автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Совершенствование аэродинамики системы "последняя ступень - выходной диффузор" газовых турбин большой мощности для комбинированных газопаровых установок

На правах рукописи

Зандер Михаил Сергеевич

Совершенствование аэродинамики системы «последняя ступень - выходной диффузор» газовых турбин большой мощности для комбинированных газопаровых установок

05.04.12 -турбомашины и комбинированные турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 [.<др 2012

Санкт-Петербург -

2012 год

005015438

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» на кафедре «Турбинные двигатели и установки».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор

Черников Виктор Александрович

Официальные оппоненты:

Тихомиров Борис Александрович, д.т.н., профессор, ГОУ ВПО СПбМТУ, кафедра «Судовые турбины и турбинные установки»

Гудков Эдуард Ильич, к.т.н., снс, ОАО «НПО ЦКТИ», заведующий физико-техническим отделом

Ведущая организация:

ОАО «Силовые машины» «Ленинградский Металлический Завод», Санкт-Петербург

Защита состоится «13» марта 2012 г. в 16:00 часов

на заседании диссертационного Д 212.229.06, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, ауд. 225.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «СПбГПУ».

Автореферат разослан «#» февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Талалов Виктор Алексеевич

Общая характеристика работы

Введение. Актуальность проблемы. В связи с высокими темпами развития такого направления в энергетике, как комбинированные газопаровые установки (ГПУ), задача создания мощных высокоэффективных стационарных газотурбинных установок (ГТУ) становится все более актуальной. В частности для России, где доля выработки электроэнергии приходящейся на ГПУ и ГТУ составляет всего 3%, вопрос создания такого рода ГТУ стоит особенно остро.

Выходной диффузор является важным элементом стационарной газовой турбины. В нем продолжается рабочий процесс течения газа, существенно влияющий на коэффициент полезного действия и мощность ГТУ. Поскольку энергетические ГТУ зачастую работают в качестве полупиковых станций, то следует уделять большое внимание их работе на переменных режимах. И в этом смысле на выходной диффузор еще накладывается задача устойчивой работы при различных углах закрутки входящего в него потока. Кроме того задача проектирования высокоэффективного диффузора для преобразования выходной кинетической энергии в потенциальную энергию сил давления для реальной энергетической газовой турбины осложняется из-за наличия силовых стоек в проточной части диффузора.

Не смотря на высокий уровень развития СН) методов расчета для широкого круга задач в турбомашиностроении, опыт показывает, что достоверными можно считать только результаты, подтвержденные экспериментальным путем. Поскольку структура входящего в диффузор потока, а особенно структура вблизи его стенок, оказывает решающее влияние на эффективность диффузора, то проведение экспериментальных исследований выходного диффузора совместно с предвключенной ступенью можно считать наиболее оправданными с точки зрения соответствия полученных результатов действительности. Сочетание «ступень - диффузор» открывает совершенно новые возможности для повышения качества машины не только за счет совершенствования газодинамики а всего блока в целом. Такой эксперимент позволяет получить количественную оценку для каждого элемента рассматриваемой системы в результате взаимного влияния рабочего процесса в проточной части последней ступени и вы-

ходного диффузора. Предвключенная ступень является не только генератором реального, входящего в диффузор потока, то есть действительных граничных условий, но и одновременно представляет собою индикатор по оценке повышения эффективности всего блока в целом, которое обеспечивается диффузором. Это качество модели «ступень - диффузор» открывает новые перспективы для поиска оптимальной конструкции блока с целью достижения наилучших его газодинамических свойств.

Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование эффективности блока «последняя ступень - выходной диффузор» стационарных газовых турбины большой мощности, предназначенных для работы в составе комбинированных ГПУ.

Основные задачи исследования состоят в нижеследующем:

• экспериментальное получение интегральных характеристик блока «ступень -диффузор» и его составляющих в широком диапазоне режимов работы ступени;

• определение влияния геометрических параметров формы силовых стоек опоры заднего подшипника на эффективность работы диффузора на основе физического эксперимента;

• численное исследование структуры потока в блоке «последняя ступень - выходной диффузор» для углубленного анализа результатов физического эксперимента и оценки точности результатов численных расчетов по использованным программам.

Научная новизна полученных результатов заключается в:

• применение новой методики экспериментального исследования и оценки показателей блока «последняя ступень - выходной диффузор» энергетической турбины;

• получении интегральных характеристик блока «последняя ступень - выходной диффузор» и состав полей трехмерного потока за ступенью, спроектированной по закону обратной закрутки;

• выполнение численного исследования трехмерного потока вязкой сжимаемой жидкости с использованием программы А^Ув СРХ и сравнение результатов численного и физического экспериментов.

Практическое значение полученных результатов:

• усовершенствована и практически опробована методика экспериментальной оценки выходных диффузоров, работающих совместно с предвключенной ступенью, в широком диапазоне режимов ее работы;

• экспериментально исследованы трехмерные распределения скоростей и параметров потока за ступенью, спроектированной по закону «обратной закрутки», и работающей совместно с выходным диффузором, в широком диапазоне режимов ее работы;

• показано влияние формы силовых стоек опоры заднего подшипника, расположенных в проточной части диффузора, на его эффективность в широком диапазоне работы предвключенной ступени;

• верифицирована CFD модель блока «последняя ступень - выходной диффузор».

