автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Разработка метода расчета и экcпериментальные исследования неравномерного закрученного потока в диффузорных каналах за турбинными ступенями большой циркуляции

лЕшьграашй государственны;; шнжош унивкрситгг

На правах рукописи

¿АЧ ¡Зрий Владимирович

УДК 621-135:533,697.3

(

РАЗРАБОТКА к£ТОДА РАСЧЁТА И ЭКСИЕР^ЕНТ^'ДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НаРАВЬОЛЕРгЮГО ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА В ДОШ)РШХ КАНАЛАХ ЗА ШЕЛШМ ШЛьЬЯйй БО/'лЛОЙ 1&5РКШ1Ш

Специальность 05.04.12 - Турбодашины и турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технические наук

Ленинград ¡991

Работа выполнена на кафедре турбинсстроения ленинградского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор .ыШиЛг! К.¿1.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

¿¡У1/1г1 0. Н.

кандидат технических наук ГА^Б В.д.

Ведущее предприятие: научно-исследовательский и конструкторско-

технологический институт турбокомг.рессоро-строения (НИК7ИТ) г.Ленинград

Защита состоится "29 " ¿Р/СМЯ^ 1991 г. в часов

на заседании специализированного Совета К 0o3.oo.23 при ленинградском государственном техническом университете по адресу: 196251 Ленинград, Политехническая ул.,«Л, главное здание, ауд.

, С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотек ЛГТУ.

Автореферат разослан "

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор технических наук, »

профессор

А.С.Ласкин

■ РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА И ЭНСПЕРИМЕИШЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

, НЬР^НОЖРНОГО ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА в дашзорщх КАНАЛАХ ( ЗА ТУРШННилИ СТУПЕНЯМ БОЛЬШОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ ■

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В современных тепловых турбинах ияшш широте применение ступени большой циркуляции, перроабагываицие значи-зльные перепады энтальпий при умеренных окружных скоростях. Ксполь-звание таких ступеней позволяет уменьшить число ступеней, габарит-га размеры и массу, что актуально, например, для паровых турбин, зименение ступеней большой циркуляции в высокотемпературных газовых /рблнах помимо уменьшения общего числа ступеней позволяет снизить эыпературу материала лопаток, сократить число охлаждав!,ых венцов, звыелть надежность и увеличить срок слуабы лопаточного аппарата.

Газовые турбины часто ваполнлится шоговальными. Корневой и пе-¡феряйный диаметры ступени большой циркуляции, как правило, меньше, зм у последующей ступени, что обусловливает появление переходного эльцевого диффузорного наняла мезду ступеням!. Особенностью таких 1ффуэор1шх каналов являотся больше эквивалентные углы раскрытия, гбольшие длина и степень рюнирения. Их задача не только понизить звление за ступенью, но и транспортировать рабочее тело по аээ.хог.-ости с меньшими потерями кинетической энергии к последующе»! ст,у-гни.

Успехи в области аэродинамики турбомсшш позволили получить зська высокуо эффективность отдельных ступгтей турбшы, поэтому ззиожности увеличения КЩ лопаточного аппзрата невелики. Однако, зсмотря на существенный прогресс в области аэродинамических иссло- . званий проточных частей теылоеых турбин, еще имеются определенные ззерсы повышения их эффективности. Один из таких резервов сгяган с леньшением потерь в переходных кольцевых дифйузорнкх каналах, рас-зяоженных мевду ступенями. Поток на выходе уз ступени больной цир-/ляции имеет значительную закрутку, з связи с этим его выходная диетическая энергия больше, чем в обычной турбинной ступени. Так, апример, выходная кинетическая анергия ¿три отклонении потока от севого направления на 35° примерно в 1,5 рааа выше, чем а ступек: осевым выходом, при том яз расхода рабочего тела. Кроме закрут;«, оток на входе в переходней канал имеех существенную керзвноыер-

ность параметров вдоль радиуса, связанную с особенностями конструк цки ступени большой циркуляции, значительной турбулентностью поток вэшшодействиеы.щелевой-струи,- протекающей в-радиальный"зазор над рабочими лопатками с осевым потоком 'и вторичными течениями у корня периферии лопаточного аппарата. Перечисленные факторы говорят о сл кности детального расчета потока в таких диффузорных каналах. Вмес о тем рая проектирования последующей ступени необходимо рас чет шил путей оценить потери кинетической энергии и структуру потока в выходном сечении диффузора.

