автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Отрывные течения в диффузорных каналах и методы повышения эффективности диффузорных элементов проточной части трубомашины

Р Г Б ОД

- 8 И ЮН ОЗ

На правах рукописи

Дмитриев Сергей Сергеевич

ОТРЫВНЫЕ ТЕЧЕНИЯ В ДИФФУЗОРНЫХ КАНАЛАХ И МЕТОДЫ 1ШВЕННЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИФФУЗОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБОМАЕИНЫ

Специальность 05. 04.\2 - Турбомашины и комбинированные

турбпупттюгти

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре паровых и газовых турбин Московского энергетического института ( Технического университета )

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Грибин В. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шерстюк А.Н.

кандидат технических наук, доцент Арбеков А.Н.

Ведущая организация : НПО ЦКТИ ( Научно-производственное

объединение Центральный котло-турбинный институт ) г. Санкт-Петербург

Защита состоится в аудитории К-409 "" и^^Я___1998 г.

в^ час. 00 мин. на заседании диссертационного совета К 053.16.05 Московского пнергетичепкого института ( Технического университета ) по адресу: Москва, Красноказарменная. 17, кор.Б.. 4-й этаж.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ

Автореферат разослан "_" 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета К 053.16.05

к. т. н., с. н. с.

А. И. Лебедева

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Одним из перспективных путей повышения аэродинамической эффективности проточной части турбин является совершенствование диффузорных частей систем подвода и отвода рабочего тела.

Эффективное восстановление давления в диффузоре ограничивается возникновением отрыва потока. При этом отрывной режим течения снижает не только экономичность, но и надежность работы турОомашины.

На сегодняшний день нет ясности относительно механизма развития отрыва турбулентного пограничного слоя, особенно в области неустановишегося отрыва. В этой связи важно разработать и обосновать такую модель возникновения отрыва, которая учитывала бы главные факторы, его вызывающие. Только в этом случае возможно достаточно точно оценить область безотрывного течения в диффузоре на стадии его проектирования и эффективноно применять существующие методы управления потоком в диффузорном канале.

Исследование отрывных течений в натурных тубомашинах - дело весьма трудоемкое и дорогое. Поэтому на сегодняшний день экспериментальное исследование моделей - практически единственный способ получения достоверных аэродинамических характеристик диффузоров, используемых в проточной части турбины. В этой связи представленные в работе экспериментальные исследования отрывных течений являются актуальными, а разработка новых методов обеспечения безотрывного течения представляет практический интерес. Целью представленной работы являлось:

1. Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование изменений характеристик турбулентного пограничного слоя при переходе из области устойчивого безотрывного' течения через область перемежающегося отрыва к полностью установившемуся отрыву и уточнение механизма развития отрыва потока от гладкой стенки.

2. Сравнительное иследование существующих методов управления потоком в диффузорных каналах с целью повышения эффективности их применения.

3. Разработка и исследование новых методов повышения эффективности диффузорных каналов за счет увеличения зоны безотрывного

течения.

4. Экспериментальное исследование течения в моделях выходных патрубков и разработка рекомендаций по повышению эффективности систем выхлопа реальных ГТУ.

Научная новизна результатов, полученных автором, состоит в следующем:

1. Показано, что при переходе течения в пограничном слое вниз по потоку от безградиентного в область повышающегося давления все изменения характеристик слоя направлены на сохранение исходного безотрывного течения. При этом течение в пограничном слое стремится к равновесному или энергетически сбалансированному состоянию.

2. Предложена и обоснована с точки зрения принципа максимальной устойчивости осредненных турбулентных течений (ПМУ) модель возникновения отрыва турбулентного пограничного слоя.

3. Проведено сравнительное исследование различных методов управления пограничным слоем и даны рекомендации по применению их в диффузорных каналах.

4. Предложены и исследованы новые способы управления потоком в диффузорных каналах при нетрадиционном размещении дополнительных поверхностей внутри канала, позволяющие существенно повысить эффективность работы плоских диффузоров (на 20 X). Достоверность и обоснованность результатов. Применение обоснованных методик экспериментальных исследований, тщательная тарировка и калибровка измерительных средств и проведенная оценка погрешностей измерений дают основание утверждать, что полученные экспериментальные данные достоверны. Достоверность и обоснованность результатов подтверждается их хорошей повторяемостью при проведении контрольных измерений.

