автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Гидродинамические характеристики ущiльнутих придискових камер паровых и газовых турбин

РГ6 од

ХАРКШСЬКИИ ПОЛ1ТЕХН1ЧНИЙ ШСТИТУТ

- 1\ ДПР 199-':

На правах рукопису

ДРОННИК Андрш Юршович

Г1ДР0ДИНАМ1ЧН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ УЩШЬНУТИХ ПРИДИСКОВИХ КАМЕР ПАРОВИХ ТА ГАЗОВИХ ТУРБ1Н

05.04.12 — турбомашини та турбоустановки

Автореферат . дисертацп на здобуття наукового ступени кандидата техшчних наук

Дисертащею е рукопис.

Робота виконана на кафедр! турбшобудування Харювського пол1техшчного ¡нституту.

Науковий ,кер1вник

лауреат Державно! према Украши, заслужений дiяч науки Укра Гни, почесний доктор ХП1, академш АН вищо1 школи Украши, доктор техшч-них наук, професор Капинос Василь Максимович

Оф1ц1Йн1 опоненти

доктор техшчних наук, професор Маляреико В!талш Андршович; кандидат техшчних наук, доцент Бурлака Володимир Васильович

Провщне шдприемство

— Державне науково-виробниче об'ед-нання «Турбоатом»

Захист в1дбудеться « » 1994 р. о ^ год.

па зааданш спещал!зоЕаноТ вченоТ ради Д 068.39.01 при Харювському гкуптехшчному ¡петиту™ (310002, Харюв-2, вул. Фрунзе, 21).

3 дисертащею можиа озиайомитнся у б1блютещ ¡нституту.

Автореферат розкланий « /е » ¿^^ЬЯ 1994 р.

Вчений секретар спещал1зовано! вчено! ради

/

ЗАЙЧЕНКО е. т.

X

/

Загальна характеристика робогл

Актуальн!сть те?,я: У в!дкритих системах охолодження ротор!в газових турб!н охолоджувче пов1тря, яке обт!кав полотна диск!в або зовнИпню поверхню дефлектора, скидаеться у проточну частину. Це веде до зн1ження температуря робочого газу, вккликае додадткэву г!дродияам!чну втрату на змишгая основного та п!дсмактувального поток1в, з01льшуе ступень реактавност! у пржорпевШ зон! сх!дця, 1, таким чином, зб!льауе осьове зусилля. Для зкешення перет!кання охолоджуючого середоз:пца в проточну частину придискову камеру уцЦльнюють на периферП 1 при розрахуш<ах снстемл охолодження ротора прагнуть в наЛб1лыпШ м!р! змешгати перепад тиску на виход! з камери 1 в проточит частин!. ,Ч!н!м!зац!я перет!кання охолоджуючого середовища у проГочну частоту здобуваеться при так зван1й "зап!рн!П" вптрат!. Це найменьша нитрата, при як!Я зилучаеться опинання гарячих газ!в з проточно! частики в придискову камеру. Величина "зап1рноГ' вктрати 1стотно ззлежнть в!д -пшу перкфер!йного увольнения придисково! камери 1 для р1зних конструкции вусикових ущ!льнень мо:ке в1др!знятися на порядок та • б!льше. Тагам чином, для ■ розрихунку системи охолодження ротора, II оптим!зац!1' необх!дно мати дан! про поле тиску, пдравличний оп!р тракту охолоджуючого пов!тря. Визчення г!дродинам!чних характеристик придисково! камери необхЪшо також для визначення осьового зусилля, дИочого на дисковий ротор турб!ни, а такс:;: для визначення втрат на тертя диска о середовще при витратн!й течИ кр!зь камеру. Рекомендован! з л!тератур! розрахунков1 залежност! для визначення коеф!ц1енту моменту оп!ру обертання диска одержан! для умов ' Яого обертання у - .замкненому об'ем!. Викладене св!дчить про актуальн!сть постанови розглянуто!,задачи.

Мета робота: к1льк!сно та як!сно вивчлти структуру потоку в придискових камерах парових та газових турб1н; на основ! ф1зичного та чисельного експершент!в одержат:; залежност! м1ж г!дродинам!чнкми характеристиками ущ!льнутих придискових камер та 1х геометричними та режимними параметрами.

Наукова новша робота: - одержан1 та оброблен1 у вигляд! критер!алъних залеаоюстеп експериментальн! дан! про м!н1мальну витрату, яка зачиняе при-дискову камеру при течИ м!:к диском, який обертаеться, ! кор-

пуссм для семи р1оних конструкций перлфе?!йюго ущ!льиешш;

- одерхан! та обрсблен! у виглпд! 1срптер!алыЕо: залежостей експертментальк! дан! по г [дравличноку опхру прпдисково! камери прп внтратн!Я теч!2 м!э: диском та корпусом, а такоз: дан! про ро зпод1л тлску по рад!усу камер;; для рхзнлх конструкции периферШиого ущ!льпекня; Крлтер!альн! р1Елялнл назначен! у в;ггляд! залеяяостей чисел Ейлеру в!Д к1нематачного фактору, зазору м!:;: обертавчимся диском ! корпусом, зазора м!:;; вусикамл увцльненил та диском пор!зке1Пго для повороту потоку на вход! у . прцдискозу камеру, рад!алыюго дифузора 1 перифер!йного уд1лькення; одержан! крлтер!алы!! р!вняння, як! визначають сукэрнлй ?1дразлнчний оп!р уоъого тракту теч 11 охолодгкуячого пов!тря в!д входу в прлглскову камеру до внходу його у проточну частшу;

- сформульовоно математлчн!' г,одел! для розрахунку ламшарно! та турбулентно! течИ у рад!альному осьссиметр;г-шому днфузор! зм!нко1! илрочшгл;

- па основ! чксельпого експерименту, прозеденого по матрлц1 класичкого частково насачекого плану для течИ в!д центру до перкферП у радиальному дифузор!, шсгй утворен обертаючкмся диском та корпусом 1 двома дисками, як! сбертаютъсл; одержано залеашост! числа Клера та коеф!ц!ентэ моменту ол!ру в!д геометричплх та режпмвих характеристик длфузору.

