автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему: Повышение эффективности входных трактов, ступеней и выходных диффузоров стационарных газовых турбин для комбинированных газопаровых установок

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности входных трактов, ступеней и выходных диффузоров стационарных газовых турбин для комбинированных газопаровых установок"

Черников Виктор Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВХОДНЫХ ТРАКТОВ, СТУПЕНЕЙ И ВЫХОДНЫХ ДИФФУЗОРОВ СТАЦИОНАРНЫХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН ДЛЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ГАЗОПАРОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

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

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Рассохин В.А. Официальные оппоненты:

Зарянкин Аркадий Ефимович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО МЭИ, кафедра «Паровые и газовые турбины», Москва, профессор

Тихомиров Борис Александрович, доктор технических наук, профессор, ГОУ ВПО СПбМТУ, кафедра «Судовые турбины и турбинные установки», С.-Петербург, профессор

Михайлов Владимир Евгеньевич, доктор технических наук, ОАО «НПО ЦКТИ», С.-Петербург, генеральный директор.

ЗАО «РЭП Холдинг», Санкт-Петербург

Защита состоится « 19 » февраля 2013 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.06, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, главное здание, ауд. 118. Л

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан « »декабря 2012 г.

Талалов Виктор Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальности проблемы. В Российской Федерации на базе комбинированных и газотурбинных станций вырабатывается лишь около 2,9% общего объёма электроэнергии. К тому же оборудование теплоэлектростанций в России, которое в начале 21-го века более чем наполовину выработало свой ресурс, требует замены его на современную технику. В этих условиях ускоренное внедрение комбинированных газопаровых установок в электроэнергетику является неотложной и важной проблемой, которая по экономическим и экологическим причинам не имеет альтернативного решения для ТЭС, работающих на органическом топливе.

В связи с тем, что 85% введённых мощностей комбинированных газопаровых установок работают по тепловой схеме с котлом-утилизатором, важнейшим агрегатом в которой является газовая турбина, то создание высокоэкономичной энергетической газотурбинной установки большой мощности является актуальной проблемой. Аэродинамическое совершенствование проточной части газотурбинных установок нового типа для комбинированных ГПУ является одной из центральных задач в ряду большого числа существующих проблем.

Актуальность темы диссертации определяется необходимостью разработать обобщённые рекомендации, направления и методы проектирования проточных частей важных элементов энергетических ГТУ на основе комплексного изучения физических процессов их работы экспериментальными, численными и теоретическими методами с целью достижения высоких и надёжных показателей их аэродинамической эффективности.

Цель работы. Разработать методы и рекомендации, основанные на обобщении полученных в работе результатов, для проектирования проточных частей входных трактов (ВХТ), высоконагруженных ступеней большой циркуляции и выходных систем последняя ступень-диффузор газовых турбин стационарных ГТУ большой единичной мощности, предназначенных для работы в составе ГПУ с котлом-утилизатором, на основе изучения физических процессов в потоке рабочей среды экспериментальными, численными и теоретическими методами.

Научная новизна работы состоит в нижеследующем: ■ Разработан и реализован на практике комплексный подход для экспериментального определения интегральных аэродинамических характеристик в сочетании с исследованием трёхмерной структуры ЗО-погока во входных трактах ГТУ, турбинных ступенях и выходных диффузорах турбомашин на основе использования

измерений трёхмерной структуры потока и численного анализа вязкого сжимаемого течения рабочей среды по уравнениям Навье-Стокса.

■ Разработаны оригинальные методики по экспериментальному исследованию на крупномасштабных моделях, основанные на измерениях трёхмерной структуры потока и моделировании нестационарных процессов с помощью турбинных ступеней. Эти методики применены для исследований важнейших элементов проточных частей энергетических ГТУ большой единичной мощности: входных трактов, турбинных ступеней и выходных диффузоров.

