автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Совершенствование выходных диффузоров стационарных газовых турбин на основе физического эксперимента и численного моделирования

На правах рукописи

Петросов Константин Вадимович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВЫХОДНЫХ ДИФФУЗОРОВ СТАЦИОНАРНЫХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН НА ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность: 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" на кафедре 'Турбинные двигатели и установки"

Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Черников Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кириллов Александр Иванович

кандидат технических наук, Жуковский Георгий Валентинович

Ведущая организация: ОАО "Силовые машины" "ЛМЗ"

в Санкт-Петербурге

Защита состоится 4 октября 2005 г. в час. на заседании диссертационного совета Д 212.229.06 в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, Главное здание, ауд. По .

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ГОУ "СПбГПУ".

Автореферат разослан / сентября 2005г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

Кортиков Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние 10... 15 лет стационарное газотурбостроение получило стремительное развитие. Это связано с тем, что в указанный период в мировой практике наиболее перспективным решением для выработки электрической и тепловой энергии явилось использование комбинированных газопаровых установок (ГПУ), обладающих высокими КПД. Центральными агрегатами ГПУ являются газотурбинные установки (ГТУ) большой мощности. Создание современных, надежных и высокоэффективных ГТУ с большим ресурсом работы представляет собой важнейшее звено в новейшей концепции развития энергетической техники. Существенными резервами повышения эффективности ГТУ обладают выходные диффузоры турбин, в которых имеются необратимые потери давления.

Для создания высокоэффективных диффузоров необходимо глубокое всестороннее изучение механизма их работы и четкое представление о протекающих в них физических процессах. Несмотря на огромное количество работ, посвященных газодинамике диффузоров, исследований этих устройств с предвюпоченной турбиной совершенно недостаточно. Настоящая диссертация посвящена исследованию совместной работы выходного диффузора с предвюпоченной турбинной ступенью. В этом состоит актуальность и реальная практическая польза работы.

В диссертации используется комплексный подход к исследованиям, основывающийся на физических экспериментах и численном моделировании. Эксперимент позволяет наиболее точно отладить математическую расчетную модель, а также учесть факторы, пока недоступные для численного моделирования. Расчетный метод исследования в свою очередь позволяет охватить более широкий диапазон режимных и геометрических параметров при минимальных временных и материальных затратах.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка и апробация методики исследования выходных диффузоров турбин, базирующейся на прямых измерениях параметров трехмерного потока и численном моделировании турбулентного течения. Цель работы состоит также в том, чтобы на основе предложенной методики изучить механизм работы диффузоров современных мощных ГТУ для их последующей оптимизации.

1 '-ациональная I

, | БИБЛИОТЕКА I

Основные задачи исследования состоят в нижеследующем:

- получение экспериментальных данных по газодинамическому исследованию выходных диффузоров мощных газовых турбин с предвюпоченной турбинной ступенью;

- выбор и апробация математической расчетной модели для моделирования течения в выходных диффузорах газовых турбин;

- детальный анализ и сопоставление результатов экспериментальной и расчетной методик;

- изучение особенностей совместной работы последней ступени ГТУ и выходного диффузора.

Объектом исследования являются выходные диффузоры мощных

стационарных ГТУ.

Предмет исследования - газодинамические характеристики вязкого

турбулентного потока сжимаемого газа в проточных частях выходных диффузоров.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- предложен комбинированный метод исследования потока в выходных диффузорах турбин с входной закруткой потока, основанный на сочетании физического и численного моделирования течения. При этом граничные условия для численного моделирования (сложное пространственное распределение параметров потока на входе в диффузор) принимаются из соответствующих экспериментов;

- получены характеристики диффузоров (эффективность, неравномерность потока на выходе), работающих при наличии предвключенной турбинной ступени, с учетом сложного взаимного влияния выходного устройства и последней ступени;

- изучена структура трехмерного потока и причины изменения эффективности типичных выходных диффузоров стационарных газовых турбин в широком диапазоне режимов работы;

- показано влияние режима работы ступени турбины на неравномерность потока в выходном сечении диффузора.

Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов расчетов с

экспериментами, совпадением в сопоставимых условиях результатов настоящего

исследования с результатами других авторов.

Практическое значение полученных результатов:

- разработанная методология исследования позволяет более глубоко изучить физику процессов в выходных диффузорах 1 ТУ и на этой основе реализовать поиск оптимальной конструкции;

- выполненное в работе детальное тестирование существующих моделей турбулентности и параметров сеточных моделей позволяет рекомендовать их к использованию в расчетах диффузоров турбин;

- выявленная степень влияния режимных параметров работы ступени на эффективность выходных диффузоров показывает на необходимость ее учета в практике эксплуатации ГТУ.

Личный вклад соискателя состоит в следующем:

- участие в проектировании, монтаже опытных моделей и проведении экспериментальных исследований;

- разработка программы тарировки векторных зондов для системы автоматического сбора и обработки информации стенда ЭТ-4;

- выбор математической вычислительной модели, тестирование и выбор моделей турбулентности и параметров расчетной сетки;

- обработка и анализ данных исследования газодинамики выходных диффузоров стационарных ГТУ.