Практична Щни1ст1, уобочи политое у:

- шдвлцегоИ еконогЛчност! газово! турб&пг за рохунок м!Шм!ззц!1 вктрати позХтря, яке сачгаяе придкскопу камору;

- уточнаш! г!дродинЕ!.!!ки течИ у прлдкскових камерах, що потр!бно для впзпачення балансу нитрат та ступеня реоктлвшст! у ксриовМ зон! робочлх лопаток;

- уточнит! втрат тертя диска при визначелн! ККД сх!дця;

- п!двн1цепп! над!й:-юст! . роботл турб!н за розрахунок уточнения величияи осьового ьуслллл, яке д1е на ротор.

Реол!зап!я результат1в роботл: ДисертзцШна робота пов'язана з викснаштм иот<урспо1 програмк зг1дно приказу М!1шус:.' Украйш та хоздоговора з ВПО "Турбоатом".

/•ггообатя робота: Основа! розд1ли дисертаШйно! робоги докладен!:

- на республ!канськ!й науково-техШ'п^й конференцП "Математическое моделирование и вичислителилЯ эксперимент для совершенствования енергетических и транспортних турбоустановок

в процессе исследования, проектирования," диагностирования и безопасного Функционирования", м. ЗмПв, 1991р.; - м!яяародн1Я науково-техн!чн!й конференцП "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье", Харк!в-М1школьц, 1993р.

ПубликацИ: Основн! результата дисертаЩйю! робота з!дображено у 5 публ!кац!ях.

Об'ем та структура робота: ДисертаЩйна робота складаеть-ся з вступу, 6 глав та основних висновк!в, мае 165 стор!нок тексту, у тому числ! 70 рисунк!в та 3 таблиц!. Список викоростатк джерел пмицуе 67 найленувзнь.

У вст.утту оОгрунтовуеться актуальн!сть розглянуто! наукоБо-т?хн1чзк>1 задач!.

Пеэда глава ум!щуе огляд л!тературних джерел по тем! робота 1 формулюс основн! задач:: досл!дхе:и>.

Ашзл1зуаться Шдом! метода! визначеиня поля таску при течП середовила у каналах на засяд! повш:х та пзрабол1зованих дчферешЦалышх р!внянь. Розглядааться конструкт* газових турбШ з дисковии: роторами, як! охолодакувться.

Приведено в!дом! дослШн! дан! по г1дродинам1чним характеристикам уЩльнутих то не уц1льнутпх придискових камер.

Друга глава прпсвячена чисельному досл!-7,;ешга ламинарной: та турбулентно! теч!" у радГадьлсму осьоснметричксму дпфузорх. Вжорнстапо систему ларабол!зовгзпп: диференЩальких рХвнянь руху та сущльност!, яка описус ссьосиметричву турСулентну теч!», та в безрозм!ршк перем!шпо: мае вигляд:

де и, V, v.' - рзд!алькэ, колопа та оскзео сг. ладов! ходкое?!; Ги=л?/р(и Гд)" - число 2&перу, А> - число Рсйшьясу,

К\*=ц /шг - кШскзтпчпиП фактор; !ндекс "о" св!;;чнт>> со пэлкчлкк отопляться дэ рзд1усу, на котрому г; ярпд^скову пороззпшу п!дзодиться середовще. В р!внякпяг. (1) 1 (2)

! - дошзша вляху зм!шування (при ламкнар;:!;; точ11 ¿'=0). дал яко! прийнята залекн!сть

5?ЙСТ РОБОТИ

I

I . л гь Н-<5>

де в - товщина пограничного шару; I - максимальне значения довжини шляху зм1шух.ання; г* - осьова координата, яка вШ1ковуеться в1д ст1нки. Прийнято 1=0,085, Ъ=0,42. Тод!

0,7225»Ю-2 С2 Шг(4,94 §],IвЗ• IО-4 згйе0[^] ]. (5а)

Система р!внянь (1)-(3) булз замкнена рХвнянням, яке описуе закон збер1гання маси у 1нтегральн1й форм1:

2х г, Г и(г) йг = 2к 50г0и0 (6)

**0

Р1вняння (1)-(6) розв'язувались чисельно каршевим методом для течП м!ж диском, який обертаеться та нерухоыю ст!нкою, э також для течП м1зк двома дисками, як1 обертаються.