■ Получены и обобщены новые экспериментальные данные по аэродинамическим характеристикам входных трактов современных стационарных ГТУ для комбинированных газопаровых установок. На основе обобщения результатов исследования разработаны рекомендации по выбору конструктивных элементов проточной части ВХТ и оценке их аэродинамических характеристик.

■ Разработаны рекомендации по методам проектирования высокоэффективных турбинных ступеней большой циркуляции части высокого давления на основе теоретической оптимизации проточной части ступеней с использованием обобщённых данных по потерям кинетической энергии во вращающихся решетках РК и экспериментальной отработки ступеней большой циркуляции.

■ Разработан новый метод аэродинамической оптимизации проточной части выходных диффузоров газовых турбин стационарных ГТУ комбинированных газопаровых установок, основанный на экспериментальных исследованиях блока «последняя ступень-выходной диффузор» и численном анализе ЗО-потока.

■ Получены новые экспериментальные данные по суммарным характеристикам и структуре ЗО-потока для выходных диффузоров и блоков «ступень-диффузор» стационарных ГТУ комбинированных ГПУ, дающих основу для проектирования высокоэффективных диффузоров таких турбин.

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций. Основные научные положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований и данными численных и теоретических оптимизационных расчётов. Первостепенную роль в обосновании достоверности результатов играли интегральные характеристики исследованных объектов: к.п.д. и расходные характеристики ступеней, коэффициенты потерь в НА и РК ступеней, коэффициенты сопротивления входных трактов и коэффициенты восстановления Ср турбинных диффузоров. Данные численных и теоретических исследований сопоставлялись с результатами эксперимента.

Практическая ценность. Представленные в диссертационной работе выводы и обобщения могут использоваться в качестве практических рекомендаций для проектирования новых и модернизации имеющихся проточных частей исследованных элементов стационарных газовых турбин. К этим рекомендациям относится выбор оптимальных соотношений конструктивных элементов проточной части входных трактов стационарных ГТУ, обеспечивающих полученные в опытах аэродинамические характеристики. Представленные в работе выводы по выбору конструктивных, кинематических и динамических чисел подобия (степени реактивности характеристического числа и/С о , коэффициента циркуляции, максимальных чисел Маха) потока в ступенях большой циркуляции, а также по выбору типа закрутки лопаточного аппарата дают чёткие границы по расчёту и проектированию таких высокоэффективных ступеней для турбин стационарных ГТУ. Немаловажны практические результаты исследований блока «последняя ступень-выходной диффузор», показавшие необходимость расчёта и профилирования проточной части последней ступени турбины и диффузора как единого целого.

Практическая ценность результатов исследований подтверждена на действующих стационарных ГТУ: ГТН-16 и ГТН-25 ООО «Турбомоторный завод», ГТН-25 ООО «Невский машиностроительный завод», V64.3, V84.3, V94.3 и SGT5-8000 Н фирмы Siemens AG Power Generation.

■ Разработана и внедрена в практику методика экспериментальных исследований на моделях входных трактов, турбинных ступеней, переходных и выходных диффузоров, блоков «ступень-диффузор» для стационарных ГТУ комбинированных установок. Отличительные качества методики состоят в широком использовании измерений векторных полей скоростей трёхмерных потоков, измерением расходных характеристик исследуемых объектов, моделированием граничных условий с помощью лопаточных венцов ВНА в моделях ВХТ и посредством турбинных ступеней при исследованиях переходных и выходных диффузоров. Автоматизация систем измерений, являющаяся частью разработанной методики, позволило существенно повысить качество опытов.

■ Созданы оригинальные экспериментальные стенды для аэродинамических исследований на моделях входных трактов, одно- и двухвальных турбинных отсеков, блоков «последняя ступень-выходной диффузор» с целью отработки конструкций их проточных частей и валидирования численных моделей течения.

