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

• Автор: Зандер, Михаил Сергеевич
• Шифр специальности: 05.04.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 160 с. : ил.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
1 АЭРОДИНАМИКА ДИФФУЗОРОВ ТУРБИН
1.1 Классификация диффузоров
1.2 Рабочий процесс в диффузоре
1.3 Влияние геометрических параметров на характеристики диффузоров
1.4 Влияние режимных параметров на характеристики диффузоров
1.5 Влияние входного профиля скорости на эффективность процесса сжатия в диффузоре
1.6 Влияние закрутки входного потока на эффективность процесса сжатия в диффузоре
1.7 Динамические испытания выходного диффузора
1.8 Расчет выходного диффузора CFD методами
2 МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Экспериментальный стенд
2.2 Экспериментальная модель
2.3 Моделирование
2.3.1 Геометрическое подобие
2.3.2 Кинематическое подобие
2.3.3 Динамическое подобие
2.4 Измерительные приборы
2.5 Схема измерений стенда
2.6 Тарировочный стенд
2.7 Автоматизированная система сбора и обработки информации
2.8 Методика обработки экспериментальных данных
2.8.1 Интегральные характеристики
2.8.2 Методика осреднения экспериментальных данных
2.8.3 Оценка погрешности результатов измерения
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Интегральные характеристики ступени, диффузора и блока «ступень -диффузор»
3.2 Распределения коэффициента восстановления давления Ср вдоль диффузора
3.3 Поля параметров потока за ступенью в сечении
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В БЛОКЕ «ПОСЛЕДНЯЯ СТУПЕНЬ - ВЫХОДНОЙ
ДИФФУЗОР» ЧИСЛЕННЫМ МЕТОДОМ
4.1 Геометрическая модель
4.2 Расчетные сетки
4.3 Граничные условия и модель рабочей среды
4.4 Исходная система уравнений и метод решения
4.5 Сравнение результатов численного моделирования и физического эксперимента
5 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Б, Б Б

&(и)

2і *

и с3

Дж/кг-К
Дж/кг-К

град
Дж/кг-К

Дж/кг-К

кг/с

Дж/кг-К

град, (м) м
Дж/кг

град
град
град
град
град
площадь поперечного сечения диффузора степень расширения диффузора (АК = Авы: критическая скорость потока

давление окружающей среды
скорость в абсолютной системе координат
удельная теплоёмкость при постоянном давлении
коэффициент восстановления давления
удельная теплоёмкость при постоянном объёме
диаметр диффузора сила
угол атаки удельная энтальпия высота плоского диффузора кинетическая энергия
газодинамическая функция кинетической энергии отношение удельных теплоёмкостей ( к = ср с„ )
высота лопатки длина диффузора число Маха массовый расход полное давление статическое давление газовая постоянная число Рейнольдса
координаты цилиндрической системы г0г энтропия
полная температура температура окружная скорость характеристическое число ступени
относительная скорость
угол между проекцией сш вектора скорости с потока в абсолютной системе координат на плоскость ги и положительным направлением оси и угол раскрытия диффузора
угол между проекцией м/2и вектора скорости щ потока в относительной системе координат на плоскость ги и положительным направлением оси и угол подъёма поверхности тока в плоскости гг угол между вектором скорости с потока и его проекцией на плоскость ги

§ * * (р

Индексы

2, вх 8, вых
О’, 3, 4, 5, 6,7 г

7, Ц, Г
Сокращения

СПбГПУ
толщина потери импульса коэффициент расхода ступени
КПД. по полным параметрам потока перед ступенью и статическому давлению за нею КПД. по полным параметрам потока перед и за ступенью
эффективный КПД установки
Отношение давлений, газодинамическая функция давления кг/м'3 плотность
кинематическая степень реактивности
коэффициент нагрузки ступени коэффициент потерь разность
параметры перед НА
параметры перед РК
параметры за РК на входе в диффузор
параметры на выходе из диффузора
измерительные сечения
осевой
внутренний
наружный
средний
компоненты вектора скорости потока на оси г, и и г изоэнтропийный
входной направляющий аппарат газопаровая установка газотурбинная установка коэффициент полезного действия
Металлический завод г.С.-Петербурга Московский энергетический институт направляющий (сопловой) аппарат Невский завод лопаток
рабочее колесо
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

1.5 Влияние входного профиля скорости на эффективность процесса
сжатия в диффузоре
Моделирование профиля скоростей на входе в диффузор является еще одним приближением к реальной картине течения. Как известно, даже если турбинная ступень спроектирована с осевым выходом потока, все равно имеется его неравномерность по высоте, обусловленная главным образом вторичными течениями у корня и периферии ступени и протечками рабочего тела через радиальный зазор рабочего колеса.
Вопросу влияния неравномерного поля скоростей на показатели диффузора посвящено достаточно большое число публикаций, например [6, 7, 8, 18, 45, 55].
В [6] для конического диффузора были рассматрены три характерных варианта профиля скоростей на входе: равномерный, выпуклый и вогнутый.
В общем случае, когда речь идет о диффузоре с умеренным углом раскрытия а = 6° -10°, неравномерный профиль на входе в диффузор всегда ведет к увеличению потерь. В случае выпуклого профиля это обусловлено большей толщиной пограничного слоя уже на входе в диффузор, что ведет к большей загромажденности потока, либо к его отрыву. Вогнутый профиль приводит к существенному увеличению потерь на трение. Это, согласно авторам [6], следует объяснять большим поперечным градиентом скоростей вдоль всего диффузора и, как следствие, увеличением турбулентных напряжений в потоке.
Если рассматривать отрывные диффузоры (по классификации авторов [6] это диффузоры с а = 15° -20°), то вогнутый профиль скорости на входе, по сравнению с равномерным, может давать некоторое снижение потерь. Это объясняется большим запасом кинетической энергии в пристеночной области, что способствует некоторому смещению точки отрыва потока вниз по течению.
Что же касается кольцевых диффузоров, то в [6] они так же рассматривались для трех вариантов входного профиля скоростей: равномерный, макси-