Автор защищает:

- методику проведения экспериментальных исследований выходных диффузоров турбин;

- расчетную модель выходного диффузора и разработанную на базе этой модели методику расчета;

- результаты расчетно-экспериментальных исследований.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации доложены на IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах", май 2005г.

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 8 статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, ^ глав, выводов и списка использованных источников. Общий объем диссертации составляет ßX страниц, рисунков, ¡3 таблиц, использованных источников - ^

наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведены цель и основные задачи исследований, охарактеризованы новизна, теоретическая и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе представлен обзор современного состояния вопроса по газодинамике выходных диффузоров турбин. Приведены результаты теоретических и экспериментальных работ В.К.Мигая, Э.И.Гудкова, А.Е.Зарянкина, М.Е.Дейча, Е.М.Левина, В.В. Уварова, I. Johnson, D.Kumar, K.Kumar, H.-U.Fleige, W.Riess и др. Рассмотрено влияние наиболее важных геометрических (угол раскрытия и отношение площадей входа и выхода) и режимных (закрутка потока на входе, толщина и кинетическая энергия пограничного слоя, числа Маха) параметров на эффективность выходных диффузоров. Показано, что диффузоры газовых турбин работают в условиях значительной входной неравномерности и закрутки потока. Несмотря на это в большинстве рассмотренных работ исследования проводятся с равномерным профилем скорости на входе в диффузор, что ведет к существенным погрешностям в определении реальных аэродинамических характеристик этих устройств.

Вторая глава посвящена подробному изложению методики проведения физического эксперимента.

В начале главы рассмотрены основные принципы моделирования, базирующиеся на выполнении общей теории подобия. В работе исследовался кольцевой диффузор с

4

цилиндрической втулкой в комбинации с коническим диффузором. В качестве генератора входного потока применялась модель последней четвертой ступени турбины, выполненная в масштабе 1:6.4 при точном геометрическом подобии с натурным объектом. Поскольку четвертая ступень имеет существенно неравномерную по высоте канала закрутку на входе, перед нею был установлен специально спрофилированный закручивающий аппарат, который имитировал поток, покидающий третью ступень турбины. Кольцевой диффузор имел две модификации: без силовых ребер и с пятью силовыми ребрами симметричного профиля для крепления заднего подшипникового узла.

Воафх ктурбте

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - воздуходувная станция; 2 - гидротормоз; 3 - ротор; 4 - подводящий трубопровод; 5 - воздушный фильтр; 6 - выравнивающая решетка; 7 - турбина; 8 - механизм поворота направляющего аппарата; 9 - силовые ребра; 10 - механизм поворота силовых ребер; 11 - выходной диффузор.

Выполнение кинематического и динамического подобия входящего в диффузор

потока обеспечивалось соответствующими режимами работы ступени,

позволяющими получить реальные граничные условия на входе в диффузор.

Для проведения экспериментальных исследований использовался

многофункциональный высокоскоростной опытный стенд ЭТ-4, согласованный с

воздуходувной станцией 1 (рис.1.) мощностью 4.2 МВт, обеспечивающей расход

воздуха до 20кг/с при давлении 2.5 бар и температуре 400 К. Стенд, наряду с

5

воздушной турбиной 7 и диффузором 11, включал все необходимые системы: гидротормоз, систему маслоснабжения, систему фильтрации воздуха, подводящие трубопроводы, координатные устройства и т.д.

Установка снабжена механизмами поворота направляющего аппарата ступени 8 и втулки кольцевого диффузора 10, необходимыми для выполнения измерений поля потока по шагу направляющих лопаток и силовых ребер в контрольных сечениях.

Измерение параметров трехмерного потока в работе выполнено по методике траверсирования при помощи векторных пяти канальных зондов конструкции В.А.Черникова и United Sensor, позволяющих измерять статическое, полное давление и направление потока в заданной точке пространства, а также температуру (только для зондов United Sensor). Помимо этого с целью организации измерений статического давления вблизи стенок диффузора, на втулке и на поверхности ребер предусматривались системы дренажных отверстий.

Все измерительные приборы и датчики, установленные в контрольных сечениях модели, были включены в автоматизированную систему сбора и обработки информации (АССОИ), управляемую специализированной программой "Sputnik". Наиболее важными элементами системы АССОИ являются сканеры давления типа System 9010/9015, обеспечивающие одновременное измерение вплоть до 90 каналов давления.

В главе также изложен алгоритм обработки результатов измерений и метод образования средних величин трехмерного потока.

Третья глава посвящена краткому изложению основ численного моделирования трехмерного вязкого сжимаемого потока. Для расчета потока используются осредненные по Рейнольдсу (ЯАЫв) уравнения Навье-Стокса, записанные в декартовой системе координат

dc, dp J— = — +

dt

дх, дх,

dXj дх,

dc¡ 'дх,

дх,

и уравнение неразрывности

(i)

В этих уравнениях р - плотность, t - физическое время, х, - координата в декартовой системе координат (/ = 1, 2, 3), с, - компонента вектора скорости, р -статическое давление, ц - молекулярная вязкость, - ри\ и'} - напряжения Рейнольдса.

Для замыкания системы основных уравнений (1) и (2) применяются различные модели турбулентности. В данной диссертации использовались модели k-e Standard, к-Е RNG и k-e Realizable, а также k-o Standard.