■ Разработаны рекомендации по методам проектирования проточных частей входных трактов стационарных ГТУ на основе выполненного комплекса экспериментальных и расчётных исследований (конструктивные меры по предотвращению интенсивных пульсаций потока, рекомендации по выбору оптимальных размеров и формы подводящего тракта и входного конфузора).

■ Разработаны рекомендации по выбору конструктивных и газодинамических параметров турбинных ступеней большой циркуляции части высокого давления стационарных газовых турбин, основанные на данных систематических экспериментальных исследований и предварительных оптимизационных расчётов.

■ Разработан новый подход к профилированию обводов проточной части выходных турбинных диффузоров, устанавливаемых за ступенью большой циркуляции, на основе полученных экспериментальных данных и численного моделирования потока, полученных при исследованиях блока «ступень-диффузор».

1. Методику экспериментальных исследований аэродинамических характеристик проточных частей элементов стационарных ГТУ на модельных опытных стендах, основанную на определении как интегральных характеристик входных трактов, ступеней большой циркуляции и двухступенчатых отсеков, блока «ступень-выходной диффузор», так и на измерениях полей параметров и скоростей трёхмерного потока с помощью ЗО-зондов.

2. Результаты экспериментальных исследований аэродинамики проточных частей важнейших элементов стационарных ГТУ комбинированных газопаровых установок, включая также результаты сравнительного анализа полученных опытных данных и данных численных расчётов и теоретических исследований.

3. Разработанные рекомендации по формированию проточных частей входных трактов стационарных ГТУ и рекомендации по оценке их аэродинамических характеристик.

4. Экспериментальные результаты по отработке аэродинамики ступеней большой циркуляции и двухступенчатых отсеков с такими ступенями и рекомендации по их проектированию.

5. Результаты комплексных опытных исследований аэродинамических характеристик блока «турбинная ступень-диффузор» с использованием данных численных расчётов потока в блоке для валидации расчётной модели.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались

и обсуждались на: ХЬХ1 Научно-технической сессии комиссии РАН по газовым тур-

бинам в 2004 г.; международных конференциях - XXIV Kraftwerktechnisches Kolloquium (KWTK), Dresden, 1992г.; XXV KWTK, Dresden, 1993г.; XXVI KWTK, Dresden, 1994 г.; 39.KWTK, Dresden, 2007 г.; 40.KWTK, Dresden, 2008 г.; 43.KWTK, Dresden, 2011 г.; WorkShop-Difiusor: I, Leibniz Uniwersität Hannover, 2006 г.; II, Technische Universität Stuttgart, 2007 г.; III, Ruhr-Universität Bochum, 2008 г.; IV, Polytechnische Universität St.Petersburg, 2010 г.; Wissenschaftliches Simposium an der Leibniz Universität Hannover, 2010 г.;Политехнический симпозиум, 2010 г., Санкт-Петербург; Республиканская научно- техническая конференция, Институт проблем машиностроения АН УССР, Харьков, 1982, 1985, 1988 г.; Всесоюзная межвузовская конференция «Газотурбинные и комбинированные установки», МВТУ, Москва, 1983.

Публикации по работе. Основные результаты исследований опубликованы в 46 работах, в том числе 6 изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографического списка, включающего 118 наименований. Работа изложена на 309 страницах, содержит 130 рисунков и 21 таблицу. Краткое содержание работы

Введение посвящено аргументации актуальности изложенных в диссертации проблем современных инновационных технологий электроэнергетики на основе стационарных газотурбинных установок в комбинированных газопаровых блоках, определению основных задач и целей исследования, изложению главных аспектов практической значимости решаемой научной проблемы.

Глава 1 содержит анализ основных тенденций и научных прогнозов развития тепловой энергетики на базе ископаемых топлнв и связанным с этими прогнозами стремительным внедрением в теплоэнергетику стационарных газотурбинных установок большой единичной мощности на базе технологий комбинированных газопаровых циклов.