Целью работы является;

- разработка математической модели и метода расчета течения ежимае мой жидкости в кольцевом осесишетричном диффузерном канале, учи тыващих неравномерность закрученного потока;

- создание на базе математической модели программы расчета, для ис пользования ее в качестве элемента расчетно-оптимизационной CAIIF "Проточная часть осезой тепловой турбины";

- расчетно-теоретические и экспериментальные исследования структур пространственного потока и потерь кинетической энергии в кольце! переходных диффузорах с неравномерным закрученным потоком на вхс дэ, работающих за ступенями большой циркуляции;

- сравнение и анализ результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований.

Научную новизну представляет:

- разработка математической модели течения газа в переходном колы вом диффузорном канале, позволяющей учесть влияние неравномерное закрутки потока на входе;

- получение экспериментальных и расчетных данных о пространствен» структуре потока и потерях в переходных кольцевых диффузорных кг налах за ступенями большой циркуляции;

- создание программного комплекса, удовлетворяющего требованиям к • программному обеспечению САПР.

Достоверность полученных результатов, положений и выводов по, гвергсдается:

- использованием при создании математической модели классических уравнений газотермодкнамики;

- удовлетворительным совпадением результатов расчетов с данными и турного эксперимента.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основ

г

зработанной математической модели был создан алгоритм и пакет про-амм для SBi/í расчета течения и потерь в кольце вше диффуэорных кака-х с неравномерным закрученным потоком на входе. Пакет програш жно рекомендовать для использования в качестве элемента расчетно-тимизационной САПР "Проточная часть осевой тепловой турбины". Ре-льтатк расчетов позволяют проектировать последувдув ступень турби-: с учетом перестройки потока в переходком диффузоре, не прибегая к |ПОлкительнш экспериментальным исследованиям.

Личный зклад автора определяется разработкой метода расчета и юграммного комплекса для ЭШ закрученного потока и потерь э передном кольцевом диффузерком канале,'подготовкой и проведением экс- ' флыентальных исследований, сопоставлением и анализом результатов ючетоз и опытов.

Реализация работы. Результаты расчетно-теоретических и экспери-¡нтальных исследований внедрены в 110 "Невский завод" им.В.И.Ленина.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались: на научно-технической конференции молодок специалистов ПО "Невский завод" им.В.И.Ленина, Ленинград, - 1986 г.;

на республиканской научно-технической конференции "Математической моделирование процессов и конструкций энергетических и транспортных установок в системах их автоматизированного проектирования", Готвальд - 1988 г.;

на ХХХУ1 Всесоюзно*! научно-технической сессии "Состояние и перспективы газодинамических и тепловых исслодоггшй в обеспечении повышения температуры газа в стационарнш: газотурбинных установках", Москва - 1939 г.;

на научно-техническом совете кафедры турбиностровшя ЛГТУ, Ленинград - 1991 г.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликована в 3~:: ечатных работах и двух научно-техническнх отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из аподенвя, че~ ырех глав, заклнчения и содержит 81 страниц машинописного текста, i иллюстраций, I таблицы, библиографии, шелючавдей 100 наименевг-ий и приложения, отрадаидего внедрение иаториалов диссертации в ромшлонность.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, фородяи-руются цели и задачи исследования.

В первой главе выполнен обзор методов расчета и экспериментальных исследований кольцевых диффузоров.

