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

лКНЛНГРДдСКИИ ГОСУДАРСТЙЕЙНЬЙ ШЫШЖИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА кЕТиДА РАСЧЁТА И ЗКСЛЕРИГаЕКТАлЬНЫЫ Ш^ЕДОВАШЯ ШАВпОк&пОГО ЗАКРУЧЕННОГО й№Кк В дШУЗОРШХ КАНАЛАХ ■ ■ ЗА ТУРЕЙнНЫмИ СТУЛьНШ БОЛЬиШ ЦДРШЯЩИ

Специальность 06.04.12 - ТУрбомашины и турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

;]АЧ Юрий Владимирович

Ленинград 1991

Работа выполнена на кафедре турбиностроения Ленинградскдго государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

•нАПи/к! К.^.

Официальные оппоненты: доктор' технических наук, профессор

¿¡41/111' 0. П.

кандидат технических наук ' ГА¿В Б.д.

/

Ведущее предприятие: научно-исследовательский и конструкторско-

технологический институт турбокомпрессоро-строения (НИКТИТ) г.Ленинград

2—;та состоится "29" 0/С/У),9с^ОЙ 1991 г. в 4б ■•асов на заседании специализированного Совета К 0o3.oo.23 при ленинградском государственном техническом университете по -адресу:

190251 Ленинград, Политехническая ул.,29, главное здание, ауд. ;225

\

. С диссертацией мокно ознакомиться в фундаментальной библиотек! лГТУ.

Автореферат разослан " " г.

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор технических наук, *

профессор

А.С.ласкин

РАЗРАБОТКА кЕТОДА РАСЧЕТА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕРАВНОМЕРНОГО ЗАКРУЧЕННОГО ШТОКА В ДИ<ШЗОРНЫХ КАНАЛАХ ЗА ТУРБИНШ-лИ СТУПЕНЯМ БОЛЬШОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В современных тепловых турбинах наши ыиро-:ое применение ступени большой циркуляции, перерабатывающие значи-ельные перепады энтальпий при умеренных окружных скоростях. Исполь-ование таких ступеней позволяет уменьшить число ступеней, габарит-ые размеры и массу, что актуально, например, для паровых турбин, применение ступеней большой циркуляции в высокотемпературных газовых урбннах потшо уменьшения оощего числа ступеней позволяет снизить емпературу материала лопаток, сократить число охлаждаемых венцов, овысить надежность и увеличить срок слуябы лопаточного аппарата.

Газовые турбины часто выполняются многовальними. Корневой и пз-иферийный диаметры ступени большой циркуляции, как правило, меньше, ем у последующей ступени, что обусловливает полг.тение переходного ольцевого диффузорного канала между ступенями. Особенностью тише: иффузорных каналов являются больше эквивалентные углы раскрытия, ебольшие длина и степень расширения. Их задача не только понизить явление за ступенью, но ¡! транспортировать рэбочее тело по 'йоз^г'."-ости с меньшими потерями .пшетической энергии к последуя'дзй сту-енл.

Успехи в области аэродинамики турбомашш позволили получить есы/а высокую эффективность отдельных ступеней турбины, поэтому озможности увеличения КЦД лопаточного аппарата невелики. Однако, есмотря на существенный прогресс в области аэродинамических иссле- . ований проточных частей тепловых турбин, еще имеется опредалешкз езервы повышения ¡рс эффективности. Один из таких резервов сгязан с мэньшением потерь в переходных кольцевых диффузорных каналах, рас-олояенных меаду ступенями. Поток на выходе уз ступени больаой цир-уляции имеет значительную закрутку, а связи с этим его выходная инетическая энергия бользэ, чем в обычной турбинной ступени. Таи, апркмер, выходная кинетическая энергия при отклонении потока от сев его направления на 35° п-сммерно в 1,5 раза визе, чем о слупим осевым выходом, при том хз расходе рабочего тзла. Кроме закрути;, оток на входе в переходной канал имеет сущэстзеннуэ нерэеномер-