Основные научные выводы подтверждаются также сравнительным анализом полученых в работе данных с результатами аналогичных измерений, опубликованными в отечественной и зарубежной литературе. Практическая ценность работы определяется тем, что:

1. Предложенная модель возникновения отрыва турбулентного пограничного слоя позволяет уточнить основные факторы, определяющие возникновение отрыва, что дает возможность учесть их влияние на стадии проектирования проточной части турбомашины.

2. На основании проведенных сравнительных исследований различных

методов управления пограничным слоем даны рекомендации по оптимальному применению их в диффузорных каналах.

3. Предложенные и исследованные новые способы управления потоком в диффузорных каналах при нетрадиционном размещении пластин внутри канала могут найти применение при проектировании широкоугольных диффузоров для теплообменных аппаратов ГТУ.

4. На основе проведенных исследований даны практические рекомендация по повышению эффективности осевых и осерадиалных выходных патрубков ГТУ.

Личный вклад автора. Автором проведен обзор литературы и проанализированы опубликованные данные по теме диссертации, проведены экспериментальные исследования, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные.

Предложена и обоснована модель развития отрыва турбулентного пограничного слоя с соответствующим анализом физических явлений, происходящих в предотрывной области слоя.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:

1. На Всесоюзной конференции "Современные проблемы механики и технологии машиностроения", апрель, Москва, 1989 г.

2. На ХШ научно-технической сессии по проблемам газовых турбин, сентябрь. Москва, 1997. г.

3. На заседании кафедры паровых и газовых турбин МЭИ, февраль, Москва. 1998 г.

4. На заседании секции паровых турбин НТС АО "НПО ЦКТИ", апрель, Санкт-Петербург, 1998 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано более 10 научных статей, тезисы 2 докладов и выпущено 3 научно-технических отчета по НИР Автор защищает

1. Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований изменений характеристик турбулентного пограничного слоя, предшествующих возникновению отрыва потока в канале и модель возникновения отрыва турбулентного пограничного слоя, основанную на анализе полученных результатов.

2. Экспериментальные результаты иследований различных методов управления потоком в диффузорных каналах и основанные на них предложения по их эффективному использованию.

3. Возможность расширения зоны безотрывного течения в диффузор-

ных каналах при нетрадиционной установке внутри канала дополнительных пластин.

Структура и объем работы Диссертация изложена на 221 странице, включает 169 страниц машинописного текста, иллюстрируется 91 рисунком и состоит из введения, пяти глав, каждая из которых заканчивается промежуточными выводами, заключения и списка использованных источников из 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы работы.

В первой главе представлен краткий обзор литературы, посвященной исследованию отрывных течений в каналах.

Несмотря на существенные различия в подходах к проблеме отрыва анализ опубликованных результатов позволил выделить некоторые общие закономерности отрыва потока.

- Возникновение и местоположение отрыва потока от гладкой стенки под действием положительного градиента давления в направлении течения зависит от режима течения в пограничном слое.

- При возникновении отрыва турбулентного пограничного слоя различают следующие характерные зоны течения: зону устойчивого безотрывного течения, зону перемежающегося или неустановившегося отрыва и зону полностью развитого или установившегося отрыва.

- В дозвуковом потоке взаимодействие между течением в пограничном слое и внешним потенциальном потоком в предотрывной зоне оказывается весьма существенным, что обуславливает необходимость учета этого факта при анализе причин возникновения отрыва.

На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи настоящей работы:

1. Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование изменений характеристик турбулентного пограничного слоя, предшествующих полному отделению основного потока от стенки и уточнение механизма развития отрыва потока от гладкой стенки на основе анализа этих изменений.

2. Сравнительное исследование существующих методов управления потоком в диффузорных каналах с целью повышения эффективности их применения , разработка рекомендаций по их применению.