Изменение структуры первичных теплоносителей в настоящий краткосрочный период показывает, что в масштабах мировой энергетики доля природного газа резко возрастает, и к 2025 г. практически достигнет потребления каменных углей, составив величину 33% всей вырабатываемой энергии. Это обстоятельство дает четкое направление в развитии энергетики, которое ориентировано на применение комбинированных тепловых электростанций с турбомашинами. Такая ориентация определяется целым рядом ключевых аспектов.

Термодинамические аспекты. Мировой опыт в области создания паротурбинных электростанции показывает, что рациональным пределом начальной температу-

ры пара является tg= 600. 650°С, а достижимый к.п.д. такой установки лежит в пределах своего максимального уровня - 50. 52%.

Реально достигнутый к.п.д. современных ГПУ с котлом-утилизатором составляет величину 60,7% при мощности электростанции около 578 МВт с одной ГТУ и одной ПТУ. В этих условиях количество выбросов С02 в атмосферу уменьшается приблизительно на 40% по сравнению с аналогичными выбросами газов в действующих ПТУ. Доля мощности газотурбинной установки в составе ГПУ с котлом-утилизатором (ГПУ КУ) в суммарной мощности всей станции достигает 70%. Поэтому для таких комбинированных установок создание высокотемпературной и мощной стационарной газовой турбины является наиболее важной и одновременно трудной задачей, так как, по выражению академика О.Н.Фаворского, «. газовая турбина - самый сложный по состоянию агрегат из известных человечеству».

Экология и глобальное потепление климата. Эмиссия С02 в значительной степени зависит от технологии производства электроэнергии: комбинированные станции ГПУ КУ имеют удельную эмиссию С02 (в расчёте на 1 кВт/ч вырабатываемой энергии) почти в 2,5 раза меньше, чем ПТУ, работающие на буром угле, и почти в 2 раза ниже, чем паротурбинные установки на каменном угле.

Высокий уровень к.п.д. ГПУ КУ открывает пути для рентабельного редуцирования или полного удаления эмиссии СО? и других вредных газов в атмосферу путем или их химического связывания, абсорбции, или за счёт сжижения в специальных криогенных установках.

Ретроспектива возрастания единичных мощностей стационарных ГТУ и комбинированных ГПУ. Одной из главных тенденций развития стационарного газотурбостроения в индустриальных странах мира явилось стремление к достижению большой мощности в одном агрегате. В течение приблизительно 30 лет единичная мощность стационарного газотурбинного агрегата для ГПУ КУ возросла более чем в 5 раз и достигла величины 375 МВт (ГТУ SGT5-8000 Н). Такой рост мощностей единичных энергетических ГТУ и, соответственно, ГПУ КУ объясняется несколькими причинами, главная из которых - экономическая эффективность, связанная со значительным снижением стоимости установленного 1 кВт для агрегатов большой единичной мощности.

Глава 2 посвящена анализу конструктивных особенностей стационарных ГТУ для комбинированных ГПУ и роли аэродинамических качеств входных трактов, вы-соконагруженных турбинных ступеней и выходных диффузоров в показателях мощ-

ных энергетических ГТУ. Дается подробный анализ особенностей конструкций стационарных ГТУ, предназначенных для работы в комбинированном цикле, крупнейших мировых фирм - Siemens AG PG, General Electric, Alstom, Mitsubishi, а также отечественных фирм - СП ООО «Интертурбо» и ОАО «НПО Сатурн».

Проведенный подробный анализ конструкций стационарных ГТУ сделал возможным выявить общность тенденций в решении конструктивных проблем, а также существенные различия в решении тех или иных особенностей, связанных с совершенствованием установок.

В этой же главе дается анализ аэродинамических характеристик входных трактов и их влияния на показатели эффективности ГТУ для комбинированных установок, показаны особенности аэродинамики ступеней большой циркуляции газовых турбин стационарных ГТУ, которые ставят ряд новых задач по выбору конструктивных и режимных параметров подобных ступеней, рассматривается также влияние аэродинамических качеств выходного диффузора турбины на эффективность ГТУ комбинированной установки.