Апробация работы:

• Политехнический симпозиум 20 мая 2010 года «Молодые ученые - промышленности северо-западного региона»

• Международный семинар по проблемам выходных диффузоров турбин «Diffuser Workshop 2010», июль 2010

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 3 статьях

Личный вклад соискателя заключается в следующем:

• участие при проектировании, изготовлении и монтаже экспериментальных моделей, частей опытного стенда ЭТ-4 и разработка схемы измерений;

• участие в проведении экспериментальных исследований в составе группы аэродинамики лаборатории им. И.И. Кириллова СПбГПУ;

• обработка и анализ полученных опытных данных по разработанной методике;

• численное исследование рассматриваемого объекта «последняя ступень - выходной диффузор и валидирование кода ANSYS CFX с помощью физического эксперимента.

Автор защищает:

• методику проведения экспериментальных исследований аэродинамических характеристик блока «последняя ступень - выходной диффузор» и методику оценки результатов экспериментальных данных;

• CFD модель блока «ступень - диффузор»;

• результаты экспериментально - расчетных исследований.

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 160 страницах, иллюстрирована 60 рисунками и содержит 5 таблиц. Диссертация состоит из введения и четырех глав, включая литературный обзор. Список цитированной литературы содержит 63 наименования.

Содержание работы.

Во введении описывается современное состояние дел по рассматриваемой проблеме и обосновывается актуальность выбранной темы, приводятся цель и задачи проведенных исследований, охарактеризованы новизна и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава содержит обзор литературы, посвященный вопросу влияния на эффективность выходного диффузора: геометрических параметры диффузора, режимных параметров потока, характера входного профиля скоростей, закрутки входящего потока и нестационарности потока, генерируемой предвключенной ступенью. Приводятся результаты экспериментальных и теоретических работ А.Е. Зарянкина, М.Е. Дейча, В.К. Мигая, Э.И. Гудкова, G. Sovran, E.D. Klomp, I Johnston, B.B. Уварова, А.Ш. Дорфмана, H.-U. Fleige, W. Riess, V. Vassiliev, D. Kluss, O. Sieker, J. Seume и др. Показано, что многочисленные данные статических продувок диффузоров не могут удовлетворить потребность в информации при создании современного высокоэффективного осевого диффузора для газовой турбины большой мощности. Это связано с тем, что при таких испытаниях не учитываются реальное поле параметров потока на

входе в диффузор, за иредвключенной ступенью, вторичные течення у концов лопаток и сложнейшая структура пограничного слоя, которые в свою очередь определяют восстановительный процесс в диффузоре. В то же время количество данных по динамическим испытаниям диффузоров, в особенности комбинированных вгулочно-конических, совершенно недостаточно.

Вторая глава содержит в себе подробное описание экспериментального стенда, опытных моделей и использованной методики проведения испытаний.

Работа выполнена на высокоскоростном экспериментальном стенде ЭТ-4 лаборатории турбиностроения им. И.И. Кириллова кафедры «Турбинные двигатели и установки» СПбГПУ. На рис.1 представлен продольный разрез стенда, с установленной на нем исследуемой экспериментальной моделью. Стенд состоит из неподвижного корпуса, смонтированном на раме-основании таким образом, что во время испытаний ось стенда остается строго неподвижной. Конструкция ротора такова, что при измерении

0 12 о

III I

е.. а.....I й г. \ \\ В

Бёэ смяк со спицам Шарсшъ V _ ш^тшш,

стоики ¡Вариант 2!

Рис. 1 - Продольный разрез стенда ЭТ-4 с установленной на нем экспериментальной моделью:

а - входной направляющий аппарат: б - направляющий аппарат; в - рабочие лопатки; г -механизм поворота НА ; д - механизм поворота кольцевого диффузора; е - гидротормоз

гидротормозом крутящего момента, взвешивается трение в подшипниках, что повышает точность определения коэффициента полезного действия ступени. Стенд обору-

дован автоматизированными системами поворота направляющего аппарата и кольцевого диффузора с силовыми стойками, благодаря чему имеется возможность производить измерение параметров потока не только вдоль радиуса, но и в окружном направлении. В качестве нагрузочного устройства используется двухкамерный гидротормоз, к которому обеспечивается бесперебойный подвод воды с постоянным напором.

Воздуходувная станция лаборатории общей мощностью 4,2 МВт, способна обеспечить расход воздуха до 20 кг/с при давлении 2,5 бара и температуре 370 К. Перед экспериментальной турбиной воздух проходит через систему фильтрации. Это необходимое условие для проведения измерений миниатюрными векторными пятиканаль-ными зондами.

В качестве объекта исследования испытывалась модель блока, выполненная в масштабе 1:6.38, включавшая последнюю (четвертую) ступень и выходной диффузор стационарной ГТУ мощностью 182 МВт и начальной температурой газа 1500 °С, работающей в составе ГПУ. Данная турбина является типовой, и изготовлена к настоящему моменту в количестве 49 шт.

