автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Расчет течения в камере турбинной ступени при прецессии вращающегося вала и определение аэродинамических поперечных сил

©7-0

МьгкОЬОКИИ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЩ1 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ТАНЬ П1АНЬ

РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЯ В КАМЕРЕ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ ПРИ ПРЕЦЕССИИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ

Специальность 05.04.12 Турбомяшини и турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени канлидпта технических наук

Москва 1992 г.

Работа выполнена на кафедре паровых и газовых турбин Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Коотюк А.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Шерстюк А.Н.

кандидат технических наук в.н.с. Ржезников Ю.В.

Ведущая организация: НПО Центральный котлотурбинный институт.-'

Защита состоится " 18 и сентября 1992 Г- в 14 час. ^ мин. в аудитории ^-409 на заоедании специализированного Совета К 053.16.05 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Отзывы на автореферат в двух вкземплярах, заверенные печвтыо, просьба направлять по адресу: 105835 ГСП, Москва,Е-250, Красноказарменная ул. д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией ыокно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "_ " _ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

к.т.н., с.н.о. __ А.И.Лебедева

fT| ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

T-'liüa Актуальность работы. Паровые турбины большой мощности играют основную роль в вноргетико. Мировая тенденция развития паровых турбин - увеличение параметров пара при сохранении массогаба-ритнцх показателей.

При этом повышаются требования к обеспечению виброустойчивости роторов в связи с увеличением ( с ростом давления пара ) уровня арродинамических возбуждающих сил (АС), возникающих на венцах рабочих колес (венцовые силы - ВС) и в лабиринтных уплотнениях (надбандакние и лабиринтные силы). Разработанные методики (в частности методика разработанная в МЭИ) расчета венцових сил но подкреплены необходимыми экспериментами. Полностью отсутствуют экспериментальные исследования диафрагменных венцових сил (ЛВС), обусловленных неравномерными по окружности утечками среды чорйз дияфрчгм'-ннн» уплотнения при динамическом смещении вала по отношению к центру расточки диафрагмы. ДВС по их природе зависят не только от параметров диафрагменных уплотнений, но и подвержены существенному влиянию геометрических параметров камеры между диском и диафрагмой, а также и условий на входе потока уточки в камеру. При прецессии вала течение среды в камере является неравномерным по окружности (неосесишетричним). Исследования таких течений в литературе отсутствуют, поэтому теоретическое изучение и экспериментальная проверка ДВС представляются актуальными для обоснования их количественной оценки и определения их роли в балансе сил аэродинамического возбуздения.

Цель диссертационной работы;

1. Теоретическое исследование нестационарного течения потока в камере турбинной ступени при прецессии вращающегося вала:

2. Теоретическое исследование влияния параметров и условия ни входе камеры на уровень диафрагменных венцових сил (ДВС):

3. Экспериментальное исследование периферийных венцових сил (ПВС) для разных типов уплотнений и экспериментальное исследование ДВС:

4. Сравнение экспериментальных результатов с расчетными;

Ь. Применение нового метода для расчэта ДВС турбшшой ступени;

Научная новизна диссертационной работы. Основные научные ре-пультати работы заключаются в следуюцем:

1. Впервые теоретически исследовано течение потока в камере турбинной ступени при прецессии вращающегося вала.

2. Впервые теоретически определена жесткость ДВС.

3. Проведены вкспериментальные исследования ПВС и и* жест-когти для рпяличных типов периферийных уплотнений в зависимости от конструктивных и режимных параметров.

4. Выполнены вкспериментальные исследования ДВС в зависимости от режимных параметров. Проведено сопоставление расчета с вкспериментом.

Ь. Впервые теоретически исследованы возбуадавдие моменты, действующие на диски 1ВД от разности давлений, возникающих 1гри колебаниях ротора.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается:

- применением отлаженной и оттарироввнной системы измерений, повторили контрольными тарировками элементов измерительной сч'гтемы, оценкой погрешности измеренных и расчетных величин;

- согласованностью расчетных и экспериментальных данных;

- тестовыми расчетами по программе и сопоставлением с аналитическими точными решениями.

Практическая цешюсть работы.

На основании теоретического исследования разработана алгоритмическая программа для персональной ЭВМ, которая позволяет провопить расчет неравномерных по окружности поля скоростей и лпчлрпий в камере при прецессии вращающегося вала, а также рас-четно определить безразмерную жесткость ДВС и момент от разности пи'лений в камере турбинной ступени.