Глава 3 содержит комплексные экспериментальные и численные исследования аэродинамики входных трактов ГТУ для комбинированных установок 1-го и 2-го поколений новейших электростанций.

Экспериментальные исследования выполнялись согласно общей теории подобия на моделях, в которых выдерживалось кинематическое и динамическое подобие потоков путём достижения равенства определяющих критериев подобия. В данном случае выдерживались числа Маха (Ммод = Мнат=0,50. 0,52), Рейнольдса

(Кемол = ReHaT = 10^) и структура турбулентности входящего потока.

Характерной особенностью методики экспериментов являлось определение не только коэффициента потерь С,3 ВХТ, но одновременно и его пропускной способно-

Схема измерений стенда ВХТ-1 приведена на рис. 1. Подробное описание стенда и схемы измерений представлено в диссертации.

Приборы для измерения давлений и векторов скоростей ЗП-потока. Во всех опытах применялись пневмометрические методы измерения структуры потока. Параллельно с этим в особых случаях использовались специальные тензометрические датчики для измерения колебаний давлений, а также термоанемометр фирмы БЛЫТЕС для исследований потоков с малыми скоростями течения. В сеч. 3-3, где поток имел сущест-

сти, определяемой приведенным расходом

венно 3-мерную структуру, применялись векторные ЗЭ-зонды: 3D-K - СПбГПУ и ЗО-Ц фирмы United-Sensor.

Модель вх тракта 340 . 420

Рис. 1. Схема измерений и системы координат в модели ВХТ

Информационно-измерительная система стенда ВХТ-1 включает в себя координатные устройства для дистанционного управления ЗО-зондами, пневмометри-ческие интеллектуальные сканеры давления серии 901х, усилители аналоговых сигналов термоэлементов, измерительную стойку и компьютеры с управляющими программами и программами по сбору и обработке данных.

Программное обеспечение системы измерений. Программа сбора экспериментальных данных «Flow Expert» написана на языке С++ и реализована в среде Vis-

иа1 С++. Она объединяет измерительные средства в единую систему, позволяющую эффективно управлять ходом эксперимента.

Результаты испытаний моделей ВХТ стационарных ГТУ первого поколения относятся к входным трактам упрощенных конструкций, в проточной части которых располагались лишь 6 опорных профильных стоек для крепления переднего подшипника ротора и входной направляющий аппарат компрессора (ВНА) (рис. 2). Первые аэродинамические испытания варианта 1 показали нестабильный, пульсирующий характер течения воздуха, сопровождавшийся интенсивными колебаниями давлений во всём объёме тракта. При этом измеренный коэффициент потерь составил значительную величину - ¿^з =33,6% (рис. 3).

Рис. 2. Проточная часть входного тракта модели ВХТ-1 ГТУ комбинированной ГПУ КУ первого поколения (исходный вариант 1)

и1 . 2 3 ЗЕск За ЗаЕск 4 4а 4аЕск 4Ь

Рис. 3. Исследованные варианты типовой конфигурации входного тракта стационарных газовых турбин ГПУ КУ первого поколения

Измерение пульсаций давления Др2г = ЛР2г/(р2с2/2);р в характерной точке

х 2 =37,5 мм, у 2 =180 мм сеч. 2-2 при входе в патрубок компрессора приведено на рис. 4 для номинального режима течения воздуха и двух вариантов тракта.

Анализ причин нестабильности течения привел к выводу о двух возможных источниках пульсаций: - отрыв потока в поворотном прямоугольном колене в области малого радиуса после поворота на 90° к оси машины; -интенсивные срывные явления на опорных стойках в выходной кольцевой части тракта.