кость параметров вдоль радиуса, связанную с особенностями конструкции ступени большой циркуляции, значительной турбулентностью потока взаимодействием щелевой струи, протекающей в радиальный зазор над рабочими лопатка:-./, с осевым потоком и вторичными течениями у корня периферии лопаточного аппарата. Перечисленные факторы говорят о ело ¡¡моста детального расчета потока в таких диффузорных каналах. Бмест с тем для проектирования поеледу ¡щей ступени необходимо расчетным путем оценить потери кинетической энергии и структуру потока в выходной сечении диффузора. /

Целью работы является:

- разработка математической модели и метода расчета течения сжимаемой жидкости в кольцевом осесшметричном диффузорном канале, учитывающих неравномерность закрученного потока;

- создание на базе математической модели программы расчета, для использования ее в качестве элемента расчетно-оптимизационной САПР "Проточная часть осевой тепловой турбины";

- расчетно-теоретические и экспериментальные исследования структур пространственного потока и потерь кинетической энергии в кольцев: переходных диффузорах с неравномерным закрученным потоком на вхо де, 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; воы диффузорном канале, позволяющей учесть влияние неравномерное закрутки потока на входе;

- получение экспериментальных и расчетных данных о пространственнс 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, тберадается:

- использованием при создании математической модели классических уравнений газотермодинамики;

- удовлетворительным совпадением результатов расчетов жданными н турного эксперимента.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основ

-азработанной математической модели был создан алгоритм и пакет про-■рамм для ЭВш расчета течения и потерь в кольцевых диффузорных каналах с неравномерным закрученным потоком на входе. Пакет программ южно рекомендовать для использования в качестве элемента расчетно-штимизационной САПР "Проточная часть осевой тепловой турбины". Ре-|ультаты расчетов позволяют проектировать последующую ступень турбл-ш с учетом перестройки потока в переходном диффузоре, не прибегая к дополнительным экспериментальным исследованиям.

Личный вклад автора определяется разработкой метода расчета и Программного комплекса для ЭШ закрученного потока и потерь а перегодном кольцевом диффузорном канале, подготовкой и проведением экс-¡ериментальных исследований, сопоставлением и анализом результатов тсчетов и опытов.

Реализация работы. Результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований внедрены в ПО "Невский завод" им.В.И.Ленина.

Апробация ра'боты. Материалы диссертации докладывались:

• на научно-технической конференции молодых специалистов ПО "Невский завод" им.В.И.Ленина, Ленинград, - IS86 г.;

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

• на ХХХУ1 Всесоюзной научно-технической сессии "Состояния и перспективы газодинамических к тепловых исслодованнй s обеспечении повышения температуры газа в стационарных газотурбинных установках", Москва - 1989 г.;

■ на научно-техническом совете кафедры турбиностроенил ЛГТУ, Jígkiü!-град - 1991 г.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 3-;: ючатных работах и двух научно-технических отчета::.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, чз-■црех глав, заключения и содержит 81 страниц машинописного текста, 3 иллюстраций, I таблицы, библиографии, вклачаез.ей 100 наииенсса-шй и приложения, отражающего внедрение материалов диссертации э громьшленность.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, формулируются 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 том, что произвольному диффузорному 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 диффузорных 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 ЭВМ.

Метод расчета потерь на основе характеристик пограничного слоя базируется на теории пограничного слоя. Задача сводится к определению толщины потери импульса в пограничном слое по известному распределению скоростей. К недостаткам метода следует отнести то, что характер 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 газовой динамики численными методами. В главе рассмотрены основные наиболее распространенные методы: интегральных соотноиений, конечных разностей, конечных элементов, граничных элементов, крупных 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 Эйи, что неприемлимо в рамках расчетно-оптимиза-ционной САПР. В связи с этим,в работе использован упрощенный подход, основанный на решении уравнений движения невязкой жидкости (уравнения Эйлера) с привлечением моделей, учитывающие реальные свойства рабочего тела.