Ркспприментольная проверка разработанной в МЭИ методики рао-ч"тп ПВС и нового метода расчета безразмерной жесткости ДВС, ос-!>• [пцчыт нп теоретическом исследовании существа возпикнования иг": и дрс, доказала целесообразность их применения при проекта-

ровинии конструкции ступени и уплотнения, расчете ¡сеогк^ми »¡а буадешы.

Личный вклад автора:

- автор принимал участие в модернизации стенда обращенной турбины;

- автор выполнил все эксперименты по исследовании ДЬО и ПВО для представлении* в работе вариантов уплотнений:

- им разработана и отлажена в нескольких вариантах слижная программа расчета параметров потока при равномерном и неровномерном '(по окружности) течении среды в камере турбинной ступени в условиях прецессии ротора;

- автор выполнил по программе на ПЭВМ расчеты полей скорости и величин ДВС для всех исследованных экспериментальных режимов, провел вариантные расчеты при различных гипотезах относительно вида граничных условий на входе в камеру экспериментальной ступени, исследовал влияние коэф1«циентов трения, расхода утечки на характер течения среды в камере и на величину ДВС ;

- автор провел расчеты ПВС по методике МЭИ для всех исследованных им периферийных уплотнений;

- автор провел сопоставление и анализ . результатов экспериментальных и расчетных исследований по определению ДВС и ПВС.

Автор защищает результаты экспериментальных исследований венцових сил (ДВС и ПВС), метод расчета ДВС, в частности влияние на эти силы условий на входе в камеру, результаты анализа влияния коэффициентов трения, расхода утечки, геометрических параметров камеры на величину этих сил.

Аппробация работу Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на Второй Российско-китайской конференции. "Двигатели и энергетические установки летательных аппаратов", Мосспи, ^<Ю'¿ г.; нп семинаре по проблемам динамики и прочности •гурбомашнн па к.и{юдре паровых и газовых турбин МЭИ, Москва, 1992 г.; на наседашга кафедры паровых и газовых турбин МОИ, Москва, 199? г..

Нуб^!ишщия_. Но темп диссертационной работы опубликована одна

- б -

печатная работа.

Структура и объем работ». Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, нключаикего 122 наименований; изложена на 1_2£ страницах машинописно!о текста, из них | с таблицей, 40 с рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и значимость выбранной томи. Сфсрмулировэны цель и задачи работы, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе выполнен обзор состояния исследований аэродинамического возбуждения автоколебаний ротора под действием гид-роавродинамических возбуждающих сил и классификация етих сил. Рассмотрены работы по исследованию возбуждения, вызывающего низкочастотную вибрацию ((ИВ), в том числе сил масляного слоя, надбандамшх, венцовых и лабиринтных сил. Теоретические и вкспе-риментальнне исследоваш1я сил масляного слоя и АС в уплотнениях представлены достаточно полно. Исследования венцовых сил, особенно эисиершентальные, весьма ограничены.

Разработанную в МЭИ методику расчета ПВС необходимо подтвердить окспериментально. Сведения о величине безразмерной жесткости ДОС, используемой в методике МЭИ, отсутствуют. Из втого следует необходимость изучения течения неравномерного потока в камере турбинной ступени.

Па основании анализа опубликовагашх работ сформулирована постановка задачи.

Во второй главе выполнена следующая работа: теоретически исследовано течение потока в камере турбинной ступени при прецессии ротора: изучена безразмерная жесткость ДВС; описан алгоритм для решения задачи; проведен расчетный пример.

При исследовании течения потока в камере предполагаем, что рабочая среда принимается несжимаемой и идеальной, учитывается Л"П"тт1ие трения на стенках камеры: при прецессии ротора в^ни-"<!<-г мплор возмущенное движение. Следует получить уравнения

импульсов о учетом влияния трения на стенках и уравнение неразрывности .

Дифференциальный элемент потока показан на рис.1.

Ыг

к

Рис.1 Модель течения потока в камере. Напряжения трения для неподвижной стенки

г - 1

гм~ Т

X р О 1>

г

1

X р о и

х -=-4-Х р о и

г г с: г г г

f • -ГШ 2

для вращающегося диска

г =4-х р о (о - и) :

9г С. г г #

При постоянной ширине камеры И уравнения импульсов с учетом сил трения и уравнение неразрывности имеют вид:

ар

эи эи и эи и и

fU + —* +

Э1 г Эг Г Эр г

+ X ОН* 0 (и - и) = - ¿¡-¡¡а ,

■ о • р го г р ргЭр

зи эи и эи 1. т) _а 4 -А__г

г ,ЧР Г Эр

эи

_г

эг

где с - (и2 + ия)°'в,

0 $ Г

%

-А+Х си + х о» =

Г • о в Г РОГГ

ар

и

эи.

