченных выше изменений.

В заключение отметим, что все приведенные рекомендации кроме п. 3, были использованы Калужским турбинным заводом при создании реального выхлопного патрубка для турбины К-60-90.

1030 1265

Рис. 5.20 - Рекомендуемая схема выхлопного патрубка К-60-90 КТЗ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создана новая экспериментальная установка для всесторонних исследований диффузоров с различными углами раскрытия проточной части, позволяющая определять расходные, силовые, вибрационные, акустические и энергетические характеристики указанных элементов.

2. Показано, что характеристики диффузорных каналов и характер течения в них рабочих сред определяются уровнем возмущений, возникающих непосредственно во входном сечении, где их величина достигает максимальных значений.

3. Систематические измерения пульсаций давлений вдоль проточных частей диффузоров показали, что абсолютная величина этих пульсаций непрерывно снижается в направлении выходного сечения, причем максимум пульсаций имеет место вблизи минимального сечения диффузора.

4. Прямые измерения усилий, действующих на стенки диффузоров, позволили определить оптимальный, с точки зрения эффективности преобразования энергии в диффузорах, угол раскрытия а по максимальной силе, действующей на их стенки. При отсутствии специальных мер, по воздействию на характер течения, величина этого угла при фиксированной степени расширения, как и следовало ожидать, на основании предшествующих исследований, составляет 7°.

5. При исследовании плоских несимметричных диффузоров, где при больших углах раскрытия проточной части возникает устойчивый отрыв потока с отклоненной стенки, было установлено, что уровень динамических нагрузок на стенке, где возникает отрыв потока выше уровня этих нагрузок на противоположной (вертикальной) стенке, где имеет место безотрывное течение.

6. Среди исследованных способов стабилизации течения в широкоугольных диффузорах лучшие результаты были получены при использовании продольного клинового оребрения поверхностей, когда ребра имеют форму клина с углом при вершине а, равным углу раскрытия самого диффузора.

При применении такой системы воздействия на поток в диффузоре с углом раскрытия а=15° динамические нагрузки на стенки диффузора удалось снизить в 8 раз без добавочных потерь энергии. Одновременно снизилась вибрация и на 30% уменьшилось акустическое излучение.

7. Данные проведенных исследований были использованы при разработке новых регулирующих клапанов и выхлопного патрубка турбины К-60-90 КТЗ.

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа. 1983. 536 с.

2. Веригин И.С. Влияние пористого вдува и отсоса на работу отрывного диффузора. Инж.-физ. журнал. 1976. № 4. С. 646 652.

3. Врублевская В.А. О влиянии начальной степени турбулентности потока на характеристики направляющих и рабочих решеток турбин. Теплоэнергетика, 1960, №2.

4. Вули, Клайн. Методика расчета течения с развитым отрывом в плоских каналах. Теоретические основы инженерных расчетов (ТОИР). № 2. Т. 100. 1978. С. 152-159.

5. Гиневский A.C., Бычкова A.A. Аэродинамические характеристики плоских и осесимметричных диффузоров с предотрывным состоянием пограничного слоя. Сб.: Тепломассоперенос. Т. 1. 1968. С.100- 109.

6. Гогиш Л.В., Степанов Г.Ю. Турбулентные отрывные течения. М.: Наука, 1979. 367 с.

7. Гоголев И.Г., Дроконов A.M., Зарянкин А.Е. Аэродинамические факторы и надежность турбомашин. Брянск: Грани, 1993. 167 с.

8. Гоголев И.Г., Дьяконов Р.И., Дроконов A.M., Лукашевич В.Э., Осипов A.B. Исследование способов повышения эффективности конических диффузоров. Энергомашиностроение, 1999, р. 429-440.

9. Голубев В.В. Труды по аэродинамике. Гостехиздат, 1957.

10. Грибин В.Г. Разработка методов повышения эффективности диффузорных элементов турбомашин. Автореф. канд. дисс. М.: 1984. — 20 с.

11. Грибин В.Г. Разработка методов воздействия на режим течения и потери энергии в каналах комбинированных турбоустановок. Автореф. докт. дисс. М.: 2002.-20 с.

12. Грибин В.Г., Парамонов А.Н. Влияние профиля стенки канала на потери при течении с положительным градиентом давления. Тр. Моск. энерг. ин-та. 1986. вып. 115. С. 77-83.

13. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. -М.: Энергия 1974. 592 с.

14. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. М.: Энергия, 1970. 273 с.

15. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1984.-384 с.

16. Дмитриев С.С. Отрывные течения в диффузорных каналах и методы повышения эффективности диффузорных элементов проточной части турбомашин. Автореферат канд. дисс. М.: 1998.

17. Дорфман А.Ш., Томский Н.И., Сайковский М.И. Об отсосе пограничного слоя в кольцевых диффузорах. Изв. АН СССР, ОТН, Энергетика и автоматика. 1961. №6.

18. Евдокимов И.Ф. Опыты по отсасыванию пограничного слоя в аэродинамических трубах больших скоростей. Тр. ЦАГИ 1940. Вып. 306.

19. Зарянкин А.Е. Анализ движения жидкости вблизи точки отрыва потока. Тр. Моск. Энерг. ин-т. 1972. Вып. 99. С. 101 108.

20. Зарянкин А.Е. О предотвращении отрыва пограничного слоя. Изв. Вуз. Энергетика. 1985. №3. С. 25 30.

21. Зарянкин А.Е. Отрыв пограничного слоя и некоторые новые методы его предотвращения в диффузорных каналах. М.: Вестник МЭИ, 1995, №3. С. 75-81.

22. Зарянкин А.Е., Арианов С.В., Зарянкин В.А., Сидорова Е.К. Стопорно-регулирующий клапан. Патент RU 2342578С1 БИ №36 27.12.2008.

23. Зарянкин А.Е., Головина Л.Г., Этт В.В. Исследование течения вблизи угловой точки. Сб. докладов научно-технической конференции МЭИ, секция энергомашиностроение, 1967.

24. Зарянкин А.Е., Грибин В.Г., Дмитриев С.С. О механизме возникновения отрыва потока от стенок гладких каналов. Изв. АН СССР. ТВТ. 1989. Т. 27. №5. С. 913-919.

25. Зарянкин А.Е., Грибин В.Г., Парамонов А.Н. А. с. 1281689 СССР. МКИ 01 21/30. Диффузор. Открытия. Изобретения. 19. № 7.

26. Зарянкин А.Е., Грибин В.Г., Парамонов А.Н. Некоторые вопросы практического использования широкоугольных диффузоров. Тр. Моск. энерг. ин-та. 1989. №203. С. 47-53.

27. Зарянкин А.Е., Грибин В.Г., Парамонов А.Н., Пиндрус A.A. Применение профильных поверхностей для снижения потерь энергии при течении с положительным градиентом давления. М.: Известия вузов. Энергетика, 1988, №4. С. 73-77.

28. Зарянкин А.Е., Ефремов A.A., Этт В.В. Об использовании диффузоров в регулирующих клапанах паровых турбин. Теплоэнергетика. 1977. № 9. С. 20-23.

29. Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Арианов C.B., Мешкова A.B. К вопросу о рациональной форме седел регулирующих клапанов паровых турбин. Тяжелое машиностроение. 2007. №10.

30. Зарянкин А.Е., Куликов В.Д., Грибин В.Г., Парамонов А.Н. Использование профильных поверхностей в турбинных решетках. М.: Теплоэнергетика, 1989, №1. С. 27-30.

31. Зарянкин А.Е., Носков В.В., Арианов C.B., Зарянкин В.А. Результаты математического моделирования течений в новом стопорно-регулирующем клапане. Арматуростроение. 2007. № 4 (49), с. 65-68.

32. Зарянкин А.Е., Парамонов А.Н. Патент РФ №2050440 Проточная часть низкого давления. БИ № 35 от 20.12.95.

33. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Выхлопные патрубки паровых и газовых турбин. М.: Издательство МЭИ, 2002. - 274 с.

34. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Регулирующие и стопорно-регулирующие клапаны паровых турбин. Из-во МЭИ 2005г.

35. Зарянкин А.Е., Черноштан В.И. Аэродинамические принципы проектирования регулирующих клапанов паровых турбин.// Теплоэнергетика. 1997. № 1, с.48-51.

36. Зарянкин А.Е., Черноштан В.И., Арианов C.B. Носков В.В. Некоторые пути повышения вибрационной надежности разгруженных регулирующих клапанов паровых турбин. Теплоэнергетика, 2009, №8, с. 20-24.