Рассмотрены полуэмпирические методы: расчета по эквивалентному углу и расчета, основанного на разделении потерь. Они основаны на тем, что произвольному диффузорноыу каналу ставится в соответствие некоторый, обычно конический, диффузор и для него вычисляется или оценивается, на основании опытных данных, величина коэффициента потерь. Эти методы достаточно просты, но обладают рядом существенных недостатков:.представленные в литературе данные по влиянию геометрических характеристик на эффективность диффузоров в основном относятся к статическим условиям, полуэмпирические методы не позволяют учитывать реальных входных условий ввиду отсутствия обобщенных' зависимостей от неравномерности параметров на входе и начальной степени турбулентности потока на потери в даффузорных каналах, что дает высокие погрешности при их вычислении, также невозможно оценить неод-- нородность потока в выходном сечении канала. Кроме того, указанные ' методы сложно формализовать (в связи с огромным количеством экспери-

♦ ментального материала), что необходимо для постановки задачи на ЗШ,

Ыетод расчета потерь на основе характеристик пограничного «слоя базируется на теории пограничного слоя. Задача сводится к определенно толщины потери импульса в пограничном слое по известному распределении скоростей. К недостаткам метода'следует отнести то, что ха-. рактер изменения скорости по продольной координате в реальных каналах отличается от теоретической зависимости, даже при равномерном профиле скорости, что приводит к ошибкам при вычислении потерь. Кроме того» в условиях работы диффузора за ступенью большой циркуляции

• на входе в канал имеется значительная неравномерность параметров вдоль радиуса, которая существенно влияет на изменение структуры потока по мере его продвижения по каналу. Очевидно, если учесть каким-либо образом дополнительные потери от неравномерности потока и более точно определить изменение скорости по ходу движения рабочего тела с учетом входных особенностей, то применение данного метода перспективно. .

Теоретические методы расчета диффузоров основываются на решении

уравнений газсшой динамики численными методами- В главе рассмотрены основные наиболее распространенные методы: интегральных соотношений, конечных разностей, конечных элементов, граничных элементов, крупшес частиц, для корректного вычисления параметров пространственного потока необходимо решать систему уравнений движения вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса), однако, как показывает опыт решения таких уравнений, они требуют значительных затрат процессорного времени и оперативной памяти что неприемлимо в рамках расчетно-оптимиза-цнонной САПР. Б связи с этим,в работе использован упрощенный подход, основанный на решении уравнений движения незязной жидкости (уравнения Ййлера) с привлечением моделей, учитывающих реальные свойства рабочего тела.

обзор экспериментальных исследований кольцевых диффузоров показывает, что степень расширения, относительная длина, форма меридианных обводов, закрутка потока в основном определяют уровень потерь. Однако, для кольцевых диффузоров, работающие за турбинными ступенями, в литературе представлено мало обобщений по влиянию на их аэродинамические характеристики закрутки потока и радиальной неравномерности параметров на входе. Практически отсутствует данные для коротких кольцевых диффузоров с большими эквивалентном углаш раскрути«, работающих на номинальном режиме с существенной закруткой потока о составе отсека ступень - диффузор. Поэтому делается швед о необходимости дальнейших экспериментальных исследований кольцеакх ди^У" зорных каналов в условиях, наиболее близко соответствующих ре?ды?к;.

Во второй главе рассмотрены математическая модель и структур?! программного модуля, предназначенного для расчета пространственного потока в кольцевых переходных диффузорных каналах. Постановка задачи формулируется следующим образом:

- геометрия кольцевого диффузора считается заданной, известны параметры неравномерного закрученного потока на входе;

- течение газа предполагается стационарным и осесишетричннм;

-■ рассматривается безотрывное течение нетеплотворной ездалаемой жидкости;

- диссипация кинетической энергии от неравномерности потока учипгеа-ется из условия смешения турбулентных струй;

- эффекты вязкости рабочего тела учитываются приближенно п уравнениях движения и процесса, а такие с помоцьв теории пограничного слоя.