Стандартная модель к-е предполагает решение двух уравнений переноса для турбулентной кинетической энергии к и скорости ее диссипации е:

de

Р dt cbt.

dk д

у = —

dt дх, д

дк

ак)дх,-

+ Gk+Gb-pe-Ym,

+ Cle-(Gk+C3£Gb)-C2£p?j-

(3)

(4)

где Ск - определяет генерацию турбулентной кинетической энергии вследствие градиентов скорости, а - вследствие наличия сил плавучести; Ут - отражает влияние пульсационных составляющих; ок=1 и оЕ=1.3 - турбулентные числа Рг для к и е соответственно; С|8=1.44, 0^=1.92 -эмпирические константы.

Турбулентную вязкость /л1 находят из соотношения

Hi =рСи

(5)

где См =0.09.

Для моделирования потока вблизи твердых стенок в работе использовалась модель пристенных функций, представляющих собой набор полуэмпирических формул, связывающих параметры в ближайшей к стенке ячейке и на стенке. Здесь для определения средней скорости применяется логарифмический закон

с =}ln(£/), к

1/ 1/ V V.

с С/4к/2 оС/4к/г\

* _ ^Р^Р Р * Р УР ъ т, с

где с = —- —, у =--——, Л - число Кармана, Е - константа, с_ -

средняя скорость потока в точке Р, кр - турбулентная кинетическая энергия потока в точке Р, ур - расстояние от точки Р до ближайшей стенки, /л - молекулярная вязкость.

Использование пристенных функций накладывает ряд ограничений на параметры расчетной сетки. В частности безразмерное расстояние от стенки до ближайших к стенке узлов у+ = рсу!ц должно лежать в диапазоне 10...100.

Четвертая глава посвящена анализу течения в диффузорах на основе результатов физических экспериментов и численного моделирования.

На рис. 2а представлена полученная в опытах зависимость коэффициента восстановления давления Ср диффузора без силовых ребер от величины закрутки и массового расхода входящего потока. Наибольшей эффективности диффузор достигает при входящем потоке, обладающем небольшой (5...7°) положительной закруткой. С уменьшением расхода максимум эффективности устройства еще больше смещается в сторону положительной закрутки.

Как видно из рис. 2а, существует сильная зависимость эффективности диффузора от конструктивных особенностей ступени и режима ее работы. Показано, что при закрутке основного потока на 20° (угол входа потока а2 =70°) в периферийных сечениях, вследствие сильного влияния протечек рабочего тела в щелевом зазоре между ротором и статором, поток получается близким к осевому. Незначительная закрутка потока оказывается недостаточной для безотрывного преодоления положительного градиента давления в диффузоре, и поток отрывается от периферийной поверхности. Это является причиной существенного падения эффективности диффузора, расположенного за рабочим колесом.

При большой отрицательной закрутке потока (а2 <60°) результирующий поток вблизи периферии обладает значительной тангенциальной составляющей скорости, и вероятность отрыва потока от стенок диффузора невелика.

В случае же большой положительной закрутки на входе («2 51100°) происходит постепенное смещение ядра потока в направлении от корня к периферии, что вызывает отрыв у корня за ступенью. Причем интенсивность отрыва такова, что падение эффективности диффузора идет заметно быстрее, чем в случае изменения угла а2 в диапазоне 90.. .70°.

Установка силовых ребер симметричного профиля в кольцевом диффузоре не оказывает существенного влияния на эффективность работы устройства в исследованном диапазоне режимов (рис. 26). Наличие ребер, однако, приводит к некоторому снижению интенсивности флуктуаций параметров потока в радиальном направлении и на некоторых режимах значение Ср возрастает на 1...3%. Кроме этого в диффузоре с ребрами происходит небольшое увеличение закрутки потока вблизи периферии на неблагоприятном режиме а2 « 70°, что снижает вероятность появления отрывов.

о т=5 0 кг/с д т=10.0 кг/с

130

О т=7 5 кг/с о т=12.0 кг/с

085 08 0.75 0.7 0 65 06 055 0.5 0.45 04

/а

с чУ

---- _

- . а - [град] -

50

70

90

а т=7.5 кг/с □ т=11 0 кг/с о т=14 5 кг/с

110

130

а)

б)

Рис. 2. Зависимость коэффициента восстановления давления в диффузоре от величины закрутки потока на входе: а) конструкция без ребер; б) конструкция с силовыми ребрами

На рис. 3 представлено распределение коэффициентов восстановления по оси

диффузора. На этом рисунке также приведена кривая, отражающая

9

восстановительные характеристики идеального диффузора Наибольший вклад в процесс преобразования кинетической энергии в работу сил давления вносит кольцевой диффузор. На выходе из конического диффузора прирост Ср становится

незначительным вследствие появления отрывных зон, что подтверждается полями чисел Маха и углов потока, полученными в результате траверсирования.

0.8 07 06 05 0.4 0.3 0.2 0.1 0

В работе показано, что установка ребер приводит к локальному падению Ср в области выхода из кольцевого диффузора на всех исследованных режимах работы ступени. Этот эффект связан с появлением больших углов атаки при обтекании ребер в корневых и периферийных сечениях с последующими отрывами потока.