Ус! значения швидкостей на кожному кр ц! знаходалися дв1чи - по черз1 проходами в1д диску та в1д ст!нки або в!дпоа!дно в!д двох диск1в, п!сля чого усереднювалися. Таке обчислення швидкостей стаб1л!зувало л!чоу та п1двщувало точнють розрахунку. Для забезпечення с?1йкого л1чиння в зон! в1дриву використовувалося приближения Флюгге-Лотц, в якому конвективний член и^ зам1нюеться членом С|и|^, де С або р1вгяеться нулю, або мала позитивна константа. Для точного задов!льнення р1вяяння (6) виявилось . потр1бним увести итерацШшй процес, в якому шляхом посл!довного уточнения (згл коректуеться проф1ль рад1ально! швидкост1 и таким чином, щоб з точнЮтю до ЮТ4 задов1льнялося сп!вв!'®оаеннч (6).

Чисельиш 1нтегруванням система даференц!альних р!вняно для неупцльнуто! придисково! камери було зкайдено: розпод!л таску та коефШенту моменту оп!ру Сч по рад1усу камери, прсфШ швидкостей в осьовому, . кодовому . та рад!алькому напрямках. Чисельний експеримент було сплановано за матрицею класичкога частково насиченого плану, який м!стить чотири безрозм1рних аргумента: число Рейнольдсу Ее0, к1нематичний фактор Ку, широчину камери Б та рад1ус г. Апроксимац!я чисел Ей та См щюводилася окремо, для ламинарно! та турбулентно! течП, а також для одного та двох даск1в, як! обертаються. .

Чисельний експеримент для ламинарного режиму течи було проведено в таких :!нтервалах незалежних перемиших:. Ку=0, 1-2,0; Б = 0,02 + 0,5; г = 1 ♦ 2,2; Р.е0 = 5000 •»• 2,5-Ю4 (Иек=2 • 104+1 • 105); для турбулентного режиму течП число Рейнольдса зм!нювалэсь в 1нтервал1 йео=4-105+ 1,6-106.

Апроксимаи1я числа Ей та коефШенту моменту оп'ру для турбулентного режиму течП в придисковой камер!, яка утворена диском та корпусом одержана у влгляд!:

Ей =' Е К?А 108 е'. ■ (7)

См= А 3С(В + С Ку)«(Б - Ег) , (8)

де А, В, С, Б, Е, ? --• /(йе0. Ку. г, Б).

Анэл1з одержаних даних виявив, що число Не0 занадто м-^ло вшива е на Ей. НайбШший вплив на Ей чинить "ч!на к!нематичкого фактору. При зб1лыиенн! Кт в 4 рази числэ ЕЯлера зб1льиуеться в 12,4 рази (при 5-0,145; г=2,2) для камери, яка утворена обертаючимся диском та корпусом 1 в 1,8 рази для камери, яка утворена двома дисками. Вплив широчшш зазору для двох диск!в практично не виявляеться, тод! як для одного диска, що сбертаеться ипрочила зазору вплпае при БсО.СМ+О.СЗ (монотонно зменшуеться). Гиск по рад1усу зб!льшуеться монотонно, причому для ус!х К, зб!льшення г з 1,2 до 2,2 веде до зС1льшенкя Ей в 2,5 рази.

Залежн!сть м!к числом Ее0 1 коеф!ц!ентом моменту оп!ру См монотонно зменшушим як для одного, так 1 для двох диск1в. При Рб!льшенн! Ие0 в 2 рази Сн змешуеться в 1,5 рази. Слабый ьплив на Сн чинить зм!на ¥у. Вплив широчики зазору при Б<0,2+0,3 незначний 1 стае пом!тким т1льки при Б>0,2+0,3 (монотонно зменшуючим). Вплкв рад!уса г на См немонотонний -при зб!льшенн! г приблизно до 1,3*1,5 для одного обертаючогося диску в!дбуваеться слабхе зб!льшення С , а при ьодальшому

М А

зс!льшенн! рад1усу, спостер!гаеться таке ж слабке зменшення См. Для двох обертаючю оя диск!в в!дбуваеться зм1щення положения максимума См в!д зм!ни рад!уса у зону б!льш високих зна гэнь ,8.

В трет!й глав! приведено ошс доел!даоI установки та методики проведения эксперименту. Модельна д!лянка устзновки складаеться з консольно зэкрЛтленого на валу диску та корпусу з пери1?ер!йним утц'льнеиням. Корпус моке перешдуваться в сеьовом/ нгпряму, ¡по дозволяе зм!нитн шкрочину зазору м!ж диском та корпусом. Рег/лмсться також зазор м!ж диском та периферштим уи1льненням. Поз!-гря податься в зазор м 1 диском та корпусом по к!льцевому каналу а камери, яка гроблена у виг ляд! равлику. !&><5 вилучсти закрутку потоку на вход! в рад1алышй дирузор в кэкал! остановлено 4 рзд'алтннх ребра, як! утиорк.ють разом- г! вставкою в корпус тдводятей кэмэл.

s

Витрата пов!тря вим!рювалась за допомогою д!афрагми, яка подключена до манометру.

В корпус! передбачено три тили отв!р!в,:

1 ) для зам!ру статичного тиску - отв!ри д!аметром 1 мм, розтзиован! вздовж трьох рад!ус!в, зм!щених на 120° вШосно друг друга, ко було зроблено для усереднення поля тиску в кодовому напрям!;

2) для зам!ру шля швидкостей у канал! при допомоз1 трьохканального зонду - отв!ри д!аметром 2,,8 мм;

3) для зам!ру статичного тиску PQ в к!льцевому какал! перед входом в рад1альний дифузор на в!дстан1 45 мм В!д лицево! поверхн! корпуса передбачено 4 отв!ри.