Последняя ступень турбины является ступенью большой циркуляции, имеющую на номинальном режиме работы отрицательную закрутку потока (а',= 64,5°). Профилирование лопаточного аппарата НА выполнено по закону «обратной закрутки» потока. Вход в ступень так же не осевой, поэтому для обеспечения безударного входа в НА, был спрофилирован специальный входной направляющий аппарат (ВНА). На номинальном режиме работы ступени ВНА обеспечивает расчетное распределение углов потока а„ по высоте НА. Длина лопаток ВНА составляет величину 62 мм, а высота рабочей лопатки РК - 90 мм. Основные геометрические характеристики ступени приведены в таблице 1. Модель выходного диффузора рассматриваемой турбины, представляет собой комбинированный диффузор, состоящий из кольцевой и конической частей. Корневой обвод кольцевого диффузора выполнен цилиндрическим, с диаметром втулки 242мм. Кольцевая и кони-

Таблица 1 - Геометрические характеристики ступени

ВНА Направляющие лопатки Рабочие лопатки

Шш 59 59 47 '

иъ„ 3.11 2 79 9

(/ л 4.95 3.74

(1Л)С„ 0.820 0.639 0.653

„ . ческие части диффузора имеют пе-

/ аолица 2 - Геометрические характеристики

диффузора ременные по своей длине углы рас-

крытия. Общая длина модели диффузора составляет величину порядка 2000 мм, диаметр выходного сечения конического диффузора равен 900 мм. В предлагаемой работе рассматривались три варианта диффузора: без силовых стоек, с профилированными стойками и с симметричными стойками. Пять стоек располагались равномерно по окружности в кольцевом диффузоре (см. рис. 1) Основные геометрические характеристики диффузора представлены в таблице 2.

Основополагающие критерии подобия, по которым проводилось моделирование сведены в таблицу 3. Некоторые отклонения модельных критериев подобия от натурных величин не могут оказать заметного влияния на исследуемые характеристики блока. Эти отклонения главным образом объясняются ограниченными возможностями воздуходувной станции и стремлением иметь, возможно, больший масштаб моделирования.

Таблица 3 - Критерии подобия оригинала и модели

Размерность Режим

Параметр 100% нагрузка

Оригинал Модель

Число М в абсолютной системе ко-орлткп - 0.7 0.5

Число Яе диффузора - 4.1*106 1.85*106

Число Ке ступени 1.3* К)6 0.64*106

Характеристическое число и/С„ 0.502 0.5

Кинематическая степень ИШвИВшЩЯ - 0.470 0.35

Диффузор

кольцевой конический

Отношение площадей, 1/{ ¡.674 2.415

5.108

Ш, 0.575 | 3 241

4.502

/)> ««(/I : 1.212 ...

с¡2_отн 1 —

У 10.1 р искры 1 ин. 46 2(1 24 : 13"24' 8е': КГ

Для измерения полей параметров потока в сечениях 2-2 и 8-8 (рис.1) в данной работе использовались пятиканальный конический зонд ЗМ-К, разработанный в лабора-

тории турбиностроения ЛПИ В.А. Черниковым, и пятиканапьный цилиндрический зонд DAT, производства United Sensor. Все зонды были тарированы на специальном тарировочном стенде ТС-1 лаборатории.

Суть предлагаемой методики оценки эффективности блока «ступень - диффузор» заключается в сопоставлении интегральных характеристик самого блока и отдельно его компонентов. При этом важнейшим условием получения интегральных характеристик является тщательное траверсирование потока по площади за ступенью (сеч. 2-2) и на выходе из диффузора (сеч. 8-8) векторными пятиканальными зондами. Вторым важным условием является физически обоснованный метод осреднения массива экспериментальных данных в указанных сечениях. Предлагаемый метод сводится к определению среднеинтегральных величин по данным измерений трехмерного потока с использованием системы интегральных уравнений сохранения:

"1 = Р,,,-% -А= ¡p-c.-dA

ур-е сохранения массы

ур-е сохранения потока энтропии

а к

С'-1 ■ т = R ■ Jin А r'l-i

R -In

р'„, р

■ р - с. •dA

Кр 'т = I1''' Р''dA-R - Jc> • Т' ■ р ■ с. ■ dA

А А

сп ■ гг ■ m = jp ■ с. -сн • г ■ CÍA с'ш-m= jV>- c¿ • ct • dA

ур-е сохранения потока полной энтальпии

ур-е сохранения момента количества движения относительно оси г ур-е сохранения количества движения в направлении оси г

Уравнения составляются для осредненного одномерного потока, с одной стороны, и действительного трехмерного потока установившегося течения, с другой стороны. Этот подход впервые был предложен академиком Л.И. Седовым.

Случайная погрешность результатов определения КПД ступени // и КПД блока «ступень - диффузор» ?/+1) составила величину ±0,3%, а степени восстановления давления С() - величину ±2,5%. Систематическая погрешность определения ц и ц и1 обуславливается в основном систематической ошибкой измерения расхода воздуха, кото-

рое по нормам на расходомерные сопла составляет величину ±0,5%. С учетом других факторов систематическая погрешность КПД равна ±1,0... 1,1%.