Траверсирование потока, выполненное в выходном сечении диффузора, позволило получить сведения относительно неравномерности выходного профиля скорости. Показано, что коэффициент неравномерности, определяемый по формуле

Дс,

где с - среднее по сечению значение полной скорости, Ас, = с, - с - размах -разность между значением полной скорости на / радиусе и средней скоростью, весьма сильно зависит от режима работы ступени (рис. 4). При увеличении угла закрутки всего на 10° происходит значительное изменение структуры течения в выходном сечении диффузора.

Рис. 3. Распределение коэффициентов восстановления давления по длине диффузора с ребрами на режиме 100% нагрузки

Результаты опытов позволяют говорить о том, что для ГПУ, имеющих в своем составе котел-утилизатор, целесообразна совместная оптимизация системы "последняя ступень турбины - диффузор - котел-утилизатор".

Во второй части четвертой главы рассматриваются основные особенности постановки численного моделирования течения в диффузорах при помощи коммерческого кода Fluent и основные результаты расчета. Для построения твердотельных моделей диффузоров использовался пакет Unigraphics. Сеточные модели выполнены в препроцессоре Turbo Gambit для секторов диффузоров шириной в 12° (в соответствие с шагом силовых ребер). Сетка трехмерная гексаэдральная (рис. 5). С целью оценки влияния размерности сеточной модели на точность получаемого решения размерность сетки варьировалась от 300 до 500 тыс. узлов, что соответствовало изменению параметра у+ в диапазоне от 10 до 300.

На входе и выходе из диффузора принимались граничные условия, полученные в ходе физических экспериментов. Поток принимался стационарным, сжимаемым, неизотермичным. Численное моделирование выполнялось с использованием моделей турбулентности k-e Standard к-£ Realizable к-е RNG к-со Standard.

Расчеты проводились на 16-процессорном кластере (CPU 64-bit AMD Opteron) под управлением ОС Linux в Центре Высокопроизводительных Вычислительных Кластерных Технологий СПбГГГУ

Сопоставление результатов численного моделирования и физических экспериментов (рис. 7) показало хорошее количественное совпадение интегральных показателей: расхождения расчетных и опытных коэффициентов восстановления давления не превышают 3.5% (для моделей турбулентности типа 1с-е). Модель турбулентности k-co Standard приводит к значительным погрешностям в определении Ср диффузоров, при этом отклонения от опытных данных достигают 6%.

Проведенный в работе анализ распределений локальных параметров (рис.8) позволяет говорить об удовлетворительном качественном соответствии результатов опытов и расчетов. Предельные отклонения локальных расчетных и опытных значений давления не превышают 1.5%. Однако углы потока, определенные на основе расчетной методики, отличаются заметными расхождениями с данными экспериментов (максимальные погрешности по углам в наиболее неблагоприятных сечениях составляют 15...20°). Погрешности расчетной методики в данном случае следует, по-видимому, объяснять наличием в выходных диффузорах турбин крупномасштабной турбулентности потока, требующей нестационарной постановки

Рис. 5. Сеточная модель выходного диффузора

Рис. 6. Распределение расчетных коэффициентов восстановления давления

задачи. Наиболее точно распределение локальных параметров удается предсказать при использовании моделей к- £ Standard и Realizable, а также сетки, характеризуемой безразмерным расстоянием до стенок у+=10... 100.

На основе разработанной математической модели исследованы особенности обтекания силовых ребер и втулки кольцевого диффузора (рис. 9), а также влияние наличия турбинной ступени на характеристики выходных устройств. Показано, что при отсутствии примененной в данных опытах турбинной ступени, восстановительные характеристики диффузоров оказываются заниженными на 7...10%.

08 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 01 0

02

04

0.6

08

X Результаты траверсирования

-•—Расчет, модель

турбулентности k-e Standard, v+»100..300 -♦—Расчет, модель

турбулентности k-e Standard, v+=10 100 -о—Расчет, модель

турбулентности k-e Realizable, »+•10.100 -о—Расчет, модель

турбулентности k-w Standard, v+=10 .100 i Расчет, модель

Рис. 7. Сопоставление расчетных и экспериментальных коэффициентов восстановления давления по длине диффузора (вариант с ребрами)

• Результат траверсирования ■ Расчет, модель турбулентности k-e Standard, y-»=1QD ЭШ

—А— Расчет, модель турбулентности k-e Realizable у+=100 300 —•— Расчет, модель турбулентности k-e Standard. jr+=10 100 —о—Расчет модель турбулентности k е Realizable у-н=1П 1Ш Расчет, модель турбулентности к w Standard. у-к=10 100

0.95 0.97 0.99 1.01 1.03 1.05 Нормированные статическое и полное давление

1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 04 03 0.2 0.1 0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 Об [град]

Рис. 8. Сопоставление результатов расчетов и экспериментов в сечении за силовыми ребрами

Рис. 9. Распределение чисел Маха на поверхности ребра и визуализация отрыва потока

вблизи периферии

ВЫВОДЫ

1. В результате выполненных исследований показано, что применение в современных мощных 1 ТУ высокоэффективных выходных диффузоров позволяет существенно повысить КПД всей установки. С увеличением мощности ГТУ выигрыш в КПД возрастает. Например, увеличение коэффициента восстановления давления диффузора ГТУ У84.3А на 10% приводит к приросту эффективного КПД установки приблизительно на 2.5%, а для ГТУ НК-16 в аналогичных условиях выигрыш составляет 4%.