Ротор з диском приво.ютъся в обертання електродвигуном постхйкого струму, який керуеться за допомогою ун!ф!кованого реверсивного однофазного електроприводу . cepîï ЕПУ 2-2 з оборотнич зв'язком для п!дтримки завдано! частота обертання. За.м!р частота обертання було зроблено за допомогою цифрового тахометра УАТ-З з датчиком та тахогенератором. .

Статични* тиск в рад!альному дифузор! зам!рявся за допомогою сп1ртового похиленого м1кроманометра МЛН. Для зам1ру перепаду тиску на дизфрагм! Еикористовувався вертикально! водяний диференц!альний манометр з. висотою стовпа 1800 мм, а для визнэчення тиску пе^ед д!афрагмой - водяний манометр з висото» стовпа 2500 мм.

Експерименти проводились по класичному частково насичено-му плану, що дозволило в!др1знити вплив кожного незалежного перем!нного на функШю отклику - число Ейлера або величину м1-н1малыю! зап1рио1 витрати при р!зних р!внях 1нших аргумент!в.

При проведен»! досл!д!в з зам!ром величини витрати охолодника, який зачиняе придискову камеру, д1апазон зм1н частота обертання складав 4G0+2450 об/хв. Широчина зазору м!к диском та корпусом S приЯмалася р!вною 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70 мм. Значения зазору SQ м!ж диском та перифер!йним ущ!лькеш!ям складали: для одновусикового осьового ущ!льнення -3, 5, двохвусикового осьового - 3, 5, 8мм;

трьохвусикового осьо-рад!ального -1,3, 5мм; двохвусикового осьо-роШалыгого - 2, 4, 6мм; рад!аЛьного ~ 0, -5, -10мм.

На кожному 1з зазор!в S число Не змЛнювалось на чотщьох-еосьми р1внях. М1н!мальна ззПрна витрата в досл!дах визначалэся при ReQ=const, S=const, SQ=const шляхом

регулювання витрати середовища. яке подаеться в ттрпд ;кову камеру таким чином, цоб тиск на зовн!шньому рад!ус! камери R=280mm (r/R=Q,j25j був близъким кулю (±0,3 мм вод.ст.).

Досл1ди з замером поля тиску в тракт! охолоджувчого середовида (поворот потоку, рад!альний дифузор та перифер!Яне уиЦльнення) проведано для трьох тип!в ущ!льнень: двохвусикового осювогс, трьохвусикового та двохвусикового осьо-рад!альних. Частота обертання, широчина зазор1в S та S0 приймалисъ такими ж, як 1 привизначекк: зап!рнс! витрати.

Пр" завдрному значенл! зазор!в S 1 S0 та ф!ксовгн1Я величин! к!нематичного фактору досл!джувався вплив тлела ReQ при чотирюх Яого значениях в д!апазон! 3,5*Ю'< + 2,5«Ю5. Досл!ди повторювались для 6+9 знгчень к!нематичного фактору, р!вного О.рт; 0,15; 0,25; 0.3^; 0,5; 0,7; 1; 1,5; 2. Таким чином, для когшого з 24 сполучень зазор!в SQ та S проводилось до 36 до"л!д!в при р!зних значениях HeQ та Kv.

Зам!р розпод!лу рад!ально" та колово! складаючих швидкост! забеспочувався за допомогою трьохканального зечду. ДослШувалась теч!я в' придисков1й камер!, ущ!льнут!Я трьохвусиковим осьо-рад1альним ущ!льненням. Широчина зазору S приймалась р!вно» 20, 40 та 60 мм. а широчина зазору §0 складала 5 мм. Зам!ри проводились на чотирьох рад 1ус?т з креком в осьовому напрям1 0,5+Зку. Зам!ри проведено при ReQ=75000 ! Kv=1, а для зазору §=20 мм ! при зап!рн!Я витрат!.

Б четверт!Я глав! Еиклэдено насл!дки експериментального визначення витрати, яка. зачиняе придискову камеру в!д проникнення до не! гарячих газ!в з проточно! частини турб!ни.

Есього до^л!дзсено 81 вар!ант упЦльнень, як! в!др!зняються гесметричними розм1рами. КозшмЯ вар!ант випробунано при 4-S значениях числа РеЯнольдса ReQ. Одержано с1м пар апроксимуючих р!внянь для розрахунку зап!рно! Еитрати:

w-^-tH'V • Re= ^ • <wsV <э>

! у вга'ляд! розгорнутого р!вняння

де G - масова витрата охолодника, а коефИЦенти Тj. Q}, n, m залежзть в!д типу уи!льнення.

На рис.1 доведено дан! експериментэльного досл!джекня,

яке показуе тип1чн! зал'ежност! м!ж fw, та Re_.

i n о

Пор!вияння зап!рних витрат для р!зних тил!в перкфер!Яних

ЗалежнЮть м1н1.мзльно1 заШрноХ витрати в!д Ее0, Бе та шцочияи камери --;-,--, ^ '

-V

■ V ,-£13 -1,1 -о

-

—1—

- , 1 /

! "» -

1

о & и

1 . /ЬИкн

0 1 л ✓ 55мм

л. 1 ! АЗОнм

: !