Используется цилиндрическая система координат. Область течения разбивается полуфиксированной расчетной сеткой, состоящей из семейства фиксированных.линий,- перпендикулярных~оси ¿ семейства линий тока. Параметры потока рассматриваются вдоль линий тока в меридианной плоскости.

Общая задача расчета разбивается на три взаимосвязанных этапа: расчет струйного смешения, расчет прямой задачи, расчет пограничного слоя. Модель струйного смешения исходит из предположения попарного перемешивания смежных струек. Математическая модель смешения включает в себя пять уравнений, записанных в интегральной форме: сохранения массы, энергии, момента количества движения относительно оси Z и количества движения на оси Г и 2 • Эта система уравнений решается методом последовательных приближений, в результате вычисляются распределения углов закрутки потока оС - сС ( Г ) и потерь из-за смешения турбулентных струек по высоте канала в выходном сечении диффузора. '-Значения углов закрутки потока и потерь от смешения зависят от числа струек, на которое разбивается канал. Это число назначается с помощью теории турбулентных струй и определяется входной неравномерностью скорости, углами отклонения вектора скорости от осевого направления, степенью турбулентности потока и длиной диффузора. На следующем шаге углы сС и потери от смешения задаются в узлах сетки ли* нейным распределением от начальных значений до конечных, для решения прямой осесимметричной задачи записывается система уравнений, в которую входят: уравнение движения в форме Эйлера, уравнение анергии, уравнение неразрывности, уравнение состояния и процесса. Задание углов оС = рС( t,Z ) в узлах сетки, получаемых из задачи смешения в кольцевом диффузоре, равносильно размещению в ньм бесконечного числа бесконечно тонких лопаток, которые воздействуют на поток с некоторой распределенной силой, а задание потерь соответствует введению поля сил, эквивалентного силам трения, эти силы входят в уравнение движе-' ния. С использованием подхода, развитого М.И.Жуковским, дифференциальные уравнения движения в частных производных записаны относительно давления.-Частные производные вдоль оси Z вычисляются конечными разностями, взятыми вдоль линий тока, тогда уравнение движения можно рассматривать для сечения Z = constt как уравнение в обыкновенных производных и заменить его эквивалентным интегральным:

p=pc+Jg^_C (I)

Б уравнении (I) Со.» Cz , Ср - проекции скорости С на оси ц., Z и Г ; р - давление, Т - температура, R - газовая постоянная,

- коэффициент неизоэнгропийносги зе. = exp{-&S/R ), где дЗ -приращение энтропии. Уравнение (I) решается методом итераций, когда " в правую часть подставляются величины из предедущего приближения, давление на среднем радиусе рс подбирается из условия пропуска заданного расхода в сечении Z = const. Совместное решение уравнения движения и неразрывности производится во всей области течения вдоль линий Z - const с использованием уравнений энергии, состояния и процесса. Расчет пограничного слоя базируется на интегрировании уравнения импульсов Кармана для пограничного слоя. Этот метод позволяет • вычислить основные характеристики пограничного слоя и потери в нем с точностью, вполне приемлемой для учета воздействия пограничного слоя на внешний поток, а созданная на его основе программа легко объединяется с программой расчета невязкого течения. Поток, покидающий ступень турбомашины, имеет значительную турбулентность, которая влияет на характеристики пограничного слоя. Поправка на изменение интегральных толщин пограничного слоя вводится согласно рекомендациям МЭИ, она зависит от степени турбулентности потока и критерия Бури.