С помощью тонкостенной разделительной перегородки, установленной в плоскости симметрии входного патрубка (вариант 2 ВХТ), пульсации давления были полностью устранены:

([^сЭ2)и=505 Па гЛ=11.6О-10\| с К1

Рис. 4. Сравнение осциллограмм колебаний пристеночного на входе в патрубок (сеч.2-2) давления Р2 при номинальном режиме для вариантов 1 и 2 входного тракта: а) вариант 1; б) вариант 2

коэффициент сопротивления снизился до величины =12,29% для варианта 2, т.е. почти в 3 раза по сравнению с вариантом 1, а пульсации давления в сеч. 2-2 уменьшились до +2%, т.е. в десятки раз (рис. 4).

Дальнейшие исследования аэродинамики ВХТ первого поколения были посвящены изучению влияния различных форм кольцевых обтекателей (КО) и кольцевых секторных обтекателей (КСО) при входе в кольцевой канал входного патрубка (вариант За), влиянию прямоугольной формы внешнего обвода поворотного участка ВХТ (вариант 4), поиску оптимальной величины угла конусности входной части внешней поверхности кольцевого конфузора и влияние сброса воздуха из противопомпажных клапанов компрессора во входной патрубок с основной целью - достижения минимальных потерь кинетической энергии и по возможности снижения окружной и радиальной неравномерности поля скоростей и параметров потока перед ВНА компрессора. Основные характеристики испытанных вариантов представлены на рис. 3.

Результаты испытаний входных трактов стационарных ГТУ второго поколения ГПУ с одним генератором. Характерной особенностью таких установок является их большая мощность, а следовательно, большие массовые расходы воздуха ГТУ. Новые задачи решались экспериментально на 2-х моделях входных трактов: модель ВХТ-1 с боковым подводом воздуха к ГТУ и ВХТ-П с верхним подводом воздуха, выполненных в масштабе 1:7,643. При этом числа Маха выдерживались равными натурным величинам, а числа И.е в модели имели одинаковый 6-й порядок с натурой в контрольном сечении 3-3 перед ВНА (Яез=; 106).

Модель ВХТ-1. Результаты определения суммарного коэффициента потерь для модели ВХТ-1 показали, что ни решетки ламелей шумоглушителя, ни распорные стержни и их положение перед патрубком тракта не оказывают большого влияния на его аэродинамическое сопротивление, так как располагаются в области малых скоростей потока.

Модель ВХТ-П по конструктивной концепции базируется на идее симметричной конфигурации тракта, присущей первому поколению ГТУ для комби-ГПУ, а в проточной части ее имеют место все элементы, что и в модели ВХТ-1.

Во всех опытах выполнялось траверсирование потока в сеч. 1-1, 2-2 и 3-3. В качестве примера здесь приводятся некоторые результаты измерений ЗЭ-потока в сеч. 3-3 при входе в ВНА компрессора для вариантов П-2, Н-З и П-За входного тракта (рис.5). Анализ полученных данных показывает, что качество потока перед компрессором для варианта П-2 вполне удовлетворительное.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Рис. 5. Поля нормированных компонент скорости (чисел Маха) ЗО-потока в сеч. 3-3 перед ВНА входного тракта ГТУ большой мощности для вариантов II-2, II-3 и П-За

Уменьшение расстояния от нижнего обвода до оси компрессора всего лишь на 5% в сочетании с цилиндрической формой поверхности данного обвода, а также с наличием секторного обтекателя КСО-180° способствовали улучшенной организации течения при входе в кольцевое пространство тракта, в нижней части патрубка.

Численные исследования ВХТ выполнены на математической модели геометрии проточной части ВХТ первого поколения, которая состояла из двух областей: поворотного участка (от сеч. 0-0 до сеч. 2-2 - область I) и входного патрубка (от сеч. 2-2 до сеч. 3-3 перед ВНА - область II). Обе задачи решались в предположении симметричности течения относительно вертикальной плоскости.