Рис.1

о,г 0,4 п,б о,» ' у> йен?- — :• Рис.2

ЗалежнЛсть числа Еч повороту потоку в1д 1;е0. Ку та Б

' V 5,0 . • $ -ВЦ • -V 0 ' 0,2 ¡¡Д

ш • ю, за "¡а $о 60 та з

Рис.5

ущ!льнень приведено на рис.2 (одновуочкове основе' - пряма а, двохвускков^ осьове - Ь, одновусикозе рад1аЛьн? - с, трьохву-сикове - <1, двохзусикове осьо-рап1алъне - е). Кайб!льш ефек-тивним виявилось двохвусиковй осъо~рад!альне угЦльненкя з рсз-тошуванням пераого у рад!альяому напрям! вусика на ротор!. Де-к!лька ясступае йому но ефектиькост! трьохвусик^ве узцльнекня.

Пор1вняння досл!дних значень ззп1рнс! Елтратл з внзкаченями по методиц!, яка зикладепа в "Руководящее указаниях" IJKÏI похазуе, що приблизниЯ зOtr mix величин спост&р!гаетьса для вузьких камер (5 = 5+20 т.ч. при

виг'рност! зазор!й ы1а вусиком та диском ! м!к корпусом та диском (5 « s0). Рэзходкеяня м!я пор1вншальнкми величинами в !нших вшадках знячяе. Наприклад, для дгохзусикоБого ссьо-рад!злыюго уш!льнення при S0=3mm та S-70mm сшстер1гпеться б!льш тс 20-ьратна в!дл!на.

У п'ят!й глав! викладено результата експериментального досл!деення поля тиску при.те*1.Т спедоылиа мш обертаючкмся диском та корпусом в!д центру до периферП.

В прадисков!й камер! мозклизо виделити три д!лянц1, в!дм!нних законом!рноотями течП. Це д!лянка входу потоку в придаокову камеру з поворотом потеку з ось~вого к!льцевого каналу в дафузерну зону; друга д1лянкэ - рад!альний дафузор; третя д!лянка - зона, обмезкена перифер1йним ук!льненням. Межи пах ^!лянок мають в зз!сн!й м!р! умовяий характер. У пропонуем!й робот! прийнято, що парша д!лянка обмезкена в!днос-ним рад!усом г=1,33. ПротяжнЮть дафузору при обробщ експери-мент!в обмежувалась рад!усзми 1,33 ! 2,98. Тратя дШнка в ра-д!альному напрям! визнэчаеться зоною перифер!йного ущ!льнення.

Таким чином, повний Пдравличний оп!р №пош придисково! камери можлизо уявити у вигляд! трьох доданк!в: г!дравличного оп!ру повороту потоку на' вход! у придискову камеру д?п, г!дравличного оя!ру дкфузору ЛРр 1 г!дразлкчного onlpy периферШгего уи!лькення lia виход! з придисково," камери ДР5:

де знак перед ¿Р^ означав, що в друг!й зон! в!дбуваетья вшонлепня тиску.

Для jîKlcHoro досл!д:ке..ня структур! течи у придиеяозих камерах проводились зам1ри проф!лей ивидкост!. Виявилось, ио длл гьчИ !з Kv . на ьеликХй д1лянц! придаскозо! кзмери, потамзя з периф-зри, утзордаться зона зсорстко! течП. На ШЛ

зге д!лянц! витратнз теч1я спостерХгаеться лише вблизу диска, який обертаеться. При зб!льшенк! витрати (к1нематичкого фактору) при незм!кному зазор! Б зменшуеться перифер!Яна застойна зона, зб!лъшуеться зашьнв.шя придоскоБо! камери ептрзтною теч!е», зб!льшуеться вхдривний пу-гтр на стаюр1 з кутов!Я точц! при зворот! потоку. При зб!льаенн! широчини камери 3 при лоет1Ян!й витрат! зб!льшуеться в!дривний аузкр та периферийна застойна зона аг до 1х злиття.

Втрати таску на поворот потоку складаються з вграт тертя, втрат на вихреутворения, втрат на рэлтове розаиреккя штоку за з!др;г>ною зоной, та втрат ко раптове розшрення (звукення) потоку, я;<е в:и!кае при переход! в!д иловЦ поперечного перет!ну, ястй в!дпок1дае широчга! п!двсдячего каналу к площ! поперрчного перет1ну, який в1дпов!дае ши^очин! камери 5 на рад!ус! л!дводу охолоджуючого середовща. Окр!м того, так як зонп повороту потоку в даних досл!даеннях обмежуеться в!дносним рад1усо:л г-1,3В, то на Е^ буде внливати також ! дифузоршй еф-кт на д!лянц! 1<г<1,33.

Дослгд-л виявиг:, ао в !нтервал! Нец= 3,4- 1С4+ 1,ь• 10' при Ку=1йел1 оп!р повороту не залегить в!д числа йе0 (рлс.З), як 1 в статичиих умовах. В зон!, автомодельн1Я в в!дношенн! до числа Ве0, головнкй вплив на оп!р чинить к1нематичкий фактор та шпрочина зазору (р!»о.4, Ъ). Як виявилось, розаарування крипгх при рхзних 30 не в!дбузэеться, що поясн:оетъся слабгам еллнесм перифер!йногг ущ!льнення на велпину оп1^а повороту потеку. Залж-Иеть тлела Е^ ь!д параметру 8 не з'яеляеться моното-шою. При молих значениях г>, коли поток за поворотом егшс:?-рчсться 5 з'вязку !з зменшенням пере?1ну каналу, зона вИ^ряЕно! теч5! невелика та в1ддов!дно невеликим буде г!драг:л:г-г^й оп!р. По м!р! зб1льшеиня широчини каналу за яозоргтем смекну етьел п!джаття потоку, зона в!дриву зСх/ыутпля, цо веке до росту оп!ру. Але, починая з якогось сна-.екья Б посилюеться вшив дафузорност1 каналу та в1днсг:;;ення тиску почмнае дом1нувати над ростом зхрат в!д тертя '. а шдр'лву. В !тоз! зд!йснветься .зменшекня числа В.^.