Структурная схема модуля элемента расчетно-оптимизационной САПР "Проточная часть осевой турбины" представлена на рис.1. Модуль состоит из блоков, между которыми происходит обмен информацией. В блоке I осуществляется ввод исходных данных: распределение по радиусу на входе в диффузор полных давлений л температур, составляющих абсолютных скоростей, также задаются конфигурация кольцевого канала и поте- . ри от смешения в "нулевом" приближении. Толщина пограничного слоя s начальном приближении считается равной нулю по всей длине диффузора, Далее генерируется расчетная сетка и параметры в узлах, сетки в "нулевом" приближении. В блоке 2 происходит расчет струйного смешения к вычисление £ем> Коэффициент потерь от смешения сравнивается с нулевым приближением (блок 3), если ош{^£овпадут с-наперед заданной точностью, то переходим к расчету прямой задачи (блок 4). В результате расчета прямой задачи вычисляются параметру в узлах сетки, уточняются радиусы струек тока и параметры на новых радиусах, а расчет возвращается к блоку <1. Совместное решение блоков 2 и 4 происходит до тех пор, пока потери смешения не достигнут с заданной гЬчшстыо величины потерь, полученных в предыдущем приближении. Если это произошло, переходим к расчету пограничных слоев на периферийном и корне-

Рис.1 Структурная схема злемента САПР "Проточная часть осевой ■ тепловой турбины" расчета потока в кольцевом диффузоре

( конец }

вом обводах диффуяора (блок 5) и возвращаемся к началу программы с измененными граничными условиями, уменьшая проходное сечение канала в кадцом сечении 2 =coast на величину толщины вытеснения. Расчет потока в новых границах (блоки «¡,3,4 и 5) ведется до тех пор, пока не установятся значения интегральных толщин пограничного слоя по всей длине канала (блок 6, должны совпасть значения толщин вытеснения в текущей и предыдущем приближении с принятой точностью их определения). После этого в блоке 7 суммируются коэффициенты потерь от смешения

£Сп и трения £пс , 'вычисленные на основе расчета пограничного слоя, и последний раз происходит расчет прямой задачи с суммарными потерями ;блок о). Затем результаты расчета выводятся на печать или, если модуль подключен к CAiitJ, передаются к модулю расчета последующей за диффузором ступени, необходимо отметить, что в блоке 4 происходит постоянный контроль возможности отрыва пограничного слоя по критерию Бури. Если он достигает предельной величины, характерной для безотрывного течения, программа ввдает сообщение об этом пользователю.

Программный модуль написан на языке фортран 1У с использованием идей структурного программирования и включает в себя ¡¿I подпрограмму. Программа обладает достаточной устойчивостью и небольшим временем счета, что необходимо для эффективной работы модуля в рамках САПР. ' В третьей главе описаны объекты исследования, экспериментальная установка, схема измерений, измерительная аппаратура, методика обработки опытных данных и оценка погрешностей измерений.

Проводились экспериментальные исследования трех кольцевых переходных диффуэорных каналов, работающих за ступенями большой циркуляции, типичными для первых ступеней современных газовых турбин. Все варианты диффузоров имели одинаковую длину, корневой и периферийный диаметры на выходе, которые определялись габаритными размерами газотурбинной установки и конструкцией направляющего аппарата последующей ступени. Втулочные отношения д , радиальность D , удлинение L , степени расширения П и эквивалентные углы раскрытия исследованных диффузоров представлены в таблице.

Таблица

N бор а D X а 1,

- - - - - град.

I O.fc&I 1,056; 1,1Ь5 1,155 , 24,36

L 0,«40 1,031 1,^15 1,215 33,03

Ь 1,069 I.I76 I.IV6 28.00

Вариант. I имел конические прямолинейные образующие. угиа-кщше*__

-еог о -раскрьггкя-,62°, угол периферийного раскрытая^"= 1Ь°; вариант 2 имел цилиндрический корневой и конический периферийный с углом 10° обвода. Вариант о был спроектирован для совместной работы с обандажекной турбинной ступенью и имел криволинейные очертания в меридианной плоскости. Корневой обвод был спроектирован как однололостной гиперболоид вращения таким образом, чтобы вектор скорости прикорневой струйки был направлен по образующей гиперболоида. Периферийный обвод проектировался так, чтобы получить иэоугольньй канал, то есть выполнить постоянным по длине диффузора эквивалентный угол раскрытия.