Численные исследования потока в области I. Расчетные сетки генерировались на основании их математического представления в криволинейной системе координат с использованием операторов АС, и Дг| тензорного дифференцирования системы «сеточных» уравнений. Структуризация сетки выполнялась с помощью программного обеспечения, разработанного кандидатом физ.-мат. наук В.Е. Карякиным. В качестве исходных уравнений течения использовались уравнения Рейнольдса, описывающие течение жидкости в криволинейной неортогональной системе координат:

VjUJ =0. Описание характеристик турбулентного переноса производилось по уравнениям к - 8 модели Джонса-Лаундера.

Некоторые результаты численного исследования области I (поворотной части тракта) представлены на рис. 6.

Рис. 6. К расчёту потока в поворотной части тракта ВХТ: а - расчётная сетка поворотной области входного тракта: (1]= 50, ё2= 100; б) - векторные поля скоростей потока в поворотной области ВХТ компрессора

Результаты численных расчетов так же, как и результаты эксперимента, показали отсутствие крупномасштабного отрыва потока в поворотной области, способного генерировать низкочастотные нестационарные явления во всём входном тракте. Расчётные величины потерь кинетической энергии, а также распределение скоростей и параметров потока в выходном сечении 2-2 в эксперименте и расчёте имеют вполне удовлетворительное качественное и количественное соответствие.

Численные исследования второй в области II проточной части патрубка компрессора, отличались сугубо трехмерным подходом к решению стационарной задачи. При построении сетки в трёхмерной области выполнялась генерация двухмерных сеток в осевом сечении области и далее производилось распространение сетки по третьей координате на всю расчётную область.

Численное моделирование проводилось в предположении симметричности течения относительно вертикальной плоскости при расчётном числе Рейнольдса Ке=2-105, которое соответствует условиям экспериментального исследования модели. Результаты расчётов без моделирования силовых стоек и ВНА компрессора представлены на рис. 7 и 8.

О наличии отрыва в этой области свидетельствует только сильная радиальная неоднородность профиля скорости в выходном сечении. В нижней части канала, в об-

ласти, примыкающей к плоскости симметрии, установлена значительная застойная зона, а в выходном сечении - существенная неравномерность потока (рис. 8).

Рис. 7. Поле векторов скоростей ЗБ-потока Рис. 8. Поле векторов скоростей в мерив среднем сечении входного пат- диональной плоскости входного рубка компрессора ВХТ (г= 90 мм) патрубка ВХТ (в плоскости симметрии)

Таким образом численные исследования строго симметричного потока так же, как и эксперимент с установкой перегородки в плоскости симметрии, подтвердили отсутствие образования интенсивного вихревого течения в узком кольцевом пространстве при входе в компрессор и связанных с ним нестационарных явлений.

Величина коэффициента потерь по данным расчёта <^зт =0,0798, что существенно ниже величины =0,3368, полученной в опытах для того же варианта 1 (без разделительной перегородки) и даже заметно меньше величины Сзшэксп = 0,1229

для варианта 2 (с разделительной перегородкой).

Глава 4 содержит исследования аэродинамики особого типа турбинных ступеней - высоконагруженных ступеней большой циркуляции (СБЦ), широко применяемых в газовых турбинах стационарных ГТУ для комбинированных установок. Такие ступени отличаются от обычно используемых (в том числе и высоконагруженных с осевым выходом потока) существенно большей величиной коэффициента циркуляции

си = (и]С]и — Ч2С2и)/и2 • Кроме наличия существенной отрицательной закрутки

=90 — а2 = И2" 90° потока за ступенью, эти ступени характеризуются большими

углами поворота потока 82 =180° -(01 +Рг) в рабочих решётках. Все перечисленные факторы выдвинули новые задачи по созданию высокоэкономичных ступеней та-

Принципы аэродинамического проектирования первых ступеней большой циркуляции одновального и двухвального отсеков основаны на использовании методики оптимизации осевых тепловых турбин, основы которой изложены в монографии К.Л. Лапшина «Оптимизация проточных частей многоступенчатых турбин» , 1992. В

программе оптимизации турбины в качестве основы целевой функции был использо-*

ван к.п.д. г) . В математической модели учтены данные по потерям в лопаточных аппаратах, полученные на ступенях, а также потери от ввода охладителя, потери от протечек в радиальных зазорах и вторичные потери.