37. Идельчик И.Е. Гидравлические сопротивления. Госэнергоиздат, 1954 г. 316 с.

38. Карлсон, Джонстон, Сейджи. Влияние формы стенок на режимы течения и характеристики плоских диффузоров с прямолинейной осью. Теоретические основы инженерных расчетов (ТОИР). Т. 89. Мир, 1967. С. 173- 185.

39. Касилов В.Ф. Вопросы эффективности коротких диффузорных каналов. Автореферат канд. дисс. M., 1979.

40. Касилов В.Ф., Калинин C.B., Гвоздев В.М. и др. Исследование виброактивности регулирующих клапанов системы парораспределния ЦВД паровой турбины К-200-130. Теплоэнергетика 2001 №11 с.36-41.

41. Колесников А.В., Франкфурт М.О. Экспериментальное исследование влияния отсоса воздуха через щель на развитие пространственного турбулентного пограничного слоя. М.: Машиностроение, Сб. Промышленная аэродинамика, 1975, вып. 32.

42. Костюк А.Г., Куменко А.И., Некрасов А.П., Медведев C.B. Экспериментальный анализ пульсаций давления в пароподводящих органах турбоагрегата. Теплоэнергетика. 2000. № 6. С. 50-57.

43. Кочин Н.Е., Кибель И.Р., Розе И.В., Теоретическая гидромеханика, ч.1, Гостехториздат, 1955.

44. Кошевой В.Н., Калугин В.Т., Козлов Ю.И. Основные закономерности отрывных течений. М.: МВТУ, 1980. 85 с.

45. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Калугин В.Т. Аэродинамика отрывных течений. М.: Высшая школа. 1988. 343 с.

46. Лаврентьев Л.М., Шабат Б.В., Методы теории функций комплексных переменных, Госфизматиздат, 1965.

47. Лагун В.П., Симою Л.Л. Результаты исследований выхлопного патрубка натурного ЦНД турбины ВК-100-5. Теплоэнергетика. 1968. № 12. С. 13-17.

48. Лашков А.И. Инженерный журнал, 1962, т. II, вып. II; Инженерный журнал, 1964, т. IV, вып. III.

49. Либби, Баронти, Наполитано. Исследование несжимаемого турбулентного пограничного слоя с градиентом давления. "Ракетная техника и космонавтика" (AIAA Journ.) (русский перевод), 1964, т.2, №3.

50. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 847 с.

51. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988. 733 с.

52. Мигай В.К., Гудков Э.И. Проектирование и расчет выхлопных диффузоров турбомашин. JL: Машиностроение, 1981. 272 с.

53. Мигай В.К. Диффузор с поперечными ребрами. М.: Энергомашиностроение, 1960. № 4. С. 25 31.

54. Мигай В.К., Гудков Э.И., Носова И.С. Использование отсоса пограничного слоя для повышения эффективности патрубков паровых турбин. Теплоэнергетика. 1972. №4. с. 37-39.

55. Мунин А.Г., Кузнецов В.М., Леонтьев Е.А. Аэродинамические источники шума. М.: Машиностроение, 1981. 248 с.

56. Овчинников О.Н. Влияние входного профиля скоростей на работу диффузора. Труды ЛПИ. 1955, № 176.

57. Парамонов А.Н. Разработка и исследование систем нерегулируемых отборов турбин ТЭС и АЭС. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М. 1990.

58. Пиндрус А.А. Использование профильных поверхностей для совершенствования теплотехнического оборудования АЭС: Автореф. дис. канд. техн. наук . М.: 1992. 18 с.

59. Писаревский Н.Н., Каурова И.Ф., Караушев Г.П. Методика и техника акустических измерений в аэрогидродинамических трубах: Обзор ЦАГИ. 1980. № 588. 65 с.

60. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. М.: ГИИЛ, 1949. 520 с.

61. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. — М.: Энергия, 1978. 704 с.

62. Рено, Джонстон, Кляйн. Характеристики и расчет плоских диффузоров с прямолинейной осью. Пер. с англ. — Тр. амер. об-ва инж. мех. теоретические основы инж. расчетов, 1967, №1, с. 160— 172.

63. Саха С. Исследование течения жидкости пленок на вибрирующей стенке в паровых турбоустановках. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М.: 1992. 28 с.