2. Анализ рабочего процесса в выходных диффузорах показал, что эти устройства работают в условиях значительной пространственной неравномерности входящего потока, зависящей от конструктивных особенностей последней ступени турбины и режима ее работы. В проведенных исследованиях коэффициент неравномерности X на входе в диффузор достигал 0.35. Поэтому экспериментальные исследования диффузоров целесообразно проводить только при наличии предвключенной ступени.

3. Траверсирование потока позволило установить механизм работы выходных диффузоров ГТУ, обладающих входной закруткой потока. Показано, что отрыв потока в диффузорах может определяться вторичными течениями, возникающими при обтекании лопаток рабочего колеса последней ступени, сложным взаимном влиянием ступени и силовых ребер, а также смещением ядра потока в направлении к периферийной поверхности на некоторых режимах работы.

4. Установка в кольцевом диффузоре силовых ребер симметричного профиля оказывает несущественное влияние на восстановительные свойства выходного устройства, характеризуемые коэффициентом восстановления давления Ср, при

изменении угла а2 от 60 до 110°.

5. Поле скорости потока в выходном сечении диффузора с силовыми ребрами обладает большой пространственной неравномерностью, зависящей от режима работы ступени турбины. Изменение закрутки входящего потока на 10° приводит к изменению коэффициентов неравномерности % на выходе из диффузора в периферийных и корневых сечениях на 80%.

6. Выполненный в работе комплекс экспериментальных исследований трехмерного неравномерного потока в диффузорах, обладающих входной закруткой, позволил уточнить и протестировать математическую модель для численного моделирования с использование коммерческого кода Fluent.

7. Предложенная математическая модель может использоваться для качественного анализа структуры потока и для оценки эффективности диффузоров. Использованные в ходе численных расчетов модели турбулентности семейства k-s и сетки с параметром у+=10..100 позволяют предсказать значения коэффициентов восстановления давления в диффузоре с точностью до 2.5...3.5%. В то же время наличие в трактах выходных диффузоров ГТУ крупномасштабной турбулентности дает основание для перехода к нестационарной постановке задачи.

8. В работе установлено, что только в сочетании экспериментальных исследований и численного моделирования могут быть получены надежные результаты с достаточной для практики точностью, необходимые при конструировании высокоэффективных выходных диффузоров современных мощных газовых турбин.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Петросов К.В., Кортиков H.H. Влияние входной неравномерности на пространственное течение в криволинейных каналах // Труды XIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И Леонтьева. - Москва, 2001. - С.387-390.

2. Петросов К.В. Численное моделирование турбулентного течения и внешней теплоотдачи высоконагруженных лопаток газовых турбин // Труды V Международной конференции "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения": Тез. докл. -СПб, 2003. Т. 2. - С.414-416.

3. Петросов К.В., Скворцов A.B. Газодинамический расчет осевого трансзвукового компрессора в Star-CD // Сборник трудов четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH. - Москва, 2004. - С.237-241.

4. Петросов К.В., Скворцов A.B. Определение предпомпажных явлений в дозвуковом компрессоре на базе трехмерных расчетов в Star-CD // Сборник трудов четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH. -Москва, 2004. - С.242-246.

5. Петросов К.В., Скворцов A.B. Применение трехмерного пакета Star-CD для доводки многоступенчатых компрессоров на стадии проектирования // Компрессорная техника и пневматика. - 2004., №5. - С.23-26.

6. Кортиков H.H., Кузнецов Н.Б., Петросов К.В., Якунин А.И. Численное моделирование пространственных характеристик турбинной ступени: CFD-анализ // Сборник трудов XXIV российской школы по проблемам науки и технологий. -Екатеринбург, 2004. - С.203-213.

7. neipocoB К.В., Черников В.А. К вопросу об оценке роли выходного диффузора турбины в повышении эффективности современных ГТУ // Сборник трудов 50-й научно-технической сессии по проблемам газовых турбин. - Уфа, 2004. - С.96-98,

8. Петросов К.В., Черников В.А. Численное исследование газодинамики выходных диффузоров турбин при помощи пакета FLUENT // Материалы IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах": Тез. докл. - СПб, 2005. - С.261-262.

Директор Издательства Политехнического университета AB. Иванов

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Налоговая льгота - Общероссийский классификатор продукции ОК 005-93, т. 2; 95 3005 - учебная литература

Подписано в печать 18.07.2005. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100. Заказ 24Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом Типографском Центре Издательства Политехнического

университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

#15463

РНБ Русский фонд

2006-4 13290

ВВЕДЕНИЕ.

1 ГАЗОДИНАМИКА ВЫХОДНЫХ ДИФФУЗОРОВ ТУРБИН.

1.1 Классифинация диффузоров.

1.2 Газодинамические характеристики выходных диффузоров.

1.3 Влияние геометрических параметров на характеристики диффузоров.

1.4 Влияние режимных параметров на характеристики диффузоров.

1.5 Влияние входного профиля скорости на характеристики диффузоров.

1.6 Влияние закрутки входного потока на характеристики диффузоров.

1.7 Совместная работа диффузора и ступени турбомашины.

2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Построение модели турбомашины.

2.1.1 Геометрическое подобие.

2.1.2 Кинематическое подобие.