а также разработка новых методов обеспечения безотрывного течения.

Вторая глава содержит описание экспериментальных моделей, системы измерений, а также методик проведения экспериментальных исследований, обработки данных и определения погрешностей измерения.

Экспериментальные исследования проводились на моделях, показанных на рис.1 с использованием сжатого воздуха в качестве рабочей среды.

Использование плоского несимметричного диффузорного канала с изменяемой геометрией (рис.1а) для исследования изменений в структуре пограничного слоя позволяло реализовать как отрывные, так и безотрывные режимы течения при практически идентичных начальных условиях на входе в диффузорный участок в исследованном диапазоне изменения отношений давлений ег = Рг/Ро-

В диапазоне п = Г^Л^ < 2 в диффузорном участке реализовы-вался безотрывный режим течения. При увеличении п > 2 на отклоняющейся стенке сначала вблизи выхода, а по мере увеличения п все блике к входному сечению Фиксировался отрыв потока.

Показанные на рис.2 зависимости изменения коэффициента полных потерь £п(п> при различных значениях ег = Рг/Ро. а также результаты экспериментов с визуализацией течения подтверждают такой характер течения в исследованном канале.

Зависимости Н = Н ( Н, ) для исследованного канала при сг = - 0.971 представлены на рис.З. Здесь Н = 5}/ёг. а Н1 = 61/ 6 . где 6) . 5г. и б - соответственно толщина вытеснения, толщина потери импульса и физическая толщина пограничного слоя.

Как видно, граница перехода от безотрывного течения к неустановившемуся отрыву для исследованного канала определяется значением Н = 2,5+2,8 . Следует отметить, что при переходе к полностью установившемуся отрыву приближения теории пограничного слоя нарушаются, и величины Н и Н,. посчитанные по известным формулам пограничного слоя, строго говоря являются формпарамет-рами не пограничного, а некоторого пристеночного слоя.

Особое внимание было уделено определению касательного напряжения на стенке. Величина касательного напряжения на стенке т„ является одним из определяющих параметров пристеночного течения. В этой связи точное определение т,, особенно при изучении

- в -

СХЕМА ИССЛЕДОВАННОГО ПЛОСКОГО КАНАЛА

' ДИФФУЭОРНЫЙ

УЧАСТОК

моле ЛЬ ПЛОСКОГО КАНАЛА СО СЪЕМНЫМ ПОВОРОТНЫМ УЧАСТКОМ

поворотный

УЧАСТОК

диффузориый участок

подвижные

стенки

б)

осг.симмстрмчная модель оттого

осЕсмммЕтричная модель осЕрадиального диффузора ГТУ АЛ-31СТЭ ( М К10)

поворот при постоянной площади

РИС. 1

отрывных течений, приобретает особую важность. Эксперименты показали, что хорошее приближение для величины поверхностного трения в случае течения с положительным градиентом давления, особенно в области неустановившегося отрыва, дает формула Людвига-Тиллмана, которая и использовалась при расчетах т* .

Экспериментальное определение т» на отклоняющейся стенке для безотрывных режимов производились по методу Престона.

Результаты измерений и расчетов т, при ег = 0.971 для различных п представлены на рис.4. Здесь Т -t,l/tw0 . где two - значение касательного напряжения при X = х,,^ = 0.02 , - значение касательного напряжения в сечении X) = Xi/L , х, -текущая координата вдоль отклоняющейся стенки, L - длина стенки.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных и расчетных исследований изменений в турбулентном пограничном слое при переходе из области устойчивого безотрывного течения в область неустановившегося отрыва.

Исследования были проведены для степени расширения п = 2.4 . что соответствовало углу раскрытия а =17.2° , и Ег = 0.971. При этом число Reí = ЗхЮ6, а безразмерная скорость X в ядре потока на входе в диффузорный участок равнялась 0.28.