64. Сендборн, Клайн. Модели потока при отрыве пограничного слоя. Техническая механика. 1961. № 3. С. 3 17.

65. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПБ.: Питер. 2002. 608 с.

66. Солодкин Е.Е., Гиневский A.C. К вопросу о влиянии начальной неравномерности потока на характеристики диффузорных каналов. Сб. Промышленная аэродинамика, 1959, вып. 12.

67. Трехмерные турбулентные пограничные слои: Пер. с англ. Под. ред. X. Фернхольца. М.: Мир, 1985. 384 с.

68. Тарват X. Исследование течения в конических диффузорах при наличии внешних воздействий. Автореферат канд. дисс. М., 1981.

69. Таусенд A.A. Структура турбулентного потока с поперечным сдвигом. — М.: Издательство иностранной литературы, 1959 г. — 392 с.

70. Фабрикант Н.Я., Аэродинамика. М.: Наука, 1964. 814 с.

71. Франкфурт М.О. К определению потерь в диффузоре при утонении пограничного слоя с помощью щелевого отсасывания. Сб.: Промышленная аэродинамика. Вып. 30. М.: Машиностроение, 1973. С. 37-40.

72. Франкфурт М.О. Экспериментальное исследование диффузоров с щелевым отсасыванием воздуха из пограничного слоя. // В кн.: Промышленная аэродинамика. Вып. 31. М.: Машиностроение, 1973. С. 41-49.

73. Франкфурт М.О. Эффективность тангенциального вдува пограничного слоя в конических диффузорах. Ученые записки ЦАГИ. 1973. Т. IV. №5. С. 50-55.

74. Фидлер Ф.А., Чеснер Р. Влияние тангенциального вдува на характеристики двухмерных диффузоров. ТОИР. 1973. №3. С. 137 167.

75. Фокс, Клайн. Режимы течения в криволинейных дозвуковых диффузорах. Техническая механика. 1962. №3. С. 3 19.

76. Чжен П. Отрывные течения. Т. 1. М.: Мир, 1972. 198 с.

77. Чжен П. Управление отрывом потока. М.: Мир, 1979. 552 с.

78. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1969 744 с.

79. Шерстюк А.Н. К определенно точки отрыва турбулентного пограничного слоя. Тр. Моск. энерг. Ин-т. 1972 № 99. С. 53 60.

80. Шерстюк А.Н. Турбулентный пограничный слой. М.: Энергия, 1974. 270 с.

81. Шалхуб Т.В. Разработка методики расчета потерь в диффузорных каналах турбомашин с оценкой влияния вибрации стенок на эти потери. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М.: 1986. - 20 с.

82. Яньшин Б.И. Газодинамические характеристики диффузоров и элементов трубопроводов. Машиностроение. 1981.

83. Cockerll D J., Markland Е. A review of incompressible diffiiser flow. Aircraft Engineering, 1963, № 10.

84. Furuya Yoshimara. Fujmoto Tetsno Performance of the two dimensional diffusers with suction on the entrance. Bylletin of the ASME. 1970. V. 13, 56. P.264-271.

85. Holzhauser C.A., Hall L.P. Exploratory investigation of the use of area suction to eliminate air-flow separation in diffusers having large expansion angles. 1956.

86. Johnston I.H. I. Effect of inlet conditions on the flow in annular diffusers. Aeronautical Research Council, current papers, 1954, № 178.

87. Klein SJ. On nature of stall. Journal of Basic Engineering. Trans ASME. Ser. D. V. 81. 1959. P. 305.

88. Moon J. Distributed suction boundary layer control on conical diffusers. Research report 17. Ang. 1958. The Aerophysics department of Mississippi state college.

89. Nestler W. Inkompressible turbulente Wandqrenzschichten mit maximaler. Verzoqerung Maschinenbautechnic. 1970. 2. S.65 71.

90. Nicoll W.B., Ramoprion B.R. Performance of conical diffusers with annular injection at inlet. Trans ASME. Ser. D. 1970. XIII, 92. 4. P. 827 835.

91. Still F.D., Velkobb H.R. Effect of transverse ribs on pressure recovery in two-dimensional subsonic diffusers. AIAA Paper 72-1141. lip.

92. Straford B.S. An experimental flow with zero skin friction. Journal of fluid Mechanic. 1959. 5. P. 17-35.