Современный уровень совершенства тепловых турбин предъявляет высокие требования к качеству аэродинамических исследований их проточных частей. Поэтому для исследования диффузоров использовался быстроходный экспериментальный стенд ЭТ-2 лаборатории турбиностроения ЛГТУ, 'позволяющий испытывать модельные турбинные отсеки при высок!« натурных числах Маха.

Детальный анализ структуры потока и величин потерь кинетической энергии в зависимости от различных факторов выполнялся на основе результатов траверсирования в контрольных сечениях диффузора. Б резуль тате опытов также определились суммарные характеристики ступени, которые использовались для приведения данных траверсирования к единичному режиму. Траверсирование потока в сечениях 1-1 на входе в диффузор (выход из ступени) и сечениях 2-2 на выходе из диффузора проводилось с помощью конического пятиканального пневмонасадка М1И. Данный пневмснасадок позволяет производить измерения с необходимой точностью в существенно трехмерном, нестационарном потоке в ни.роком диапазоне дозвуковых скоростей натекания. Этому способствуют: малыО размеры пневмонасадка - наружный диаметр приемника 2,4 ш, мидель державки около' приемника 1,5 мм, а также благоприятное, близкое к линейному протекание его тарировочных характеристик. Для уточнения качественной картины течения на ограничивающих поверхностях кольцевых диффузоров вариантов I и '4 измерялось давление по длине корневого и периферийного обводов.

В главе рассмотрены погрешности измерения, характеризующие используемое экспериментальное оборудование и методику проведения огш тов. Приведенный анализ показал, что, несмотря на сложность и трудо емкость опытов, экспериментальные исследования проводились на доста Ю

tovho высоком уровне, соответствующем современным требованиям.

Результаты опытов, включая первичную обработку и суммарные характеристики, обрабатывались на ЭШ, постановка и отладка программ осуществлялась автором. ■

В четвертой главе представлены результаты расчета теоретических и экспериментальных исследований и их сравнение.

Расчет потока в рассматриваемых диффузорных каналах варианта I, £ и 3 был осуществлен на ЭШ ¿C-lOcó. Исходными данными для расчета являлись результаты траверсирования потока в сечении I-I на входе в диффузор.

Проведена оценка влияния радиальной неравномерности температуры торможения на входе в кольцевой диффузор на перестройку потока в выходном сечении канала и потери. Показано, что существующая неравномерность температурного поля практически не влияет на параметры потока и коэффициенты потерь.

Варианты диффузоров I и 2 исследовались на номинальном ретше работы ступени. Диффузор взрианта 3 исследовался как на номинальном режиме и~/Со = 0,465, угол закрутки потока на среднем радиусе во входном сечении оС 1С = 112°, так и двух переменных режимах. Режим повышенной нагрузки на ступень характеризовался и/С,* 0,27 и углом

= 132°. Режим сниженной нагрузки определялся таким образом, что-5ы в среднем сечении проточной части на входе в диффузор угол закрутки был близок к осевому сСic = 90° > это условие достигалось при характеристическом числе u/Ct* 0,59.

Результаты траверсирования и расчетов в сечении 2-2 на выходе 13 диффузора представлены на рис.2 и 4 (на рисунках: Т. - относительная высота канала; р' = p'/pj относительное давление торможения, ?де p¡! - давление торможения на среднем радиусе; \ - относительная скорость; ос - угол между проекцией абсолютной скорости на плоскость Z U и положительным направлением оси и, ; Y tu. - угол между абсо-татной скоростью и ее проекцией на плоскость ZU. ). Из графиков вид-ю, что расчетные и опытные кривые удовлетворительно совпадают между зобой. Ото дает возможность по результатам расчетов, не прибегая к эксперименту, проектировать последующий направляющий аппарат, учитывая перестроГку потока в кольцевом диффузорном канале, что является 1еобходимым'условием- для работы САПР.

Для вариантов I и 2 в опытах исследовалось распределение давления в потоке на-отводах диффузора. Расчетные кривые качественно coa-—.