Третья глава содержит результаты экспериментальных испытаний и их анализ. Па рисунке 2 и 3 представлены распределения суммарных характеристик ступени и блока «ступень - диффузор». На рис. 2 характеристики представлены для диффузора без стоек (вариант 1) и диффузора с профилированными стойками

£ 8

0.40

0.60 и/Со, |-

Рис. 2 - КПД г] ступени и КПД блока «ступень-диффузор» г} для вариантов диффузора без стоек и с профилированными стойками (вариант 2). На рис. 3 приведены характеристики для диффузора без стоек и для диффузора с симметричными (вариант 3) стойками. Применение профилированных стоек для данного блока «ступень - диффузор» оказывает отрицательное влияние на КПД ступени во всем исследованном диапазоне и/С„. КПД /7 для варианта 2 ниже на 3-4

% по сравнению с вариантом 1. При этом КПД блока 7+() для варианта 2 на номинальном режиме остается примерно на том же уровне что и для варианта 1. Сравнивая КПД г) ступени при наличии диффузора без стоек (вариант 1) и диффузора с симметричными стойками (вариант 3), можно конста-

0.80

Рис. 3 - КПД г] ступени и КПД блока «ступень-диффузор» 7+д для вариантов диффузора без стоек и с симметричными стойками

тировать, что на номинальном режиме наличие симметричных стоек слабо влияет на его величину: при наличии таких стоек КПД ступени на режиме, близком к номинальному, составляет 76% против 77% для диффузора без стоек. В то же время уровень КПД блока выше и

достигает 84%, против 82% для Рис 4 _ Относительное приращение КПД блока «сту-варианта 1. Па сниженном ре- пень - диффузор» А?/ для 3-х вариантов диффузора

жиме работы ступени (близком к 70% нагрузке ступени), при угле вы хода а'2 = 100°, КПД блока 7/+д для варианта с симметричными стойками выше на 5%, по сравнению с вариантом 1. Из рисунков 2 и 3 видно, что имеется некоторое обратное влияние стоек на КПД как самой ступени, так и прямое влияние на КПД блока. Это прослеживается по положению оптимума на представленных кривых. С точки зрения КПД ступени, для вариантов 1 и 2 оптимум находится примерно в одной зоне, \и/С0)ор1 «0.55 ч-0.57, в то время, как для варианта 3 оптимум смещается в область

(и/сД^О.б. С точки зрения

КПД блока наблюдается обратная картина. Такое расслоения между вариантами объясняется формой силовых стоек. Относительное приращение КПД А 7+д (рис. 4) варианта 2 на номинальном режиме выше, чем для варианта 1 и достигает величины 9,2%, почти столько же, как и для

и/Со, |-|

и/Со, |-|

Рис. 5 - Коэффициент восстановления давления Ср диффузора для 3-х вариантов диффузора

варианта 3. Характеристики коэффициента восстановления давления С = /(и/С0) для всех трех вариантов (рис. 5) имеют тот же характер, что и относительное приращение КПД Аг/и1 = /(н/С„) во всем исследованном диапазон е и/С0. Это иллюстрирует, что коэффициент восстановления давления диффузора на прямую влияет на эффективность всего блока в целом.

Четвертая глава содержит описание математической модели системы «ступень - диффузор» и метода ее решения при помощи коммерческого кода ANSYS CFX. В первом параграфе приводится геометрическая модель и обосновывается ее выбор. Модель состоит из 5 областей: входной направляющий аппарат (ВНА), направляющий аппарат, рабочие лопатки, диффузор, выход из диффузора. Трехмерное построение геометрии лопаточных аппаратов и выходного диффузора выполнено по чертежам экспериментальной модельной установки. В виду ограниченности компьютерных ресурсов, геометрическая модель представляет собой сектор -72° (9 лопаток ВНА, 9 лопаток НА,7 лопаток РК и сектор 72° выходного диффузора), вместо полной 360° модели (рис. 6).

Для построения расчетных сеток лопаточных аппаратов использовался сеточный генератор ANSYS TuRboGrid VIO. Для областей диффузора и выхода из диффузора -ANSYS ICEM CFD. Все сетки являются гексаэдальными, структурированными. Количество узлов в сетках выбиралось таким образом, чтобы у+ не превышал 15-20. Минимальный угол скоса ячейки во всей модели не меньше 20°, максимальное соотношение длин ребер ячеек не превышает 2000. Общее количество узлов всей расчетной модели колеблется в пределах 12-13 миллионов, в зависимости от варианта диффузора. В качестве граничных условий на входе в расчетную область задавались полные

параметры давления и температуры, принятые однородными по всей входной площади, направ ление потока — нормально плоскости входа в расчетную модель. На выходе из расчетной модели задавался расход рабочего тела. В качестве работе. 7 - Распределение углов потока по данным экспери-чего тела рассматривался мента и расчета для диффузора варианта 1

воздух с теплоемкостью и вязкостью изменяющимися в зависимости от температуры. Частота вращения ротора для каждого из режимов так же как и остальные граничные условия взяты из эксперимента. Для стыковки неподвижных областей с подвижной использовался интерфейс Frozen Rotor.