Как видно из рис.5, при диффузорном течении в пограничном слое наибольшему торможению подвергаются слои жидкости не непосредственно у стенки, а в области слоя при 0,2 < Y < о.5. Здесь Y = у/б , где у - расстояние от стенки. При этом основное снижение поперечного градиента средней скорости Эи/Эу вниз по потоку происходит в области пограничного слоя при 0. 05 < Y < 0,3. Такая характерная деформация профилей скорости в этой области обеспечивает, в соответствии с уравнением движения, минимально возможное снижение инерционных сил, противодействующих тормозящей силе давления.

Анализ изменения составляющих уравнения движения по высоте слоя показал, что при 0,25 < Y < 0.35 существует область, в которой сохранение силового баланса определяется в основном силами инерции и давления, то есть в турбулентном пограничном слое существует область, где справедливо уравнение Эйлера.

Результаты вычислений х по высоте слоя с использованием уравнения движения показали, что в предотрывной области обязателен учет члена уравнения движения, учитывающего изменение нормаль-

ЗАВИСИМОСТИ М <Н|> ПРИ ПЕРЕХОДЕ К ОТРЫВНОМУ ТЕЧЕНИЮ в исследовяином КАМДЛЕ

изменение коэффициента полных потерь в зависимости от п

0.8

0.7 0.6 0.5

• -г, ао— ■ 0.994 0,»«1 0,»72

л-в- О.»62 0.*53 0,*44

( ШО

о

1.4 1.8 2.2 2.4 п

Рис. 2

н

5 4 3 2 1

о -п • - & - =1,3 2,0 2.2

* -т — 2,4 2,65 Л

1. 2

ш'.у

& 4

0,1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Н1 Рис. 3

1

относительное изменение "е, при различных п

0.5

• - ЭКСПЕРИМЕНТ

О - РАСЧЕТ

1 \в

(»•ч. 1 1 - ■ с 1.3

г - 1.7

1 - 2.0

4 - 2.4

5 - гл

1с-

0.5

Рис. 4

изменение продольного и поперечного градиентов скорости в пограничном слое У

2-х=0,06 1 э-х=0,154 Л 4- х=0.20 \\ 5-х=0.294

У / 0.4

1Л 5 /Х^ 2

а ц а к

•10.

4- -1

О

Рис. 5

а и 1 эую.-

ных напряжений Рейнольдса.

Проведенные расчеты пульсационных составляющих скорости показали, что при переходе к неустановившемуся отрыву на начальном этапе продольная и поперечная составляющие пульсационной скорости слабо коррелмрованы между собой, что проявляется в низких значениях <-тг> при общем увеличении интенсивности пульсацион-ного движения. Аналогичные изменения отмечаются при переходе течения от ламинарного режима к турбулентному, где также фиксируется переходная зона с хаотическим пульсационным движением.

Важную роль в формировании структуры осредненного течения в пограничном слое при диффузорном течении играют процессы производства и переноса турбулентной энергии. При этом, как показали проведенные расчеты, вниз по течению максимум производства энергии турбулентности во внешней части слоя смещается от стенки вверх, и все меньшее количество энергии переносится к стенке и возвращается в основной поток для обеспечения движения жидкости против возрастающего давления.

На рис.6 показано, как изменяется кинетическая энергия осредненного течения по высоте слоя в различных сечениях по длине канала. При этом значения величины АЕК > О соответствует переходу кинетической энергии пульсационного движения в кинетическую энергию осредненного движения, а АЕК < 0 переходу кинетической энергии осредненного течения в турбулентную кинетическую энергию.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных и расчетных исследований изменения характеристик турбулентного пограничного слоя проведенных в диффузорном канале, показанном на рис.1а. Уточнены физические закономерности перехода течения в пограничном слое от устойчивого безотрывного состояния к полностью развитому отрыву.

Измерения были проведены при степенях расширения п - 1,3 ; 2.0 ; 2,4 и 2,65 , что соответствовало углам раскрытия а = = 3.6° ; 12.2° ; 17.2° и 20,4° соответственно. Безразмерная скорость \ в ядре потока на входе в диффузорный участок изменялась при этом в пределах 0.26-0,31. Во всех экспериментах при различных п отношение давлений ег = Рг/Ро поддерживалось постоянным и равным 0,971 . Число Ие, изменялось в экспериментах в диапазоне (2,6 - 3,3)х106.