2.1.3 Динамическое подобие.

2.2 Опытный стенд.

2.3 Конструктивные особенности модели "ступень-диффузор".

2.4 Система сбора и обработки информации.

2.5 Векторные пятиканальные зонды: конструкция, характеристики.

2.6 Обработка результатов экспериментов.

2.6.1 Определение расхода рабочего тела.

2.6.2 Методология осреднения результатов траверсирования.

2.6.3 Определение коэффициента восстановления давления.

2.7 Оценка погрешностей результатов экспериментов.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

3.1 Основные уравнения газовой динамики.

3.1.1 Уравнения сохранения массы.

3.1.2 Уравнение энергии.

3.1.3 Уравнения Навье-Стокса.

3.1.4 Модель сжимаемой жидкости.

3.2 Метод контрольных объемов.

3.3 Моделирование турбулентного потока.

3.4 Моделирование потока вблизи твердых стенок.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1 Результаты физических экспериментов.

4.1.1 Исследование влияния режима работы ступени на эффективность диффузора.

4.1.2 Влияние силовых ребер на течение в диффузоре.

4.1.3 Оценка неравномерности потока на выходе из диффузора.

4.2 Численное моделирование потока в диффузорах турбомашин.

4.2.1 Расчетная модель.

4.2.2 Сравнение результатов расчетов и физических экспериментов.

4.2.3 Исследование обтекания симметричных ребер и их влияния на структуру течения в диффузоре на основе численного моделирования.

4.2.4 Исследование влияния турбинной ступени на характеристики диффузора на основе численного моделирования.

Актуальность темы. В последние 10.15 лет стационарное газотурбостроение получило стремительное развитие. Это связано с тем, что в указанный период в мировой практике наиболее перспективным решением для выработки электрической и тепловой энергии явилось использование комбинированных газопаровых установок (ГПУ). Для существенного повышения эффективности энергетического оборудования электрических станций при нынешнем состоянии технологии в энергомашиностроении стала возможной широкая практическая реализация комбинированного цикла с применением газотурбинной и паротурбинной установок. Коэффициент полезного действия таких установок достигает высоких значений по сравнению с другими типами тепловых станций, работающих на органическом топливе (рис. 1 [55]). Центральными агрегатами ГПУ являются газотурбинные установки (ГТУ) большой мощности. Создание современных, надежных и высокоэффективных ГТУ с большим ресурсом работы представляет собой важнейшее звено в новейшей концепции развития энергетической техники. Достигнутая в настоящее время высокая степень совершенства лопаточного аппарата ГТУ не оставляет значительных резервов для дальнейшего увеличение КПД. В то же время выходные диффузоры и тракты, в которых имеются необратимые потери давления, характеризуются значительными резервами повышения эффективности.

Широко применяемой аэродинамической характеристикой эффективности выходных устройств, является коэффициент восстановления давления, который определяют из соотношения

65 7.г.

КПД,% I ^^^^ консервативный прогноз

55--------1

50--------

45--/------

40 -I-------1

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Год ввода ГПУ в эксплуатацию

Рис. 1. Рост эффективности ГПУ за последние 25 лет и дальнейшие перспективы развития [55]

Для оценки степени влияния Ср на характеристики современных ГТУ с учетом всех факторов, оказывающих воздействие на эффективность теплового цикла, в рамках настоящей работы были рассмотрены две энергетические установки: ГТУ V84.3A(2) [39] и ГТУ НК-16. Тестовые расчеты режимов работы установок проводились при помощи программы GTP [30], разработанной на кафедре "Турбинные двигатели и установки" (ТДУ) СПбГПУ. кпд.% оптимис прог . тичный НОЗ консерватиЕ прогноз !НЫЙ <

X X 1 / /

Jp & /

Таблица 1. Зависимость эффективности ГТУ от коэффициента восстановления давления в диффузоре

Ср Tie

ГТУ V84.3A(2)

0 0.298

0.2 0.312

0.4 0.325

0.6 0.338

0.8 0.351

0.968 0.363

ПУ НК-16

0.2 0.214

0.4 0.236

0.6 0.252

0.8 0.265

0.968 0.274

Ср

ГТУ VB4.3A(2) —А—ГТУ НК-16

Рис. 2. Зависимость эффективности ГТУ от коэффициента восстановления давления в диффузоре

В табл. 1 представлены зависимости эффективности установок (эффективный КПД) от степени восстановления давления, полученные расчетным путем по программе GTP, а на рис. 2 приведена их графическая интерпретация.

Можно отметить практически линейный характер зависимостей т]е = /(Ся). Увеличение Ср для ГТУ V84.3A на 10% приводит к приросту rje приблизительно на 2.5%. Для установки ГТУ НК-16 выигрыш от использования диффузора еще больше. Здесь при возрастании Ср на 10% прирост rje составляет приблизительно 4%.

Аналогичные оценки влияния восстановительной эффективности выходного диффузора на характеристики ГТУ выполнены в работе [52], где показано, что эффективность установки линейно возрастает с увеличением коэффициента восстановления давления.