II

Рис.2 Распределение параметров потока з выходном сечении диффузоров вариантов 1 и

го

а)

б)

С.Я I* V 1» 1, «ИИ 1

-о-- эксперимент;

Рис.3 Распределена давления по обводам диффузоров вариантов I и к.

а)

б)

I - корневой обвод

зкслегамент

расчет

3 - корневой обвод

4 - пешйЬешйнай обвод

падают с экспериментальными (рис.3 а,б, на рисунках: р = р/рй , где ра - барометрическое давление; Z =Z/L - относительная продольная координата).

Рассмотрим подробнее характер изменения давления в диффузоре варианта I (рис.3 а). У периферийного обвода на расстоянии Z = 0,35 экспериментально и теоретически выявлена зона интенсивного роста давления. Параметр Бури в этом месте достигает значения - 0,02, что в принципе не говорит о наличии развитого отрыва. Однако, эти факторы приводят к серьезной перестройке течения в пограничном слое и, поводимому, к возникновению локального отрыва. Возможность отрывных явлений у периферии связана с тем, что поток в данном сечении не закручен {оС близок к 90°) и нет градиента давления в поле центробежных сил, способного прижать шток к стенке при достаточно большом угле раскрытия периферийного обвода диффузора. Перечисленные факторы приводят к более высокому уровню интегральных потерь, полученных в результате эксперимента, чем в расчетах. Так, коэффициент внутренних потерь Ç = 0,210, тогда как теоретически определенный суммарный коэффициент внутренних потерь равен 0,121 (коэффициент потерь от смешения Çcn = 0,074, а потери в пограничном слое £пс = 0,047). Выявить дополнительные потери от отрывных явлений расчетным путем не удается в силу приближенности выбранного метода и заложенной в него гипотезы безотрывного обтекания.

Сравнение рисунков 3 а и 3 б показывает, Что в диффузоре варианта 2 (рис.3 б) имеет место более благоприятное обтекание обводов, чем в варианте I; Кроме того, диффузор 2 имеет лучшую восстановительную способность, связанную в основном с безотрывным диффузорным характером течения вдоль обводов, тогда как на корневом обводе диффузора I давление в потоке по мере продвижения рабочего тела падает. Это предположение подтверждается экспериментом, коэффициент внутренних потерь данного диффузора равен 0,138, что совпадает с расчетным значением. Потери от смешения £ еи я 0,033, что меньше, чем в диффузоре варианта I из-за более равномерного профиля скоростей на входе. Потери трения £пс = 0,105 по сравнении с вариантом I возросли в связи с более интенсивным изменением скорости по продольной координате из-за большей степени расширения диффузора.

Течение в криволинейном диффузоре (вариант 3, рис.4 а,б,в) рассматривалось на номинальном и переменных режимах. Изменение нагрузки на ступень во время эксперимента производилось изменением

Рис.4 Распределение параметров потока в выходном сечении _ди^фуэрра_8арианта^3—----—-'

а) и/С,» 0,465; б) и/С„= 0,27; в )и/С0= 0,54

а)

1

I

1Ш

ей и г; . щ и л, «о «о I» из ¡> н д

С)

; 4! ад л, '« «и< о и

в)

-Г / \

-- 4 «4

— 1 ---

г '1 _1__ н н и I И> N

и> да V и " » ч » Г,",

- эксперимент;

расчет

окружной скорости при постоянном перепаде энтальпий на ступень. На номинальном режиме {и./С0 = 0,465) вычисленный коэффициент внутренних потерь составляет 0,133 С £ Сг1 =» 0,063, = 0,07С), эти значения близки к экспериментальным. На режиме повышенной нагрузки потери увеличились по сравнению с расчетным режимом в связи с появлением более существенной неравномерности на входе в диффузор. Коэффициент внутренних потерь, полученный расчетным путем, достигает величины 0,189 ( £сп= 0,067, £лс = ОДОЕ), что практически совпадает с опытным значением £ =0,192. При увеличении и/Со Д° 0,54 теоретические коэффициенты потерь составляют £сп « 0,08Ь, £пе = 0,094,

£ = 0,180. Увеличение потерь в пограничном слое связано с большим градиентом давления в пограничном слое, особенно у периферийного обвода. Коэффициент внутренних потерь, вычисленный по результатам тра-версирования, составляет 0,165.