На основе анализа изменения профилей средних скоростей была предложена схема развития отрыва турбулентного пограничного слоя от гладкой стенки. На рис.7 представлены зависимости и ( Х.У ) ДЛЯ П - 2,4 при е2 - 0.971.

Было показано, что отрыв турбулентного пограничного слоя в несжимаемой жидкости начинается в области, где силы трения, давления и инерции составляют величины одного порядка. При этом внутри пограничного слоя формируется отрывная область с сохранением непосредственно у стенки осредненного движения в направлении основного потока. В этом смысле отрыв турбулентного пограничного слоя подобен отрыву ламинарного пограничного слоя от движущейся стенки.

Был проведен анализ возникновения отрыва на основе представлений локальной асимптотической теории отрыва. Показано.что отрыв турбулентного пограничного слоя от гладкой стенки в случае дозвукового течения несжимаемой жидкости подобен локальному отрыву в том смысле, что также связан с увеличением градиента давления в зоне отрыва. На рис.8 показано изменение йР/Лх по длине канала. Как видно, для отрывных режимов течения наблюдается увеличение значений «1РЛ1х при X > 0.13 для п = 2,65 и X > 0.18 для п = 2,4 после резкого уменьшения в начальном участке канала, в то время как для безотрывных режимов значения <1РЛ1х монотонно и без особенностей убывают вплоть до выходного сечения. Анализ изменения профилей скоростей и зависимостей Н » Н (Н^ > показал, что переход в зону неустановившегося отрыва для п - 2.65 и п = =2,4 происходит в сечениях X = 0,11 и X = 0,20 соответственно. При этом значения формпараметра Н соответственно равны 2,53 и 2.49. Таким образом, начальные сечения неустановившегося отрыва совпадают с сечениями, где впервые отмечается увеличение вР/йх. Однако, в отличие от локального отрыва, переход к полностью развитому отрыву происходит в достаточно протяженной области ниже сечения, где впервые фиксируется увеличение градиента давления.

Анализ трансформации профилей скоростей в пограничном слое с точки зрения максимальной устойчивости осредненных турбулентных течений показал, что при безотрывных режимах течения в канале распределение скоростей в полностью турбулентной пристеночной части слоя определяется, как и при безградиентном течении, универсальной логарифмической зависимостью, реализацию которой

ИЗМЕНЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОСРЕДНЕННОГО ТЕЧЕНИЯ 110 ВЫСОТЕ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ

2.5

О 0.25 0.50 0.75 1.0 У

РИС. 6

ЭПЮРЫ СКОРОСТИ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ ПРИ ПЕРЕХОДЕ К. ПОЛНОСТЬО РАЗВИТОМУ ОТРЫВУ

П - 2.4

• -х-О -X- о -х- Л-Х-о -х- ■ -Х- 0.02 □.II 1 Р О о

0.294 0.41 О.Ь5

Ж-Х- О.БП

О 0.2 0.4 0.6 0.8

и

Рис. 7

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ <1Р/<1х ВДОЛЬ ОТКЛОНЯЮЩЕЙСЯ СТЕНКИ

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ НЯ ОТКЛОНЯВШЕЙСЯ СТЕНКЕ ПРИ П-2.0

1х М

1-0=1.3

2-п=2,0

3-п=2.4

4-п=2.65

0.5

РИС. 8

РИС. 9

можно в связи с этим рассматривать как существование универсального энергетического равновесия в этой части пограничного слоя. С ростом угла раскрытия канала значение постоянной С в логарифмической зависимости распределения скорости уменьшается вниз по потоку, как это видно из рис.9 . что связано с разрушением вязкого подслоя.

Анализ изменения параметра П =(61 йР/<1х)/ т„ вниз по потоку показывает, что при переходе от безградиентного течения к диф-фузорному изменение ееличин 5| и <1Р/<1х происходит таким образом, что значение П после увеличения на входе в диффузорный канал вниз по потоку уменьшается, что свидетельствует о реализации ПМУ осредненных турбулентных течений (см.рис.10). Как показал проведенный теоретический анализ, рост <161 /<1х изначально направлен на уменьшение <1Р/«1х и непосредственно связан с процессом саморегуляции течения .