В виду ограниченности объема автореферата, на рисунках 7 и 8 представлены только результаты для диффузора вариант 1. Результаты расчетов показали удовлетворительное качественное совпадение полей параметров потока во втором сечении, с экспериментальными данными. Однако необходимо отметить, что в пристеночных

областях, где имеют место вторичные явления, протечка через радиальный зазор РК, наблюдается расхождение расчета и эксперимента (рис.7). Особенно это касается распределения углов потока, причем как в области корня, так и в области

Рис. 8 - Сопоставление экспериментальных и расчет- периферии. Данные расхо-ных значений КПД ступени и блока «ступень - диффузор» для диффузора вариант 1 ждения М0ГУТ объясняются

двумя причинами. Первая причина связана с невозможностью физически корректного моделирования вторичных течений за ступенью при решении задачи методом установления. Вторая связана с осреднением измерительным зондом параметров потока, носящих нестационарный характер. Что же касается интегральных характеристик ступени и блока, то их характер качественно так же совпадает с экспериментально определенными, однако наблюдается некоторое их завышение в расчете. Интегральные же характеристики коэффициента восстановления давления в наибольшей степени отличаются от экспериментальных. Разница достигает 20-30%. Тем не менее, эти результаты согласуются с опубликованными результатами других авторов, что свидетельствует об их достоверности.

Таким образом, можно считать, что численное моделирование объекта «ступень -диффузор» с использованием коммерческого кода СРХ вполне пригодно для поиска наиболее оптимальной компоновки, однако для точной количественной оценки требуется проверка физическим экспериментом.

Выводы

1. По экспериментальным данным, относительное увеличение КПД блока «ступень - диффузор» исследованной модели, за счет установки диффузора достигает величины 9,2%. Такое повышение эффективности блока вполне оправдывает развитую конструкцию выходного диффузора для энергетических ГТУ большой мощности.

2. Опыты показали, что применение стоек с симметричным профилем сечения в исследованном диффузоре, по сравнению с несимметричным профилем обеспечивает меньшие потери кинетической энергии как в диффузоре в целом, так и в блоке «ступень - диффузор» во всем исследованном диапазоне режимов работы ступени.

3. Эффективность исследованного комбинированного диффузора с профилированными стойками, на базовом режиме при а, « 69° характеризуется высоким коэффициентом Ср = 0,68.

4. В результате эксперимента было обнаружено, что эффективность собственно ступени на номинальном режиме снижается примерно на 3% из-за отрицательного обратного потенциального влияния силовых стоек подшипника на течение в ступени.

5. Применение CFD анализа e использованием коммерческого кода CFX для проведения качественной оценки в данном типе задач «последняя ступень - выходной диффузор» можно считать оправданным, и следует рекомендовать его для анализа конструкций при проектировании подобных устройств.

6. Расчетные поля давлений, скоростей и углов потока в сечении 2-2 за ступенью хорошо коррелируют с экспериментальными данными, за исключением пристеночных слоев, во всем исследованном диапазоне режимов работы ступени.

7. Характер интегральных характеристик ступени и блока «ступень - диффузор» совпадает с экспериментальным.

Список опубликованных работ

1. Зандер М.С., Черников В.А. Аэродинамические характеристики блока «ступень - выходной диффузор» стационарной газовой турбины при различных режимах работы // Научно-технические ведомости СПбГПУ .— СПб., 2011 .— № 2(123): Наука и образование.— С. 61-68.

2. Зандер М.С. Экспериментальные исследования газодинамики блока «турбинная ступень - осевой диффузор» // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона : материалы конференций политехнического симпозиума, 20 мая 2010 года — СПб., 2010: "Экспериментальные и теоретические исследования в области естественных и инженерных наук".— С. 31-32.

3. Смирнов Д.С., Сайченко A.C., Зандер М.С. Исследование пограничного слоя в элементах проточных частей турбомашин методом PIV // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: материалы конференций политехнического симпозиума, 20 мая 2010 года — СПб., 2010: "Экспериментальные и теоретические исследования в области естественных и инженерных наук".— С. 32-33.

4. Rassokhin V.A., Zander M.S., Semakina E.Yu., Chernikov V.A. Joint research in experimental aerodynamics of exit diffusers of turbines and stage-diffuser units performed by the subdepartment of turbine engines and plants, St.-Petersburg state polytechnical university, and the institute of turbomachinery and fluid dynamics, Leibnitz university of Hannover. СПб., 2010 — С. 141-157.

Подписано в печать 02.02.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8731b.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-5/2287

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

На правах рукописи

Зандер Михаил Сергеевич

Совершенствование аэродинамики системы «последняя ступень - выходной диффузор» газовых турбин большой мощности для комбинированных газопаровых установок

Специальность: 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., проф. Черников В.А.