Полученные результаты убедительно доказывают необходимость применения в мощных ГТУ высоко эффективных диффузоров с максимально достижимыми восстановительными характеристиками. Создание таких диффузоров невозможно без глубокого всестороннего изучения механизма их работы и четкого представления протекающих в них физических процессов. Несмотря на огромное количество работ, посвященных газодинамике диффузоров, исследований этих устройств с предвключенной турбиной совершенно недостаточно. Настоящая диссертация посвящена исследованию совместной работы выходного диффузора и предвключенной турбинной ступени. Этим объясняется актуальность и реальная практическая польза работы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка и апробация методики исследования выходных диффузоров турбин, базирующейся на прямых измерениях параметров трехмерного потока и численном моделировании турбулентного течения. Цель работы состоит также в том, чтобы на основе предложенной методики изучить механизм работы диффузоров современных мощных ГТУ для их последующей оптимизации.

Основные задачи исследования состоят в нижеследующем:

- получение экспериментальных данных по газодинамическому исследованию выходных диффузоров мощных газовых турбин с предвключенной турбинной ступенью;

- выбор и апробация математической расчетной модели для моделирования течения в выходных диффузорах газовых турбин;

- детальный анализ и сопоставление результатов экспериментальной и расчетной методик;

- изучение особенностей совместной работы последней ступени ГТУ и выходного диффузора.

Объектом исследования являются выходные диффузоры мощных стационарных ГТУ.

Предмет исследования - газодинамические характеристики вязкого турбулентного потока сжимаемого газа в проточных частях выходных диффузоров.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- предложен комбинированный метод исследования потока в выходных диффузорах турбин с входной закруткой потока, основанный на сочетании физического и численного моделирования течения. При этом граничные условия для численного моделирования (сложное пространственное распределение параметров потока на входе в диффузор) принимаются из соответствующих экспериментов;

- получены характеристики диффузоров (эффективность, неравномерность потока на выходе), работающих при наличии предвключенной турбинной ступени, с учетом сложного взаимного влияния выходного устройства и последней ступени;

- изучена структура трехмерного потока и причины изменения эффективности типичных выходных диффузоров стационарных газовых турбин в широком диапазоне режимов работы;

- показано влияние режима работы ступени турбины на неравномерность потока в выходном сечении диффузора.

Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов расчетов с экспериментами, совпадением в сопоставимых условиях результатов настоящего исследования с результатами других авторов. Практическое значение полученных результатов:

- разработанная методология исследования позволяет более глубоко изучить физику процессов в выходных диффузорах ГТУ и на этой основе реализовать поиск оптимальной конструкции;

- выполненное в работе детальное тестирование существующих моделей турбулентности и параметров сеточных моделей позволяет рекомендовать их к использованию в расчетах диффузоров турбин;

- выявленная степень влияния режимных параметров работы ступени на эффективность выходных диффузоров показывает на необходимость ее учета в практике эксплуатации ГТУ.

Личный вклад соискателя состоит в следующем: ~ участие в проектировании, монтаже опытных моделей и проведении экспериментальных исследований;

- разработка программы тарировки векторных зондов для системы автоматического сбора и обработки информации стенда ЭТ-4;

- выбор математической вычислительной модели, тестирование и выбор моделей турбулентности и параметров расчетной сетки;

- обработка и анализ данных исследования газодинамики выходных диффузоров стационарных ГТУ.

Автор защищает:

- методику проведения экспериментальных исследований выходных диффузоров турбин;

- расчетную модель выходного диффузора и разработанную на базе этой модели методику расчета;

- результаты расчетно-экспериментапьных исследований.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации доложены на IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах", май 2005г.

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 8 статьях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Достигнутые на сегодняшний день восстановительные характеристики выходных диффузоров мощных энергетических ГТУ на режиме номинальной нагрузки составляют 60.65%. Дальнейшее повышение эффективности выходных устройств является чрезвычайно важной и актуальной для промышленности задачей, требующей тщательного изучения механизма их работы и физики процессов, имеющих место в проточных частях диффузоров и газовых турбин. Для выполнения указанных задач требуются новые подходы к исследованию трехмерного потока. При этом важно помнить, что особенности функционирования диффузоров ГТУ делают невозможной оптимизацию этих устройств в отрыве от остальной установки. Необходимо решение комплексной задачи оптимизации, в которой рассматривается газовая турбина и выходной диффузор, а в случае ГПУ, еще и котел-утилизатор. По этой причине в данной диссертации исследования выходных диффузоров проводились только при наличии предвключенной ступени турбины, позволяющей наиболее точно смоделировать реальные входные граничные условия для диффузора, а также учесть сложное взаимное влияние ступени и выходного устройства.

Реализованный в работе подход, сочетающий экспериментальное исследование и численное моделирование, позволяет более глубоко изучить характер течения в выходных диффузорах турбин. Проведенные по методике траверсирования измерения трехмерного потока предоставляют достаточный объем информации, позволяющей наметить пути дальнейшей оптимизации проточных частей установок. Выполненное в работе численное CFD-моделирование дополняет физические эксперименты и значительно расширяет возможности исследования.

Следующим этапом развития методики исследований следует считать переход к изучению нестационарных явлений в диффузорах. Этот необычайно важный и сложный вопрос потребует применения нового измерительного оборудования, например, такого как лазерные лучи LDV [78], [48], [49]. Полученные в ходе таких экспериментов результаты в последствии могут быть использованы в качестве граничных условий для численного моделирования нестационарных задач.