+ аГ =° •

(Я

(?)

211 *

с - ((и.-и)3 + и2)0'6

г ■

X

»

X

г

2\1

в и

и - радиальная и. окружная скорость в камере, предпола-

г ц

гаемые постоянными по ширине камеры (плоская задача); р - давле-

в о

mie в камере (постоянное по ширине); г, ç - полярные координаты, t - время; р - плотность среды; Х^, Х^ - коэ'{фициентн трения на стенках диска и диафрагмы; и = ыг - окружная скорость но радиусе г;

Для МЧЛОГО возмущённого днижения принимаем

u=u +«,»=«+», р = р + р , ("О

г го г » »о » о

где первые слагаемые - осесимметричное течение в камере, вторые слагаемые - "возмущенное" движение.

При равномерном течении Ur - U^ = р = О, подставив (3) в уравнения (1),(2), получены уравнения основного движения, du и и.

+ 1.

■ о во $ о го ге о

(4)

0 ТТ?^ + + х 0 + * ° (и. - и) = О,

го иП Г во во 9о го го ро

(1и .ар " К7Г*--Р +(*04*с)и = -

га иг Г «о «о го го . го Р иГ

а» и иг

т.е. орв(г) = -§-0-, (5)

где и - расходная скорость на радиусе го .

Принимаем граничные условия при течении от центра к перифе-

руч: 0,„(го) = "разг.» гле "радг.- окружная скорость диска нз

ряди у се разгрузочных отверстий. При течешш от периферии к

центру! 0 - С* , где С4 - приведенная окружная скорость потока

ТО * *

пгч вгопе в камеру.

При прецессии вала подставив (3) в уравнения (1),(2) и про-н'-^ричп мчлнми величинами порядка выше единицы, получим урав-т.|.мя (.приученного движения.

т>. а». « ~ 1 эр

^ > -вг1 4 * АзЛ + К2рУг рйГ'

■|> аи 01} ~ . эр

' "„Лг" + в,«.г5* f А.1°г+ *,Л г " Т » ' , (7) аи и а», вг' + Т +

Г' '|.Г11'Л"нтн известные функции от радиуса г.

, \¡¿ » , и2 . Э1>

А = X О ¡ 1 +-ЧЧ + X О { 1 t-^-f

li го rol о ' О 2 '

1> и 21)

А.,= X. (t> - u) -r^ + X U

12 roto О Iü fo О г

га во

и> [-Ь - "Н + *..%.( íh - -SH'

* го го ' 4 во ГО '

А = X о | 1 4 -] + х о ( 1 + +

22 го rol I «о sol О '

Ищем решения уравнений в виде

"г " - М) 4 ^12з1п(р - (П).

% - ^21соз(# - Ы) + У^вЫр - !П),

(9)

где V - амплитудные значения скоростей возмущенного движения, зависящие только от г; О - угловая скорость прецессии ротора. Из уравнений (б),(7) исключаем давления. Получаем одно уравнение, поставив в него и в (8) решения (9), получим дифференциальные уравнения

а 1|" I Ь у' + Ь V* + Ъ V* + Ь V* +

1 21 11 11 13 12 .13 21 14 23

11 11 12 12 13 21 И 22 *

а у" 4 Ъ у' + Ъ у' + Ъ V* + Ъ у' +

2 Я2 21 11 га 13 23 21 21 23

+ «аЛ,+ °2Лз+ °23V21+ °аЛз=0 •

(Ю)

' 1 1

V ^ V - -4- V = 0.

13 Г 13 I* 31

Нее коэффициенты а(, Ь(^ , о(^ известны функции от радиуса и

определяются череп коэффициенты системы (6) - (7).

Чтобы реши?!, от,у систему дифференциальных уравнений, следует задать граничили условия, предполагая следующее:

г о

1. На входе в камере = О .

2. На внутреннем радиусе г = го неравномерность и^ имеет вид

гг.Т11Оов(*-01). где (11)

С - расход утечки через дивфрагмое уплотнение, № - прогиб вала, Я - зазор в диафрагмешюм уплотнении.

3. На входе полная энергия по окружности имеет постоянное значение,

1 эр зи а и

т ж + "г-в?г+"»V • (12)

Таким образом, получены граничные условия при течении от центра к периферии:

Ум(го> = 0 • у1а(г0> = 0 • * 0 ' = 0 •

При течении от периферии к центру:

= V У,а(г0> = 0 • уа,<г.> = 0 • у«<г,> - 0 »

<,<г,> - Т = 0 ' Т»<г,> + ± У^г,) = О . (14)

Используя численные методы, можно решить эти дифференциальные уравнения с соответствующими граничными условиями. Преобразуя решения (9) к виду

" = а.Д„С08(Р - АЬ) + -

Iя 1 I О 12 О

V "эЛ003^ ~ 0,,) + «аЛв1п(» "

(15)

где «(1 - безразмерные амплитуды возмущенного движения.