Лосл!дн! дан! узагальнено критер!альним р!внянням вигляду

Течхя в рад!зльному дифузор1 и'та обертаючимся диском 1 корпусом характеризуемся великою складн!стю. У вх!дн!й йога

частц1 при осьовому п!двод! охслодкуючого сереловища виникае циркуляг'йна зона на ст!н! корпуса б наел дку в'дриву пот< :у з посл!довнкм Яого кривднанням, а при великих зазорах S приеднання в!дризу мо:ке не виникнутя. У перифер!йн!Я части! дифузору поблизу. ущ!льнакня утворветься заст!Яна зона. Е ае б!льш!Я м!р! теч!я ускладнветься, коли витрата кр!з~ придискову камеру ыеньш з?т.-рно1, т.ч., коли в прядискову камеру п!дводиться середовиуе з проточно! чзстини.

Залежност! Mist Bj^ та Ее0 в меках точк!ст! доол!д!в заф1ксовано не було, тод! як б!д к!нематичного фактору залекн!сть квадратична, також як 1 для повороту потоку.

3 рис.'* видно, що 1нтенсиЕн1сть в1днсвлання тиску в диф^ор! залежить з!д широчини каналу S, з зб!льшенням яко!

зм!кюеться немоноток.о (см. рис.7). Це мояливо пояснити таким чиьом.' На розпод!л тиску по рад1усу чинит:» вялив як дифузорний ефект, якиЯ веде до ивэдення статичного тиску по рад!усу в дифузор!. так 1 викикаючиЯ при поворот! потоку в!дриз га поява перифер!йно! заст1йно! зени. Ос чин! явжца зi .ежать в!д ^еличики зазору S, в той час як дифузорний ефект залегать т!льки в*!д ступени розчинення дифузора, який в е'сспериментах не вм!нювався. Отае, немонотонна зм!на Еи^ в!д величин« S залежить т 1. ;ьки в!д зменшення або зб!льшення втрат ь дифузор1 при зм!н! S. Два основних режима т&чИ в рад1зльнэму дифузор! - лрл в1дсутност! або наявност! в!дриву в ку.эв!й ^счи! статора окрееяюють також р!зниЯ розпод!л тиску по ра.Щусу придисково! камери (рис.6).

Узагальнення експериментальних даних, якг показан! на рисунках, проведено у вигля"! критер!альких р!внянь типу:

Яи = |C|a5-ICd?'+e Kv2 (13)

Лаб!риктоЕе упильнення на перифэр1! придисково! камери широко використсвуеться и конструкц!ях паровях i rasoi.tx тур-б!н для уиЦльненьл придисково! камери або проточно! частики.

Ексиериментэльяе досл!джекня биявидо. що з меках точя!ст! досл!д!з число не вплквае на onlp ущ!льпенкя. ОсноениЯ вплив на оп!р "¡шить :,итрата (к!немаТ1ГйаС1 фактор), е1дносн! величин/* зазор1в S0/R 1 S/R. В логарифм 1чних координатах залежност! "'^/(Ку,,) i Eu6^/(S/H) (см. рис.8) з'являються практично л!ней;ими.

1аагальнююча залекн!сть мае вигляд (при S/R>0,06):

S 2

1.8132

Залехацсть числа Ju рад1альнэго дяфузору в!д Яогорад1усу та шиючини .0,1

S (ш) : — ios — is 20; — зо

-о- 40; 50 -о- 60; 70

' a;i 0,15 у о,зп о* < —

Рис.6 Рис.7

ЗалежнЛсть Eug та ?\0MÍ в'д S/R та SQ/R

V

>

О

■о/»

" -

4j „О-Ч.

V

^

о

•о/» ' -ад

V» цг

•-1Д -í,2 -1р -Jf -c/s Рис.9 . ^V«-1—

-',5 -lit -1,2 nyj -0,9 -qs

p-.îc.a —- ' ..

V \

/ 4 \

-гр s*

Far.. 10 ---

mi»

Э

Експериментальне дослШення зиявило, що в межах точнЮт! дослШз число Rc0 не впливае ка повниЯ onlp камери. ОсноениЯ бплив на onlp чинить в;;тратэ та вишосн! величини зазор!в д í (рис.9 1 101. Критер1альиа залежн1сть м!я Еипохц.та вс!ма аргументами ма s г тляд:

3'явилось, l* onlp периферишого упЦльнення дом!нуе над усима 1нпими складаючими повного onipy, а зШюшекня величин Еий 1 EuncUK близько до единиц!. Це сз!дчить про те, со втрати на виход! з придисково! камери (в виладку 11 уд!льнення) чгашть вир!шэючкЯ вплкв на повн! втрэти е широкому д!апазон! ЗМ.1НИ зазору S. Але при невеликих зазорах 3 та слабкому ущ!льненн! придисково* камери внесск втрзт на пери-Хер !Яному уцЦльненн! в ус! втрати р!зько зменкуеться. Це в ловк!Я м!р! пояснжо там, що при пог1ршенн! як!с?! перкфер!Яного ущ!льнення б!льший вплив здобувають втрати на поворот потоку 1 Б дифузор!.