Санкт-Петербург - 2012 год.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...................................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................6

1 АЭРОДИНАМИКА ДИФФУЗОРОВ ТУРБИН................................................................20

1.1 Классификация диффузоров......................................................................................20

1.2 Рабочий процесс в диффузоре...................................................................................26

1.3 Влияние геометрических параметров на характеристики диффузоров................29

1.4 Влияние режимных параметров на характеристики диффузоров..........................33

1.5 Влияние входного профиля скорости на эффективность процесса сжатия в диффузоре................................................................................................................................35

1.6 Влияние закрутки входного потока на эффективность процесса сжатия в диффузоре................................................................................................................................36

1.7 Динамические испытания выходного диффузора...................................................40

1.8 Расчет выходного диффузора CFD методами..........................................................46

2 МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ................................................52

2.1 Экспериментальный стенд.........................................................................................52

2.2 Экспериментальная модель........................................................................................57

2.3 Моделирование...........................................................................................................61

2.3.1 Геометрическое подобие...........................................................................................61

2.3.2 Кинематическое подобие..........................................................................................62

2.3.3 Динамическое подобие..............................................................................................64

2.4 Измерительные приборы............................................................................................67

2.5 Схема измерений стенда............................................................................................76

2.6 Тарировочный стенд...................................................................................................79

2.7 Автоматизированная система сбора и обработки информации.............................82

2.8 Методика обработки экспериментальных данных..................................................85

2.8.1 Интегральные характеристики.................................................................................85

2.8.2 Методика осреднения экспериментальных данных...............................................87

2.8.3 Оценка погрешности результатов измерения.........................................................92

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................94

3.1 Интегральные характеристики ступени, диффузора и блока «ступень -диффузор»................................................................................................................................94

3.2 Распределения коэффициента восстановления давления Ср вдоль диффузора.. 103

3.3 Поля параметров потока за ступенью в сечении 2-2.............................................109

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В БЛОКЕ «ПОСЛЕДНЯЯ СТУПЕНЬ - ВЫХОДНОЙ ДИФФУЗОР» ЧИСЛЕННЫМ МЕТОДОМ............................................................................И 5

4.1 Геометрическая модель............................................................................................115

4.2 Расчетные сетки........................................................................................................116

4.3 Граничные условия и модель рабочей среды.........................................................119

4.4 Исходная система уравнений и метод решения.....................................................120

4.5 Сравнение результатов численного моделирования и физического эксперимента 124

5 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ....................................................................139

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................................................................I49

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................................................................155

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А м2 площадь поперечного сечения диффузора

АЯ - степень расширения диффузора (АЯ = Авых Авх)

акр м/с критическая скорость потока

В Па давление окружающей среды

с м/с скорость в абсолютной системе координат

с Дж/кг-К удельная теплоёмкость при постоянном давлении

Ср - коэффициент восстановления давления

с Дж/кг-К удельная теплоёмкость при постоянном объёме

V

с1, I) мм диаметр диффузора

Р Н сила

/ град угол атаки

/г Дж/кг-К удельная энтальпия

н мм высота плоского диффузора

я Дж/кг-К кинетическая энергия

у - газодинамическая функция кинетической энергии

к - отношение удельных теплоёмкостей (к = ср су)

1 мм высота лопатки Ь мм длина диффузора М - число Маха

гН кг/с массовый расход

Р Па полное давление

Р Па статическое давление

Я Дж/кг-К газовая постоянная

Яе - число Рейнольдса

г м >

©(и) град, (м) I координаты цилиндрической системы г0г

2 М )

Б Дж/кг энтропия

Т К полная температура

Т К температура

и м/с окружная скорость

и с3 - характеристическое число ступени

м? м/с относительная скорость

а град угол между проекцией сш вектора скорости с потока в абсолютной системе координат на плоскость ги и положительным направлением оси и

а град угол раскрытия диффузора

Р град угол между проекцией вектора скорости ^ потока в относительной системе координат на плоскость ги и положительным направлением оси и

7 град угол подъёма поверхности тока в плоскости хг

у град угол между вектором скорости с потока и его проекцией на плоскость ги

$ * * толщина потери импульса

<Р - коэффициент расхода ступени

V - КПД. по полным параметрам потока перед ступенью

и статическому давлению за нею

^ - КПД. по полным параметрам потока перед и за ступенью

77 - эффективный КПД установки

п - Отношение давлений, газодинамическая функция

давления

Р кг/м3 плотность

р - кинематическая степень реактивности

уу - коэффициент нагрузки ступени

£ - коэффициент потерь

А - разность Индексы

0 параметры перед НА

1 параметры перед РК

2, вх параметры за РК на входе в диффузор

8, вых параметры на выходе из диффузора

О', 3, 4, 5, 6, 7 измерительные сечения

ъ осевой

' внутренний

" наружный

ср средний

г, и, г компоненты вектора скорости потока на оси г, и и г

б изоэнтропийный

Сокращения

ВНА входной направляющий аппарат

ГПУ газопаровая установка

ГТУ газотурбинная установка

КПД коэффициент полезного действия

ЛМЗ Металлический завод т.С.-Петербурга

МЭИ Московский энергетический институт

НА направляющий (сопловой) аппарат

НЗЛ Невский завод лопаток

РК рабочее колесо

СПбГПУ Санкт-Петербургский государственный политехнический

университет

Турбинные двигатели и установки

Центральный институт авиационного моторостроения computational fluid dynamics

ВВЕДЕНИЕ

Ни для кого не секрет, что основная доля электроэнергии в мире вырабатывается за счет сжигания углеводородного топлива, в основном природного газа, угля и нефтепродуктов. А наиболее распространенным объектом выработки электроэнергии являются тепловые электростанции с турбома-шинами. Исторически сложилось, что большее развитее получили электростанции с паротурбинными установками (ПТУ), к тому же с термодинамической точки зрения, имеющие более высокий уровень КПД, нежели газотурбинные установки. Газотурбинные установки (ГТУ), главным образом, в силу высокой сложности создания эффективного компрессора, развивались значительно медленнее. Однако с внедрением новых материалов и технологий ГТУ получают новый импульс своем развитии, и современные ГТУ достигают уровня КПД порядка 40-41%.