ибзор экспериментальных исследований кольцевых диффузоров показывает, что степень расширения, относительная длина, форма меридианных обводов, закрутка потока в основном определяют уровень потерь. Однако, для кольцевых диффузоров, работающих за турбинными ступенями, в литературе представлено мало обобщений по влиянии на их аэродинамические характеристики закрутки потока и радиальной неравномерности параметров на входе. Практически отсутствуют данные для коротких кольцевых диффузоров с большими эквивалентнши углами раскрыта';, работающих на номинальном режиме с существенной закруткой потока п составе отсека ступень - диффузор. Поотому делается еузсд о необходимости дальнейших экспериментальных исследований ¡сольцеия диффу-зорных каналов в условиях, наиболее близко соответствует реальны:*.

Во второй главё рассмотрены математическая модель и структура программного модуля, предназначенного для расчета пространственного потока в кольцевых переходных диффузорннх каналах. Постановка задает формулируется следующим образом:

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

- течение газа предполагается стационарным и осесимметричнцм;

- рассматривается безотрывное течение нетеплотворной сажаемой падкости;

- диссипация кинетической энергии от неравномерности потока ут,отдается из условия смешения турбулентных струй;

- эффекты вязкости рабочего тела учитываются приближенно в уравнениях движения и процесса, а такле с по.моцыэ теории пограничного

слся.

о

Используется цилиндрическая система координат. Область течения разбивается полуфиксированной расчетной сеткой, состоящей из семейства фиксированных линий, перпендикулярных оси 2 и 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 1 . Эта система уравнений решается методом последовательных приближений, в результате вычисляются распределения углов закрутки потока оС = ( 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 струе::, ма 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. Ка следующем шаге углы оС 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 энергии, уравнение неразрывности, уравнение состояния и процесса. Задание углов сС = сС\ Г,2 ) 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 движения. С использованием подхода, развитого М.И.Жуковским, дифференциальные уравнения движения в частных производных записаны относительно давления. Частные производные вдоль оси 2 вычисляются конечными разностями, взятыми вдоль линий тока, тогда уравнение движения можно рассматривать для сечения 2 как уравнение в обыкновенных

производных и заменить его эквивалентным интегральным:

У р = РС +/§ - Сж - с, ш

В уравнения (I) Си.» С г , Cr ~ проекции скорости С на оси и., Z и Г ; р - давление, Т - температура, R - газовая постоянная,

- коэффициент неизоэнтропийности j£ =exp{~AS//R ), где AS -приращение энтропии. Уравнение (I) решается методом итераций, когда ' в правую часть подставляются величины из предыдущего 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 '/¡ЭИ, она зависит от степени турбулентности потока и критерия Бури.

Структурная схема модуля элемента расчетно-оптимизационной САП? "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 нг. входе в диффузор полных давлений и температур^ составляющих абсолютных скоростей, также задаются конфигурация кольцевого канала и поге- . ри от смешения в "нулевом" приближении. Толщина пограничного алея ;; начальном приближении считается равной нулю по зеей длине диффузора, далее генерируется расчетная сетка и параметры в узлах сетки о "нулевом" приближении. В блоке < происходит расчет струйного смешения ;; вычисление Сем* Коэффициент потерь от смешения сравнивается с нулевым приближением (блок 3), если оп$%овпадут с наперед заданной точностью, то переходим к расчету прямой задачи (блок 4). В результате расчета прямой задачи вычисляются параметры в узлах сетки, уточняются радиусы сгруек тока и параметры на новых радиусах, а расчет возвращается к блоку '¿. Совместное решение блоков 2 и 4 происходит до тех пор, пока потери смешения не достигнут с заданной точностью величины потерь, полученных в предыдущем приближении. Если это произошло, переходим к расчету пограничных слоев на периферийном и корне-

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

( конец )