Сравнение потерь и структуры потока в выходных сечениях диффузоров 1,2 и 3 показывает, что для развитой математической модели достигается удовлетворительное соответствие расчетных и опытных кривых." Зто дает основание утверждать о применимости разработанной методики для расчета течения в переходных кольцевых диффузорных патрубках, работающих в условиях неравномерного закрученного турбулентного потока за ступенями большой циркуляции.

ЗАШНЕШЕ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

I. Разработана математическая модель, включающая в себя расчет струйного смешения, прямой осесшшетричной задачи и вязкого течения в пограничном слое, предназначенная для расчета дозвукового безотрывного течения сжимаемой жидкости и потерь кинетической энергии в переходных кольцевых диффузорных каналах, работающих в условиях неравномерного закрученного турбулентного потока на входе.

'¿. На основе математической модели созданы алгоритм и пакет программ расчета течения и потерь в переходных диффузорных каналах, предназначенные для использования в рамках расчетно-оптимизационной СА11Р проточных частей современных тепловых турбин.

3. Проведены экспериментальные исследования трех переходных диффузоров в условиях неравномерного закрученного турбулентного входного потона. Испытания ди[>|>у;юров проводились совместно со сту-

15.

пенят большой циркуляции. Два диффузора имели прямолинейные образующие в меридианной плоскости. Третий имел криволинейные обводы. Корневой обвод его спробилир$ван-как_поверхность-однополостного-гипер-— болоида вращения, периферийный сформирован тагам образом, чтобы получить изоугольный канал. Последний диффузор испытывался при различных режимах работы предвключенной ступени.

4. Параметры"потока, полученный в результате расчетов на ЭШ, удовлетворительно совпадают с результатами экспериментальных исследований. Вычисленные распределения параметров потока по высоте канала в выходном сечении диффузоров позволяют проектировать поеледущий за переходным диффузором направляющий аппарат, не прибегая к дополнительным экспериментальным исследованиям.

5. Выявлено значительное влияние структуры потока на входе и геометрии канала на потери в диффузоре. Достигнуто удовлетворительное совпадение коэффициентов внутренних потерь, полученных з результате расчетов и опытов.

Таким образом, разработанный на языке Фортран 1У программный комплекс можно рекомендовать для исследования в рамках расчетно-оп-тимизационной САПР "Проточная часть осевой тепловой турбины".

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Черников В,А., Дач Ю.В., Мокравцов С.В..Оптимизация НА турбины низкого давления газогенератора со ступенью большой циркуляции для ГТУ ГПА на стадии проектирования // Энергетическое машиностроение. - М.: ШИЭинформэнергомаш, 1987. - $ 6. - С.5-9.

2. Оптимизация переходного диффузора с неосевш входом потока за ступенью большой циркуляции / К.Я.Лапшин, В.А.Черников, Ю.В.Лач и др.// Тез.докл.респ.кенф. - Харьков: Ин-т пробл.машиностроения АН УССР, 1938. - С.9-10. е

3. Лач Ю.В., Лаппшн К.Л. Расчет неравномерного закрученного потока в кольцевом диффузоре за высоконагруженной турбинной ступенью на перемешай режимах работы: Деп.рук. № 702-Ш90 от 28.12.90 - Ы.: ЦНИИТЭйтяашаи. -8с.,

Подписано к печати 02.07.e1. Тираж 100 экз.

Заказ 329. Бесплатно

Отпечатано на ротапринте Ленинградского государственного технического университета, Т9Ь2Ы Ленинград, Политехническая ул., 29