Дифференциальная венцовая сила (рис.2) представляема в виде ал г о р ь г.(о. +о, (16)

и г 1 1и 2и г

Интегрирование по окружности ее неконсервативной и консер-вт ирной составляющих дает

Vе 11 Г,

г, Лй (о, + о, ) 1 у 1ц Зи

тг

Б =- а

°г, АО (о. + о ) (17)

_1__у 1 и Зм

13 г0 ;Г<5 Безразмерная жесткость ДВС (пе-консервативной составляющей):

X = • ' (18)

"11 Г ' "11 ~Т"

о о

Рис.2

т.6. вся проблема заключается в' определении У - безразмерных эмилитуд неконсервативной, составляющей неравномерной скорости

и на радиусе г

Для случая идеальной жидкости трение отсутствует. При этом получены аналитические решения при течении от центра к периферии

(19)

х — [ 1 + (. При течении от периферии к центру г.

(1* <£>"]• Т|ш(Г,-0.;-

= о . Уа2(г) = У0 ( 1 + < г1»') ./ ( 1 + ( А)»], (20)

Г.

= Уо I 1 + /

X

В этом случае величина безразмерной жесткости ДВС зависит от соотношения внутреннего и внешнего радиусов и направления течения.

Для модельной турбины был проведен расчет течения в камере. На рио.З показаны поля скороотей равномерного течения: Аышш-

тудные скорости вопмуиутюго движения представлены на рис.4,5.

Третья глакп поевнщона описанию оксш.-рикоитильноЯ установки "Обращенная турбина (ОТ)", ее технических характеристик, системы измерения, методики исследований и оценки погрешности.

Экспериментальное исследование вонцових сил очень трудно випол1Шть на прямой турбине потому, что ВС и другие АС вместе действуют на ротор. Конструктивные особенности ОТ (сопловой аппарат вращается,.рабочая решетка неподвижна) позволяют отделить венцовыо силы от других АС и отделить ГГВС и ДВС.

В данной работе определения ПС выполнено двумя способами: путем взвешивания ротора и по распределению давления по окружности в камере уплотнения. Первый способ состоит в использовании пружинной опоры в качестве двухкомлонентных тензометри-ческих весов. Второй способ заключается в том, что измеряются распределения статического давления по окружности и вдоль уплотнений и затем подсчитнвается надбандажная сила. ■

Оценка погрешности экспериментальных результатов показала, что результаты испытаний периферийных уплотнений имеют 16% -ую относительную погрешность, результаты исследований диафрагмен-ного уплотнения имеет относительную погрешность 4.5% .

В четвертой главе представлены все результаты океперимен-тальных исследований для четырех типов уплотнений и семи вари антов разных конструктивных параметров. Все типы уплотнения и испытанные варианты представлены на рис.6 и табл.1 ( б - зазор, ц - коо№тиент расхода).

Таблица 4.1

. * тип уплотнения б1

1 А 1.73

2 Б 1.75

3 В 1.02

4 В 1.02

5 В 1.02

6 В 1.02

7 Г 2.03

8а 5з _^__

0.719 0.715

1.90 3.05 0.728 0.703 0.734

1.40 2.55 0.728 0.723 0.740

1.00 2.15 0.728 0.712 0.745

0.60 1.75 0.729 0.765 0.760 0.697

Л

QMjikj

.г

veil

Г

51

г

Г. S:

Р

sa

Fue.6 Конструкции иешмтншк уплотнений

Sb , H

Ьариант №1

1 - £ = 0.32, и/С = 0.345

а~ 2 - £ = 0.S3. IJ/C = 0.556

Вариант №2

1 -£.= i 0.S2, U/С i >- = 0.346 I

2 - г = С 83, U /С = 0 553 у/ < i х

... - : - . .....X.J

........г \ у' X * . !* ¡ + i '

i

е.мм

Db-10 , Н/М Еариант .'Я О.бг

0.5 0.4 0.3 0.2

0.1

* * X __—L i 1 0.82 = С .88

Г"«р" ■ Г 2 - £ ! X i

! 2 1 ——-----

!

Г 4 * i ^ ! :

1 ! Г*

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 ' * Рис.9

%

Dt • 1 0~ , Н/М Ьариант ¿2

0.8г

№ I .