Прочее конденсационное

оборудование / /ТУ. ПГУ

,9%

ТЭЦ

32,4%

Энергоблоки

30,9%

ДЭС

0,1%

Рис. 1 — Структура установленной мощности электростанций ЕЭС России

по состоянию на 2009г [30]

В России, на сегодняшний день подавляющая часть генерирующих мощностей имеет в своей основе паротурбинные установки (рис. 1). При этом, из диаграммы видно, что порядка 65% мощностей приходятся на ПТУ работающие на углеводородном топливе (природный газ и уголь).

По данным Международного Энергетического Института, опубликованным член-корреспондентом РАН Клименко A.B., в своем докладе от 17 сентября 2011 года, на международной конференции «Эффективная генерация энергии», КПД теплоэлектростанций, работающих на угле и природном газе в России (рис. 2) составляют всего 32% и 33% соответственно.

б)

Рис. 2 - КПД теплоэлектростанций, работающих на а) угле; б) природном газе (данные МЭА)[16]

В настоящее время все большее распространение получают электростанции, имеющие в своем составе, так называемые комбинированные установки. Всевозможные варианты тепловых схем такого рода установок были подробно изучены в ведущих научных учреждениях СССР еще в 60-х годах. В результате этого анализа было установлено, что схема «газовая турбина -котел утилизатор (КУ) - паровая турбина» обладает большим термодинамическим потенциалом и наиболее проста в исполнении. Установки, основанные на этой схеме принято называть ГПУ КУ. В такой схеме основная доля вырабатываемой мощности приходится на ГТУ (около 70%). Таким образом проблема создания ГПУ КУ - это в первую очередь проблема создания высокоэффективной мощной газовой турбины. Сегодняшние технологии в области создания жаропрочных сплавов, термобарьерных покрытий и интенсивных систем охлаждения лопаточного аппарата и прочих деталей газовых турбин, позволяют создавать такого рода ГТУ. В результате, реально достигнутый КПД современных ГПУ с КУ состоящих из одной ГТУ и одной ПТУ составляет величину порядка 60% и больше при мощности электростанции около 570 МВт. На сегодняшний день такого уровня эффективности невозможно достичь ни на одной другой тепловой электростанции. На ряду с высокой термодинамической эффективностью, ГПУ так же значительно более экологичные по сравнению с сопоставимыми по мощности ПТУ. Уровень выбросов С02 у них ниже примерно на 40%.

В связи с высокими темпами развития такого направления в энергетике, как комбинированные газопаровые установки, задача создания мощных высокоэффективных стационарных ГТУ становится все более актуальной. В частности для России, где доля выработки электроэнергии приходящейся на ГПУ и ГТУ составляет всего 3% (рис. 1), вопрос создания такого рода ГТУ стоит особенно остро. Так, согласно плану модернизации Российской энергетики, основным типовым решением по модернизации газовых и угольных ТЭС должно стать унификация мощностного ряда ГПУ с использованием ГТУ мощностью 60-80 МВт, 100-130 МВт, 150-180 МВт, 270-300 МВт [30].

Рассмотрим основные особенности и характеристики мощных стационарных ГТУ класс G (Н) на примере установок ведущих мировых фирм производителей.

ГТУ 9FB фирмы General Electric (рис. 3), мощностью по 338 МВт, имеет коэффициент полезного больше 40%, а КПД комбинированного цикла с 9FB достигает величины больше 61% [51]

Рис. 3 - Газовая турбина 9FB фирмы General Electric (сверху) и ГПУ GE

Flex Efficiency* 50 на базеГТУ 9FB: а) компрессор; б) камера сгорания; в) турбина Компрессор данной ГТУ осевого типа с 3D лопаточным аппаратом имеет

всего 14 ступеней. Турбина состоит из 4-ех ступеней, рабочие лопатки 3 и 4

ступени имеют бандажное уплотнение. В трубчато-кольцевой камере сгорания используется патентованная система сжигания DLN 2.6+, позволяющая достигать минимальных выбросов NOx.

На рис. 3 представлена компоновка электростанции GE с газопаровой установкой реализованной на основании ГТУ 9FB. Из рисунка видно, что установка спроектирована по простой схеме и имеет в своем составе одну ГТУ, КУ расположенный непосредственно за ней, ПТУ и один генератор. Мощность такой станции составляет по данным фирмы величину 510 МВт. Имея такие высокие показатели эффективности, подобная станция позволит сэкономить за год до 2,6$ млн., работая по 4500 часов в год.

ГТУ SGT5-8000H (рис. 4) фирмы Siemense AG на сегодняшний день является самой мощной стационарной газотурбинной установкой в мире, ее мощность составляет 375 МВт. КПД турбоустановки по данным испытаний

составил 40%, а КПД ГПУ - 60,75% [74].

Данная ГТУ выполнена по простой схеме, компрессор турбоустановки имеет 13 ступеней, турбина - 4 ступени. В отличии от установки General electric, обандаженной является только последняя 4 ступень. Камера сгорания, как и у 9FB трубчато - кольцевая. Сгорание топлива происходит по специальной технологии ULN.