вом обводах днф^упора (блок 5) и возвращаемся к началу программы с измененными граничными условиями, уменьшая проходное сечение канала в кагвдом сечении Z =const на величину толщш:ы вытеснения. Расчет пото-яа 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 о, должны совпасть значения толщин вытеснения в текущем и предедущем приближении с принятой точностью их определения). После зтого в блоке ? суммируются коэффициенты потерь от смешения

£см и трения £пс , вычисленные на основе расчета пограничного слоя, и последний раз происходит расчет прямой задачи с суммарными потерями 1блок о). Затем результаты расчета выводятся на печать или, если модуль подключен к CAiiP, 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 IУ 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 диффузорных каналов, работающих за ступенями большой циркуляции, типичны:.!и 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 3 , радиальность D , удлинение L , степени расширения П и эквивалентные углы раскрытия исследованных диффузоров представлены в таблице.

Таблица

N бор 3 D L п it

- - - - - град.

I С,Ы>1 1,056 1,165 1,155 24,36

£ 0,(340 1,031 1,к1Ь 1,215- 33,03

3 0,044 1.069 1,176 1.1/6 28,00

Вариант,I имел конические прямолинейные образующие, угол корневого раскрытия 10,62°, угол периферийного раскрытия 1Ь°; вариант 2 имел цилиндрический корневой и конический периферийный с углом 10° обводы. Вариант о был спроектирован для совместной работы с обандаженной турбинной ступенью и имел криволинейные очертания в меридианной плоскости. Корневой обвод был спроектирован как однополостной гиперболовд вращения таким образом, чтобы вектор скорости прикорневой струйки был1 направлен по образующей гиперболоида. Периферийный обвод проектировался так, чтобы получить изоугольный 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 ЗТ-2 лаборатории турбиностроения ЛГТУ, 'позволяющий испытывать модельные турбинные отсеки при высоких 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. В результате опытов также определились суммарные характеристики ступени, которые использовались для приведения данных траверсирования к еди ному 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 ЛШ. Данный пневмснасадок позволяет производить измерения с необходимой точностью в существенно трехмерном, нестационарном потоке в широком диапазоне дозвуковых скоростей натекания. Этому способствуют: малыО размеры пневмонасадка - наружный диаметр приемника 2,4 мм, 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 2 измерялось давление по длине корневого и периферийного обводов.

В главе рассмотрены погрепности измерения, характеризующие используемое экспериментальное оборудование и методику проведения опытов. Приведенный анализ показал, что, несмотря на сложность и трудоемкость опытов, экспериментальные исследования проводились на доста-10

точно 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 диффуэорных каналах варианта I, 2 и 3 был осуществлен на ЭШ ЕС-Юсб. Исходными данными для расчета являлись результаты траверсирования потока в сечении 1-1 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 режиме работы ступени. Диффузор варианта 3 исследовался как на номинальном режиме и./Со= 0,4(35, угол закрутки потока на среднем радиусе во входном сечении сС\с = 112°, так и двух переменных ра-тамах. Режим повышенной нагрузки на ступень характеризовался и./Со~ 0,27 и углом

= 132°. Режим сниженной нагрузки определялся таким образом, чтобы в среднем сечении проточной части на входе в диффузор угол закрутки был близок к осевому сС\с = 90°, это условие достигалось при характеристическом числе и.уСс~ 0,59.

Результаты траверсирования и расчетов в сечении 2-2 на выходе лз диффузора представлены на рис.2 и 4 {на рисунках: Т - относительная высота канала; р* = р*//р^ - относительное давление торможения, рде р*- давление торможения на среднем радиусе; \ - относительная скорость; оС - угол между проекцией абсолютной скорости на плоскость' 2 И и положительным направлением оси и ; Ути. - угол мезаду абсолютной скоростью и ее проекцией на плоскость 211 ). Из графиков вид-10, что расчетные и опытные кривые удовлетворительно совпадают между зобой. Ото дает возможность по результатам расчетов, не прибегая к эксперименту, проектировать последующий направляющий аппарат, учиты-зая перестроГку потока в кольцевом диффузорном канале, что является ^обходимым-условием'для работы САПР.