Для периферийных радиальных уплотнений рассмотрены эависи мость ьенцопих сил Sb от иксцентриеитета Е при постоншшх режимных параметрах и зависимость жесткости исщових сил I)b се соотношения скоростей U/Оф. Эти результаты представлены ни рис.7-10.

Для периферийного осерадиплыюго уплотнения рассмотрена зависимость винцо&нх сил от эксцентриситета при разных отношениях зазоров, показанная на рис. 11 - 14. Видно, что с уменьшением осового зазора при неизменном радиальном зазоре венцовые силы уменьшаются и становятся нелинейной зависимостью от смещения. Это можно объяснить тем, что характеристика осерадиалыюго уплотнения отличается от чиста радиального уплотнения

Результаты оксперимзнтальиого исследования ДВС показаны на рис. 15 - 20. Видно, что имеется линейная зависимость ДВС от оксценриситета.

Пятая глава посвящена анализу экспериментальных результатов и сравнению их с расчетами.

Венцовые силы прямо пропорциональны коэффициенту расхода через щель уплотнения. В расчете приняты данные по ковффищтнту расхода,'приведенные в книге А.В.Щвгляева "Паровые турбины", которые правильны для многогребешшх уплотнений, а для уплотнений с малым числом гребней их значения выше реального. Этот розультат подвервден последними експериментами. Особенность конструкции и назначения ОТ затрудняют проведение специального эксперимента для измерения коэффициента расхода.

При сопоставлении расчетных значений ДВС с экспериментальными обнаружено существенное влияние на согласованность результатов приведенной скорости С„ потока, устанавливающейся на начальном участке каморы. Показано, ~ что основными факторами, определяющими значения С, являютя окружная скорость диска на перифирии и величина расходной скорости I» (г,) на входе в

ГО 1

камеру. Удопдотрорительнор соответствие окспсримонтальных и расчеты* г'нп'КчшЛ жпсткооти ДВС получено при условии, что С»=- О.1; u М с , где Г зависит от I) (г. )/с, , с, - окружная

* г\п rollulu

составлять я скорости на выходе из сопл. На рис.21 показана зммигнмость Я от ф, где и - и (г.)/о. .

rol I и

Рас.11

I

Рас. 12. ь-

-«J.

Sö.g , H 2

" 1.5

е.мм о

: р ' 1 с = 0.68 ¡ X = 1.0 __ »

u/cf = 0.567 ! X в X^iif,

¡

!

' ---------- ^ X i ! i

0.5 1 1.5

Рис.16

-3

е.мм

Db.g -10 , Н/М 2

о ь:3-1 о , н/м

1.5-

; I X — Хрлсъ

' \

0-

£ = o.ss

^ -0.5 -

0.3 0.4 0.5 ■ 0.6 Рис.18

J U< 0.7 С*

Рис.19

: = о.зэ - -- í 1 * I j

-- X *x j------ i 1 :

i . i

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6

FlIC. 20

Для грубой оценки ДВС можно пользоваться точными зависимостями, полученними для идеальной жидкости.

Основные выводы;

1. Разработана методика расчетного определения безразмерной жесткости диафрагменных венцовых сил (ДВС), т.е. сил, возникающих на венцах рабочих колес из-за неравномерной утечки через диафрагмегоше уплотнения при прецессии ротора.

2. Проведены вкспериментальные исследования ДВС на модельной обращенной ступени турбины при различных регкимиых параметрах.

3. Выполнено расчетное исследование влияния условий на входе в камеру на уровень ДВС и получена экспериментальная коррекция граничных условий, что позволяет проводить расчеты ДВС с достаточной для практики точностью.

4. Для ориентировочных расчетов ДВС допустимо, использовать модель течения идеальной жидкости в камере.

5. Проведены вкспериментальные исследования периферийных венцовых сил (ПВС), обусловленных неравномерностью по окружности утечки через периферийные уплотнения при колебаниях ротора. Результаты «экспериментов подтверждают справедливость методики МЭИ по расчету ПВС и дают основания для се практического применения.

6. Разработанный метод применен к расчету ДВС в типовых ступенях ЦВД современных крупных турбоагрегатов сверхкритического давления.

Основные результаты диссертации отражены в публикации: Теоретическое и экспериментально© исследование венцовых сил /Косткж А.Г., Тань Шань //Вторая. Российско-китайская конференция. "Двигатели и энергетические установки летательных аппаратов". - Тез. докл. -М., -1992. гС. 40-41 .

Типограф«, МЭН, Красною.,приемная, 13.