На рис. 4 представлена компоновка станции SCC-8000H, на основе обозначенной выше ГТУ. Компоновка выполнена по простой схеме «один плюс один», как и в случае с GE, непосредственно за ГТУ установлен котел утилизатор, ПТУ находится перед ГТУ, а между ними расположен генератор. По данным испытаний в г. Иршинге (Германия), мощность станции составила 578 МВт.

В отличии от конкурентов, ГТУ GT26 (рис. 5) фирмы Alstom, выполнена по более сложной схеме - с промежуточным подводом тепла. Турбина в данной установки имеет 5 ступеней, и промежуточный подвод тепла осуществляется после первой турбинной ступени. Реализация такой схемы требует

так же высокой степени сжатия в компрессоре, как следствие компрессор имеет 22 ступени. Обе камеры сгорания выполнены кольцевыми. Мощность

Рис. 4 - Газовая турбина 8СТ5-8000Н фирмы 81етете АС (сверху) и ГПУ

на базе ГТУ 8СТ5-8000Н

ГТУ составляет 289 МВт, при коэффициенте полезного действия превышающим 40% [49]. Схема одного из вариантов ГПУ выполненной на основе вТ26 представлена на рис. 9.

Мощность станции составляет величину 431 МВТ, КПД станции достигает величины 58,7%.

Рис. 5 - Газовая турбина ОТ26 фирмы АШот (сверху) и ГПУ на базе

ГТУ вТ-26

Что же касается отечественной промышленности, то к сожалению линейка мощных стационарных газовых турбин весьма скромна, и по сути сводится всего к нескольким машинам, самые мощные из них, это ГТЭ-110 производства ОАО «НПО «Сатурн» и ГТЭ-160 производства СП ООО «Интертурбо». ГТЭ-160, как известно, машина, собирающиеся по лицензии принадле-

жащей фирме Siemens AG и по сути дела является установкой SGT5-2000E (V94.2). Поэтому ГТЭ-100 является чуть ли не единственной относительно современной моделью отечественной стационарной ГТУ большой мощности.

ГТЭ-110 это авиационный двигатель, конвертированный в стационарную энергетическую установку. ГТУ оснащена трубчато-кольцевой камерой сгорания, компрессор имеет 14 ступеней, в котором достигается степень сжатия 15,6. Турбина состоит из 4 ступеней. КПД ГТУ в простом цикле составляет по величину порядка 36% [14], при мощности 116 МВт. На рис. 6 представлен продольный разрез двигателя, из которого ясно видно его авиационное происхождение, что влечет за собой низкий по сравнению с чисто стационарными ГТУ.

542«.5

Одновальная схема

Двухвальная ^ схема

1 газовая турбина ГГД-110

2 - котел утилизатор

3 - дымовая труба

4 • зона размещения питающих масосоо

высокого и низкого давления

5 • комплексное воздухоочистительное

устройство

6 - блочный щит управления

7 ■ генератор (165 МВт)

8 • генератор газовой турбины (110 МВт)

9 - паровав турбина (55 М8П

10 - генератор паровой турбины (60 МВт)

11 автоматическая обгонная рдецепная муфта

12 коробка припопов с оалоповоротным устройством

Рис. 6 - Продольный разрез ГТЭ-110 фирмы ООО «НПО «Сатурн»

Комбинированные установки ПГУ-170, ПГУ-325 и ПГУ-500 на основе ГТЭ-110 предлагаемые ООО «НПО «Сатурн» имеют КПД 52% при мощности 170 МВт, 325 МВт и 500 МВт соответственно [20]. На рис. 6 представлен план компоновка ПГУ-170 в одновальном и двухвальном исполнении.

Все описанные ГТУ и ГПУ являются на сегодняшний день новейшими установками. При этом, несмотря на различия в конструкциях, и даже в тепловых схемах в них заложенных, для всех этих турбин существуют характерные особенности. Все ГТУ, за исключением ОТ-26, имеют всего по 4 турбинных ступени, которые являются сильно нагруженными вследствие этого. Наиболее нагруженными, как правило, получаются первые и последняя ступень. Однако повышение нагрузки на последнюю ступень неминуемо ведет к высоким скоростям потока на выходе. При этом, если взять во внимание высокие расходы рабочего тела проходящие через турбину (порядка 400-800 кг/с), то получается, что на выходе из последней ступени поток обладает огромным запасом не реализованной кинетической энергией. Потеря этой энергии ведет к снижению показателей эффективности ГТУ. В этой связи выходной диффузор, устанавливаемый за последней ступенью играет крайне важную роль. Известно, что выходной диффузор является неотъем-лимым элементом стационарной газовой турбины. В нем продолжается рабочий процесс течения газа, существенно влияющий на коэффициент полезного действия и мощность ГТУ. Задача проектирования высокоэффективного диффузора для преобразования выходной кинетической энергии в потенциальную энергию сил давления, до сих пор остается довольно не простой и все более актуальной в связи с повышением единичной мощности ГТУ.

Из рис. 3, 4, 5 хорошо видно, что выходному диффузору уделяется не мало внимания