Для вариантов I и 2 в опытах исследовалось распределение давле-ия в потске-на-обводах диффузора. Расчетные кривые качественно-сов—-

II

а

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

а)

б)"

и> е," V и> -I, а> «■ * I го^

эксперимент;

- расчет

Рис.3 Распределение давления по обводам диффузоров вариантов I и 2

а)

б)

\

12

ЩГ Ч

I "

—- I ЧН н ." .1!

а «

ш г

I - корневой обвод

1

расчет

3 - корневой обвод Л _ попи^йШЙНЫЙ обвод

падают с экспериментальны]»! (рис.3 а,б, на рисунках: Р = р/ра » 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, по-видимому, к возникновению локального отрыва. Возможность отрывных явлений у периферии евяз&на с тем, что поток в данном сечении не закручен {ос близок к 90°) и нет градиента давления в поле центробежных сил, способного прижать поток 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 £ = 0,210, тогда как теоретически определенный суммарный коэффициент внутренних потерь равен 0,121 (коэффициент потерь от смешения £СГ1 = 0,074, а потери Ь 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 £сг1 = 0,033, что, меньше, чем в диффузоре варианта I из-за более равномерного профиля скоростей на входе. Потери трения £пс = 0,105 по сравнению 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 диффузора варианта 3

а) а/С," 0,465; б) и./С„= 0,27; в)и/С„ = 0,54

а)

1

ив

—— I. 1?.

<•3 I

ЕЕЙ

5

(я 1« ч ш ы л, и ы т ая л, о го

■О--эксперимент;

- расчет

окружной скорости при постоянном перепаде энтальпий на ступень. На номинальном режиме {и/Св = 0,465) вычисленный коэффициент внутренних потерь составляет 0,133 ( £ СГ1 = 0,063, = 0,070), 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 (Ссч= 0,067, £пс = 0,102), что практически совпадает с опытным значением £ =0,192. При увеличении и./С о Д° 0,54 теоретические коэффициенты потерь составляют = 0,08Ь, £„е = 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 к опытных кривых.' Это 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработана математическая модель, включающая в себя расчет струйного смешения, прямой осесимметричной 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.

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

3. Проведены экспериментальные исследования трех переходных диффузоров в условиях неравномерного закрученного турбулентного входного потока, испытания диффузоров проводились совместно со сту-

1Ь

пенями большой циркуляции. Два диффузора имели прямолинейные образующие в меридианной плоскости. Третий имел криволинейные обводы. Корневой обвод его спрофилирован как поверхность однополортного гиперболоида вращения, периферийный сформирован таким образом, чтобы получить изоугольный канал. Последний диффузор испытывался при различных режимах работы предвключенной ступени.

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

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

Таким образом, разработанный на языке «ортран 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., Лач Ю.В., Мокравцов Ф.В. Оптимизация НА турбины низкого давления газогенератора со ступенью большой циркуляции для ГТУ ГПА на стадии проектирования // Энергетическое машиностроение. - II.: НИИЭинформэнергомаш, 1987. - № 6. - С.5-9.

2. Оптимизация переходного диффузора с неосевым входом потока за ступенью большой циркуляции / К.Л.Лапшин, В.А.Черников, Ю.В.Лач и др.// Тез.докл.респ.конф. - Харьков: Ин-т пробл.машиностроения АН УССР, 1988. - С.9-10.

3. Лач Ю.В., Лапшин К.Л. Расчет неравномерного закрученного потока в кольцевом диффузоре за высоконагруженной турбинной ступенью на переменных режимах работы: Деп.рук. № 702-11190 от 28.12.90 - Ы.: ЩШГЭИтяжмаш. - 8 с.

Подписано к печати 02.07.01. Заказ зге.

Тираж 100 экз.

Бесплатно

Отпечатано на ротапринте Ленинградского государственного технического унивэрситета, 1952Ы Ленинград, Политехническая ул., 29