Сформулируем основные научные и практические результаы выполненной работы:

1. В результате выполненных исследований показано, что применение в современных мощных ГТУ высокоэффективных выходных диффузоров позволяет существенно повысить КПД всей установки. С увеличением мощности ГТУ выигрыш в КПД возрастает. Например, увеличение коэффициента восстановления давления диффузора ГТУ V84.3A на 10% приводит к приросту эффективного КПД установки приблизительно на 2.5%, а для ГТУ НК-16 в аналогичных условиях выигрыш составляет 4%.

2. Анализ рабочего процесса в выходных диффузорах показал, что эти устройства работают в условиях значительной пространственной неравномерности входящего потока, зависящей от конструктивных особенностей последней ступени турбины и режима ее работы. В проведенных исследованиях коэффициент неравномерности х на входе в диффузор достигал 0.35. Поэтому экспериментальные исследования диффузоров целесообразно проводить только при наличии предвключенной ступени.

3. Траверсирование потока позволило установить механизм работы выходных диффузоров ГТУ, обладающих входной закруткой потока. Показано, что отрыв потока в диффузорах может определяться вторичными течениями, возникающими при обтекании лопаток рабочего колеса последней ступени, сложным взаимным влиянием ступени и силовых ребер, а также смещением ядра потока в направлении к периферийной поверхности на некоторых режимах работы.

4. Применение в кольцевом диффузоре силовых ребер симметричного профиля оказывает несущественное влияние на восстановительные свойства выходного устройства, характеризуемые коэффициентом восстановления давления Ср, при изменении угла а2 от 60 до 110°.

5. Поле скорости потока в выходном сечении диффузора с силовыми ребрами обладает большой пространственной неравномерностью, зависящей от режима работы ступени турбины. Изменение закрутки входящего потока на 10° приводит к изменению коэффициентов неравномерности х на выходе из диффузора в периферийных и корневых сечениях на 80%.

6. Выполненный в работе комплекс экспериментальных исследований трехмерного неравномерного потока в диффузорах, обладающих входной закруткой, позволил уточнить и протестировать математическую модель для численного моделирования с использование коммерческого кода Fluent.

7. Предложенная математическая модель может использоваться для качественного анализа структуры потока и для оценки эффективности диффузоров. Использованные в ходе численных расчетов модели турбулентности семейства k-s и сетки с параметром у1"=10.100 позволяют предсказать значения коэффициентов восстановления давления в диффузоре с точностью до 2.5.3.5%. В то же время наличие в трактах выходных диффузоров ГТУ крупномасштабной турбулентности дает основание для перехода к нестационарной постановке задачи.

8. В работе установлено, что только в сочетании экспериментальных исследований и численного моделирования могут быть получены надежные результаты с достаточной для практики точностью, необходимые при конструировании высокоэффективных выходных диффузоров современных мощных газовых турбин.

1. Афанасьева Н.Н, Бусурин В.Н., Гоголев И.Г. и др.; Под общ. ред. В.А. Черникова. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1980. -263с., ил.

2. Веревкин Н.Н., Лашков Л.О. О способах уменьшения потерь давления в диффузорах с большими углами раскрытия // Промышленная аэродинамика. 1956, вып. 7.

3. Воинов А.П., Зайцев В.А., Куперман Л.И., Сидельковский Л.Н. Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты. Под ред. Л.Н. Сидельковского. -М.: Энергоатомиздат, 1989. 272с.: ил.

4. Вольф, Джонсон. Влияние неравномерности входного профиля скоростей на режимы течения и характеристики плоских диффузоров. Пер. с англ. // Тр. амер. об-ва инж.-мех. Теоретические основы инж. расчетов 1969, №3. - С. 141-156.

5. Врублевская В.А., К вопросу о влиянии турбулентности внешнего потока на турбулентный пограничный слой // Изв. вузов, "Энергетика" -1960, №7.

6. Газотурбинные установки: Атлас конструкций и схем/ Под ред. Л.А. Шубенко-Шубина. М.: Машиностроение, 1976. - 164с.

7. Галаев С.А. Опыт использования программного комплекса SINF для расчета обтекания и профильных потерь в турбинных решетках.// Краткое сообщение, СПбГТУ. Зс.

8. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения (методы и приборы). М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1964г. - 720с., ил.

9. Гудков Э.И., Басов В.А., Ласенко К.М. Аэродинамическое исследование выхлопного патрубка газовой турбины с имитацией реальных условий потока на входе. // Краткое сообщение. 8с.

10. Гукасова Е.А., Жуковский М.И., Завадовский A.M., Зысина-Моложен Л.М., Скнарь И.А., Тырышкин В.Г., Аэродинамическое совершенствование лопаточных аппаратов паровых и газовых турбин. -Госэнергоиздат, 1960.

11. Гуревич Д.В, Экспериментальное исследование диффузорных выпускных трактов вертолетных ТВД. Сб. "Силовые установки вертолетов". Оборонгиз, 1959.

12. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Исследование ступеней турбин с кольцевыми диффузорами // Теплоэнергетика. 1963, №10.

13. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. М.: "Энергия", 1970 - 384с., ил.

14. Довжик С.А., Морозов А.И. Исследование кольцевых диффузоров осевых турбомашин. Промышленная аэродинамика, 1961, вып. 20.15