В этой связи, отрыв можно считать специфической реакцией потока, направленной на снижение градиента давления, и рассматривать как переход течения в новое устойчивое состояние, так как геометрия канала перестает влиять на характер течения и изменение давления в оторвавшемся потоке.

В пятой главе проведены исследования таких методов повышения эффективности диффузорных каналов, как отсос пограничного слоя и щелевой вдув нормально основному потоку в предвключенном канале. Все экспериментальные результаты получены при исследовании течения в диффузорном канале, показанном на рис.1а, что позволило провести сравнительный анализ этих методов при реализации идентичных условий на входе в диффузорный участок.

Проведенные исследования показали, что при отрывных режимах течения (п = 2.65) применение отсоса пограничного слоя позволяет снизить значение на 10 % , а применение нормального в-дува - на 4 % (см.рис.11). Следовательно, при отрывных режимах предпочтительнее применение отсоса пограничного слоя.

В то же время, как это видно из рис.11 , при п = 2.0 применив нормального вдува позволяет снизить на 4 % . а отсос практически не дает эффекта. Таким образом, при оптимальных степенях расширения целесообразно применение нормального вдува во входной части канала, так как это дает выигрыш в эффективности за счет дополнительной турбулизации входного потока, ко-

ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРА П ВДОЛЬ СТЕНКИ

П

10

10

10

■ - ш. 1,3 о- •• 2,а ■ - »«1,4 а-

А Г Щ» ПЭ [ ГрР

0.5 X

Рис. 10

ИЗМЕНЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛНЫХ ПОТЕРЬ И РАСХОДА ПРИ ОТСОСЕ И ВДУВЕ

0.6 0,5 0.4

0.3 0.2

Ч

вез еауел и отсоса о.а. влув с пх«-а.о?;з

А.» - 0ТС0СДС 0 -0,021

А

дС, X 12

8

о

-4

1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 П

□

ИЗМЕНЕНИЕ РАСХОДА ЧЕРЕЗ КАНАЛ ПРИ УСТАНОВКЕ ! РЕБРА

РИС. 11

-О 16 ИЗМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КАНАЛА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ

ПЛАСТИНЫ

-4.32

-8.48

-12.64

РИС. 12

0.45

13 30 <5 «О У„'0*"

2

Рис. 13

- 16 -

торой нельзя добиться путем отсоса.

Детальные исследования пограничного слоя, результаты которых представлены во 2, 3 и 4 главах, позволили предложить новые методы управления потоком в диффузорных каналах. Было показано, что при возникновении отрыва в канале структура потока приобретает ярко всаженный пространственный характер. При этом установка продольных разделительных ребер приводит к стабилизации потока, уменьшению отрывной зоны и соответствующему уменьшению потерь. Как видно из рис.12. при отрывных режимах течения в канале их установка приводит к увеличению пропускной способности диффузора.

Установка дополнительных иоиерхиостей в плоских диффузорах параллельно стенкам, на которых ожидается отрыв потока, позволяет существенно, до 20 % , повысить эффективность работы этих диффузоров (см.рис.13), и в некоторых случаях полностью ликвидировать отрыв потока. Для достижения максимальной эффективности установку пластин при этом следует осуществлять таким образом, чтобы входная кромка пластины находилась в зоне устойчивого безотрывного течения в пограничном слое, а оптимальное расстояние пластины от стенки определяется характеристиками пограничного слоя на входе в диффузор. При этом наибольший эффект от установки пластины наблюдался в том случае, когда пластина имела возможность свободно колебаться в потоке (см.рис.14).

