Совершенствование выходных диффузоров стационарных газовых турбин на основе физического эксперимента и численного моделирования

• Автор: Петросов, Константин Вадимович
• Шифр специальности: 05.04.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 183 с. : ил.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ
1 ГАЗОДИНАМИКА ВЫХОДНЫХ ДИФФУЗОРОВ ТУРБИН
1.1 Классификация 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
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ИЛЛЮСТРАЦИИ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

а*г

т* р*

к»)

и!с,

м2 площадь поперечного сечения диффузора
степень расширения диффузора (.АЯ — Авых/Авх) м/с критическая скорость потока
Па давление окружающей среды
м/с скорость в абсолютной системе координат
Дж/кг-К удельная теплоёмкость при постоянном давлении
коэффициент восстановления давления Дж/кг-К удельная теплоёмкость при постоянном объёме мм диаметр диффузора
Н сила
град угол атаки
Дж/кг-К удельная энтальпия
мм высота плоского диффузора
Дж/кг-К кинетическая энергия
газодинамическая функция кинетической энергии отношение удельных теплоёмкостей (к^Ср/Су')
мм высота лопатки
мм длина диффузора
число Маха кг/с массовый расход
Па полное давление
Па статическое давление
Дж/кг-К газовая постоянная
число Рейнольдса
м ч
град, (м) с координаты цилиндрической системы гвг м -*
Дж/кг энтропия
К полная температура
К температура
м/с окружная скорость
характеристическое число ступени м/с относительная скорость
град угол между проекцией ст вектора скорости с
потока в абсолютной системе координат на плоскость ги и положительным направлением оси и
град угол раскрытия диффузора
град угол между проекцией }^:,и вектора скорости
потока в относительной системе координат на плоскость дм и положительным направлением оси и
град угол подъёма поверхности тока в плоскости гг
• Конструкция стенда согласована с имеющейся в лаборатории турбиностроения СПбГТУ воздуходувной станцией, с установленной мощностью электрических приводов - 4.5 МВт, максимальным расходом воздуха 20 кг/с при давлении 2.5 бар, температуре 400К и расходом 12 кг/с при давлении 9 бар и температуре 380К. Частота вращения вала - до 15000 об/мин. Стенд помимо воздушной турбины и диффузора включает все необходимые вспомогательные системы:
- систему маслоснабжения подшипников роторов
- систему водообеспечения гидротормозов (1 на рис. 2.3), включающую водяной насос, аккумулирующую ёмкость, объёмом 3.0 м3, снабженную устройством строгого поддержания напора 3.8 м вод. столба, и водяной брызгальный бассейн с зеркалом водяной поверхности ~ 700 м2, устройства отвода воды от гидротормозов в бассейн
- воздуходувную станцию, состоящую из 2 центробежных компрессоров с электроприводами, общей мощностью 4.2 МВт и расходом воздуха до 16 кг/с при давлении до 2.4 бар в случае параллельной работы в сеть
- систему трубопроводов с электрозадвижками, расходомерным стандартным соплом и фильтром тонкой очистки воздуха, установленным непосредственно перед турбиной (5 на рис. 2.3)
- защитные устройства турбины и противопомпажные автоматические клапаны компрессоров
Стенд может использоваться в одновальной и двухвальной модификациях. В одновальном варианте стенд используется для исследования выходных диффузоров паровых и газовых турбин с предвключённой последней ступенью. В двухвальной модификации стенд позволяет проводить исследования переходных диффузоров с предвключённой и последующей ступенями при различной величине скольжения роторов (различных числах оборотов ступеней). В настоящем
• исследовании использовалась только одновальная схема стенда.