Пор1вняння результат!в експеримект1в для двохвусикового осьо-рзд!альногс та трьохвусикового ущ!лькень виявило як!сний зб!г ф!зичних процесс, як! прот!кають в шх та прилискових камерах, учЧльнутих двохвускковим осьовим ущХльненням. Еинятком е залеш]сть Еи^ в!д К,, в зон!, яка блкзька до К^.д, де для сильноуиЦльн.утих камер (с трьохБусяковим i двохвусиковим осьо-радШльними укЦльненнями) розпод!л тиску, осс6.яиео поблизу уиЦльнення, зм!нветьоя також як!ско - тиск на периферИ камери зростае !з зменшенням \',,г Така поведШка Ей була урахована при апроксимацП експериментальних дашх:

йу Su0nJA - E^C^-D^), (16)

де Ку^ч-пс' Kvne(.=Kvmir.ÍAr'"B' ~ Беличина к!нематичного Фактору, при як!й здХЯснюеться перек!д з квадратично2 ззлекност! на залежн1сть типу (16); ®лдпг_Р - число Ейлера в точц! переходу К„ .

Було виявлено, що onlp повороту практично не залекить в!д типа уцЦльнелн.я (см. рис.5), ¡до пояснкеться слзбким впливом перифер!Яного упЦльнення на лроцеси, як! прог1кавть в зон! -подводу середовяда а придискову камеру. В той, же час тип перифер!Яного упЦльнення чинить вир1шалыШ вгт.тав на г1дродииам1чн1 характеристики упЦльнутих придис-кових камер.

Вплив широчини каналу п!дводу середовища St з придискову камеру на 11 г!дродинам1чн! характеристики дослхджувався для

трьохвусжового увЦльнення з величиною зазору Sü=5 мм. В зон!, автомоделььМй у в!дношенн! до Reri залежн!сть досл!дних величин EUyj, Eug. БХь, в!д Kv була квадратичною. Лчя трьох

досл!джеких величин" S( в!дкрита залех.Ють £>ап в!д в!дносно! широчини каналу S/S(. Бплива S} на Eus ! EuР0 нема.

Шоста глава утрямуе пор!вняння розрахункових. та досл1дних дзних. Так, пор1вняння проф!лей рад!ально1 та колово! складаючих швиякост!, знайдених у чисельному та ф!зичному экспериментах еиязилк задов!льнений зб!г друг з другом.

Також задов1льнен! результата дало пор1вняння розрахункових та досл1дних даних по розпод!лу тиску при лзм!нзрнсму та турбулентному режимах течИ в придисков!й камер1 з одним обертаючдася диском. Пор!вняння коеф!ц1ент!в напору, як! виявлени чиселько та отриман! експериментально в робот! Патерз та Кроузера при ламинарной течП м1ж двома дисками, як1 обертакш-ся виявило практично повг-й Ix зб1..

Чисельний експеримект, який описано в 2-1Я глав!, передбачае визначення, окр!м полей швидкост! "9 тиску, такой розпод!л коеф!ц!енту мсменту onipy с в!д ряду фактор!в (Re, Kv, S, г). Пор!вняння розрахункових дзних з експериментальними даними Бейли та Оуена для неущ!льнуто1 придисково! камери в залежност! в!д числа Рейнольдса Re0 виявили гарн! результата. Також п!дтверджена як1сна зале;кн1сть Ro"0-5, яка знайдена Дейл! та Кисом.

Пор1вняння експериментальних даних по м!н!мальн!й зап!раюч!й витрэт! з даними Садке та Оуена виябило гарюгй. зб!г для однакових перифер!йних ущ!льнень.

На заснов! 1снуючих експериментальних даних було проведено розрахунки осьсвого зусиллл для дев'яти схХдиев турб!ни К-300-240 ЛМЗ. як! п1сля цього пор1внювались з дзними, як! отримап! по методаиЦ Ш1. Sa nie» метод!ко» тис< як перед диском, так 1 поза ним приймався пост!йним по радиусу 1 р!вниы середньому значению тиску по рэд!усу диску. Выявилось, що можливо зб!льшити точн1сть'розрахунку величин осьовнх зусиль, притягуючи дан! ц1е! роботи.

ВИСНОБКИ

1. Отриман1 експеримектальн! дан! про мШмальну витрату. яка зачиняе придискову камеру при витратн!й течП м!ж обертаючимся диском та корпусом. Досл!да проводились для 5-ти

тип1в терифер1йних уи!льнень: одновусякового та двохвусикового осьових, . одновусякового рад1адьного, двохвусикового та трьохвусикового осьо-рад!альних. Для кожнсго з них ~м!нювались значения зазору м1ж диском та корпусом 1 значения зазору м!ж гребнем перифер1йкого упЦльнення камери та диском. При ць ;>му м!н!мальна зап!рна в!г?рата знаходилась при 4+8 значениях числа Рейнольдса. Найб1льа ■ ефектлвним вияви .^ь трьохвустгкове осьо-рад!альне , упЦльнення та двохвусикосе осьо-рад!альне узЦльиення, яке конструктивно прост1ке та дек!лъка перевервуе по ефективност! трьохвусикове упЦльнення.