Результаты экспериментального исследования диффузоров, моделирующих выхлопные патрубки реальных ГТУ получены прй исследовании в каналах, показанных на рис.1. При этом моделирование проводилось по значениям скорости X и числа Яе на входе в диффу-зорный участок, имеющим место в реальных ГТУ. Было соблюдено также геометрическое подобие, в частности, осесимметричные модели были выполнены в масштабе 1:8 к реальному выходному диффузору ГТУ АЛ-31СТ и 1:10 к осерадиальному выходному диффузору ГТУ АЛ-31СТЭ. При этом данные, полученные в плоских и осесимме-тричных моделях, позволяют сделать вывод о возможности в ряде случаев применения плоских моделей для моделирования течения в сегментах осесимметричного канала.

В частности, проведенные экспериментальные исследования влияния геометрии и местоположения силовых стоек на плоской и осеси-мметричной моделях показали, что размещение ребра в начальной

зоне формирования отрывного течения вызывает снижение по сравнению с диффузором без ребра (см.рис.15).

При этом выполнение стоек в виде цилиндрических стержней резко уменьшает отрицательное влияние ненулевого угла катекания на ребро. На рис.15 - приращение коэффициента потерь по сравнению с каналом без ребер. Хр - относительная координата установки входной кромки ребра.

Иследования различных вариантов осерадиального диффузора выхлопного патрубка АЛ-31СТЭ, проведенные как на плоской, так и на осесимметричной модели, показали, что при плавном увеличении площади проходного сечения на участке поворота коэффициент полных потерь уменьшается. Как видно иа рис.16. при замене поворотного участка с постоянной площадью на поворотный участок со степенью расширения п = 1.1 в осесимметричном канале 1,п уменьшился на 9 % .

ВЫВОДЫ

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1.Течение в пограничном слое при переходе от безградиентного режима течения в область с положительным градиентом давления вниз по потоку стремится к равновесному или энергетически сбалансированному состоянию, причем все изменения в структуре пограничного слоя направлены на сохранение исходного безотрывного течения.

2.Переход от безотрывного течения к отрывному происходит в достаточно протяженной области и связан с местным увеличением градиента давления. При этом увеличение ДР/йх связано с процессом саморегуляции течения, направленным на сохранение исходно-безотрывного течения. В связи с этим отрыв можно считать специфической реакцией потока, изначально направленной на снижение градиента давления, к рассматривать как переход течения в новое устойчивое состояние, так как геометрия канала перестает влиять на изменение давления в оторвавшемся потоке.

З.При диффузорном течении в пограничном слое наибольшему торможению подвергаются слои жидкости не непосредственно у стенки, а в области слоя при 0.2 < У < 0.5 , причем при 0.25 < У < 0,35 существует область, в которой силовой баланс определяется в ос-

- 1Н -

ИЗМЕНЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛНЫХ ПОТЕРЬ ОЛЯ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ КРЕПЛЕНИЯ ПЛАСТИНЫ

5п

0,59

0,34

0,49

У-=7 г

0.44

а

д

• -МЭЕПЛСММС • Д1«К ТОЧКАХ Ив ОТИЙОЙЯВЩ11С«

стсикс л -КМПЛЕММС ■

МЕСТИ ТОЧКАМ ИИ

огклоио«свса

СТЕМК1

^ -ЖЕСТКОЕ. Э««£М/>ГМЫЕ

ПЛАСТИНЫ НЕМДУ вокоамим СТЕНКА им

О-К»ЕПЛЕ««Е мл ■ТАМГЕ СО СТОРОНЫ

протмаополомноА стсикм

0.20 0,325 0,450 0,565 О.бвО

>

Рис. 14

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ РЕБРА ПО ДЛИНЕ КАНАЛА НА ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ПОТЕРИ

2 1 о

-I

0.13 о ,33 О.ЗТ «.а» о.<| Хг

РИС. 15

ВЛИЯНИЕ ПОВОРОТНОГО УЧАСТКА НА КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛНЫХ ПОТЕРЬ В ОСЕРАДИАЛЬНОМ ДИФФУЗОРЕ

0.60

0.55

0.50

0.45 0.40

-поворот с пмвньы увеличением 11ЮШЯОИ <»-1.1 I

, ОСЕВОЙ ВЫХЛОП БЕЗ ПОВОРОТА

0.1 0.2 0.3

,4 Хг

Рис. 16

ноином силами инерции и давления, то есть в этой области справедливо уравнение Эйлера.

4.Отрыв турбулентного пограничного слоя в несжимаемой жидкости начинается в области, где силы трения, давления и инерции составляют величины одного порядка. При этом внутри пограничного слоя формируется отрывная область с сохранением непосредственно у стенки осредненного движения в направлении основного потока.

5. При отрывных режимах течения для увеличения зоны безотрывного течения применение отсоса пограничного слоя на входном участке предпочтительнее нормального вдува. так как позволяет уменьшить на 10 % против 4 % при применении вдува.

При оптимальных степенях расширения, когда достигается пре-дотрывное состояние потока, целесообразно применение нормального вдува во входной части канала, так как это дает дополнительный выигрыш в эффективности на 4 % за счет дополнительной тур-булизации входного потока, которой нельзя добиться путем отсоса.

6.Установка дополнительных поверхностей в плоских диффузорах параллельно стенкам, на которых при отсутствии воздействия на поток возникает отрыв, может существенно, до 20 % , повысить эффективность работы этих диффузоров.

7.Установка продольных ребер параллельно прямым стенкам плоского диффузорного канала способствует стабилизации течения, уменьшению потерь и увеличению пропускной способности канала на 4 % для отрывных режимов течения.

8.Проведенные исследования показали преимущества цилиндрических стоек в кольцевом осевом диффузоре выхлопного патрубка ГТУ. обеспечивающих слабую зависимость потерь энергии от входных условий. Показано также, что для профилированных и цилиндрических стоек при отрывном режиме обтекания существуют оптимальные сечения для их размещения в проточной части диффузора.

9.Показано, что максимальные потери энергии в проточной части "осевой диффузор - поворотный участок - сборная камера" -на поворотном участке. При этом восстановление давления выходного осерадиального диффузора ГТУ может быть повышено при плавном увеличении площади проходного сечения на участке поворота.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах 1. Зарянкин А. Е.. Грибин В. Г., Дмитриев С. С. О механизме воз-

никновения отрыва потока от стенок гладких каналов // ТВТ.-1989.-Т.27.-И 5.-С.913-919.

2. Зарянкин А. Е., Грибин В. Г.. Дмитриев С. С. Исследование структуры потока в плоских диффузорных каналах и метод повышения их эффективности // Энергетика... (Изв. высш. уч. зав.)-1989.-И 9.-С.87-92.

3. Дмитриев С.С. О механизме отрыва турбулентного пограничного слоя от гладкой стенки // Изв. АН СССР. МЖГ.-1990. -И 6. -С. 69-77.

4. Зарянкин А.Е.. Грибин В.Г.. Дмитриев С.С. Сравнительная эффективность диффузорных каналов при различных методах воздействия на поток // Энергетика... (Изв.высш.уч.зав.)-1991.-N 4.-С. 67-73.

5. Дмитриев С. С. Исследование характеристик турбулентного пограничного слоя при возникновении отрыва в диффузорном канале //ИЗВ. РАН. ТВТ.-1994.-Т.32.-И 3.-С.388-393.

6. Зарянкин А.Е.. Грибин В.Г., Дмитриев С.С. Повышение эффективности плоских диффузоров путем установки пластин параллельно отклоняющимся стенкам канала //Энергетика..(Изв.высш. уч. зав.)-1994. -И 9-10.-С. 72-82.

7. Дмитриев С.С. Анализ изменений в пограничном слое при диффузорном течении с точки зрения максимальной устойчивости ос-редненных турбулентных течений // Изп. СО РАН. ПМТФ.-1995. -N 1.-С. 52-64.

8. Дмитриев С.С. Исследование структурных изменений в турбулентном пограничном слое в предотрывной области // Изв. РАН. ТВТ.-1997.-Т.35.-И 2.-С.263-270.

9. Грибин В. Г.. Дмитриев С. С. "Зарянкин А.Е. Выбор конструктивных элементов проточной части системы выхлопа стационарных ГТУ. // XL.IV научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин.-1997.-Тезисы докладов.-С. 106 - 108.

Псч. л. Тираж ¡00 Заказ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.