Отримано 7 пар критер!альних р!внянь, як! опксувть залежност1 СМп)|п та К^ в!д Б, з0. Не0 1 Ее.

2. Отриман! експеримеятальн! дан1 про г!дравличний оп1р придисково! камери при ви'гратн!й течИ м!ж обертаючимся диском 1 корпусом, а також дан! про розпод!л тиску по рад!усу камери. Досл1ди проведено для трьох тип!в упЦльнень: двохвусикового осьового, двохвусикового 1 трьохвусикового осьо-рад1альних при восьми значениях зазору м!ж диском та корпусом 1 трьох значениях зазору м1ж гребнем упЦльнення камери та диском. Ус! вар1знти геометрП приди сково* камери для кожного увольнения д:>сл!джено при чотирьох значениях. числа Рейнсльдса та 5+9 гначеннях к1нематичного фактору (в!дносно! витрати). Експерименти проводились також для придисково! камери, яка упЦльнена трьохвусиковим ущ!льненням при трьох значениях широчини каналу пХдводу середовища до камери.

Для трьох складаючих повного Пдравличного оп!ру 1 влэсно повного г!дравличного оп1ру отриман! критер!альн! р!вняння, як! аггроксимують досл!дн! Д'ч1. В зон1. автомодельн!Я в1дносно до' числа РеПкольдса критер1альн! р!вняння дають залежн!сть числа Ейлера (коефШенту напору) в!д к!нематичного фактору, в!дносио1 широчини зазору м!ж диском та корпусом, в.'дносно! широчини зазору м!ж гребнем перифер!йного уиЦльнення та диском, а для рад1ального дифузора також залежн!сть В1д рад1усу.

3. Отримано . чисельне . р1шення 'задач! ■ ламинарно! течП середовища в осьорад!альному дифузор!, який моделюе придискову камеру, утворену обертаючимся диском та корпусом або двома обертаючимксл дискам** на основ! частково парабол1зовано! системи диферекц1Яшис пор1внянь руху.

Члселкяй- експеримент плануваьоя за матр1црю класичного плану для чотирьох фактср!в. Насл!д':'и розрзхунку коефШенту

I 1S

моменту onipy та числа Ейлера ошсано ' у вигляд! ступенних залезшостей в!д безрозм!рних аргумента - тлела Рейнольдса, к!нематичного фактору, в!дносно! широчини придисково! камера 1 в!дносного рад!уса.

4. На заснов! модел! довжини шляху зм!шення, розроблано! . у ХП1. запропонована . метематична модель турбулентно! теч!Г середовища в придисков!й камер!.

Одержано чисельне р!шення задач! турбулентно" теч!1 середовща. в придисков!й камер!, яка утворена обертаючкмея диском та корпусом або дзома обертаючимися дисками на заснов! частк_>во парабол!зовано1 системи диференц!альких р!внянпь руху. Насл!дки розрахунку коеф!ц!енту момента onipy та числа Ейлера описано . у вигляд! залежгостеЯ в!д безроз.\;!ргах' аргумент!в - числа Рейнольдса, к1нематичного фактору, в!дносно! шируЧ1ши придисково! камери та в!дносного рад1усу.

Ь. Проведено пор!вняльн! розрахунки,осьового зусилля для дев'яти сх!дцев турб1ни К-300-240 ЛМЗ за допомогою метод!ки, запропоно• за;шоI ЦКТ1 ! на заснов! дзних Ф!зичног'~ експерименту гчявилося, ко розхождення величил зусиль можуть досягати 25%. Так;:м чипом, досл!дн! дан! про розпод1л тиску у придисков1й камер! дозволяють звисити точн1сть визначення осьового, зусилля, диочого на дисковий ротор.

По тем1 дисертацП опубл1ковано п'ять науковпх рсб!т:

1. Кагашос В.М., Дронник А.Ю. Определение поля давления и коэффициента момента сопротивления в придискових полостях численном методом при течении среды от центра к периферии. "Энергетическое машиностроение". Респ. сб., 1994, бш.БЗ. (у печ.).

2. Капинос В.М., Дронник А.Ю. Экспериментальное определение расхода,, запирающего т. идя скову в камеру. "Энергетическое машиностроение", Респ. сб., 1594, вкп.53. (у печ.).

3. Капинос В.М., Хаббаз А., Дронник А.О. Гидродинамические характеристики потока в пркдисксБых полостях.// Тезпси' докладу на республ!канськ!й науково-техл!чн!Я конференцП "Ма-тема! леское моделирование и вычислительный эксперимент для совершенсгьовагля энергетических и транспортных турбоустановок в процессе исследования, проектирования, диагностирования и безопасного функционирования", Зм!!в, 199}р.

4. Калкяос В.М., Пустовалов В.Н., Дронник А.Ю., Лаврухин В.А. Математическое и физическое моделирование течения у

турбишюго диска. // Тезиси докладу на м1хнародн1й науково-техн1чн1й конференцП "Компьютер: наука, техника, технология, здоровье", Харк1в-М1школьц, 1993р.

5. Капинос З.М., Дрошгак А.Ю. Определение запкрашего расхода прятеченииохладителя в зазоре между диском и корпусом газовой турбины. // Тезиси «окладу на м1жнэродн1й-науково-техн1чн1й конференцП "Компьютер: наука, техника;, технология, здоровье", Харх1в-М1госольц. 19£3р.