Оптимизационные расчётные исследования второй ступени одновального и двухвального отсеков были выполнены на базе той же математической модели и её программной компьютерной реализации, что и для первой ступени, как в осесим-метричной, так и в двухмерной проектировочных задачах по профилированию оптимальных плоских сечений решёток профилей ступеней. Основная особенность проектировочного расчёта второй ступени состояла в граничных условиях при входе в ступень, определявшихся по данным расчёта и опытного исследования оптимальных вариантов 1 -й ступени большой циркуляции для одновального и для двухвального отсеков.

Основные принципы профилирования проточной части переходного диффузора. Главное предназначение переходного диффузора состоит в сохранении кинетической энергии закрученного потока, покидающего ступень большой циркуляции. При этом восстановительные диффузорные процессы в потоке целесообразно минимизировать. В качестве оптимального варианта был рассчитан изоугольный гипербо-лоидный диффузор для варианта СБЦ с коэффициентом циркуляции си=1,80 и ^2ср = "36°. По условиям конструктивной компоновки ступеней при заданных осевых размерах диффузора был принят угол раскрытия 0ЭКВ= 4,4° (полный угол раскрытия 20экв=8,8°). Контуры этого диффузора представлены на рис.9.

Экспериментальные исследования и отработкпа ступеней большой циркуляции. Все опыты проведены на модельных ступенях и отсеках. Для одновального отсека масштаб моделирования был выбран 1:2,60, а для ступеней двухвального отсека - 1:3,418 (рис. 9). В соответствии с теорией подобия в экспериментах обеспечивалось кинематическое и динамическое подобие потоков как при испытании отдельных ступеней, так и отсеков в целом.

Рис. 9. Проточная часть оптимизированного варианта двухвального двухступенчатого отсека со ступенью большой циркуляции

Экспериментальные стенды представляют собою универсальные экспериментальные установки, разработка и создание которых - одна из важнейших составных частей работы.

Одновальный двухступенчатый стенд ЭТ-2 имеет оригинальную конструкцию, предусматривающую не только крупномасштабное моделирование, но и обеспечение измерений характеристик ступеней и параметров ЗБ-потока с достаточной для практики точностью. Подробное описание конструкции стенда приведено в диссертации.

Двухвальный стенд ЭТ-4-2 был разработан и изготовлен специально для аэродинамических исследований отсеков со ступенями большой циркуляции со скольжением роторов (рис. 10).

Методика обработки опытных данных. Интегральные характеристики ступеней и отсеков. К интегральным характеристикам ступеней в работе отнесены: внутренний к.п.д. Г| ступеней, определённый по полным параметрам рабочей среды перед

ступенью и давлению в потоке за нею; к.п.д. Г) ступеней, определённый по полным

параметрам рабочей среды перед и за ступенью; степень реактивности рт и рт у корня и периферии ступени; приведенный массовый расход т рабочей среды; характеристическое число и/Сд ступени; коэффициент расхода с2 ступени. Для турбин*

ных отсеков определялись общие к.п.д. отсеков Г|£ и по аналогии с к.п.д. ступеней в функции числа Парсонса (и/Сд)^, приведенный расход т^ и коэффициент

использования кинетической энергии ц потока во второй ступени (только для двух-

Рис. 10. Продольный разрез экспериментального двухвального стенда ЭТ-4-2 лаборатории гурбиностроения СПбГПУ

Интегральной характеристикой переходного диффузора в двухвальном отсеке являлся коэффициент потерь в нём: = (р2

Детальные характеристики элементов проточной части двухступенчатых отсеков. С целыо анализа процессов течения в проточной части отсеков выполнялось траверсирование потока в контрольных сечениях (см. рис. 9). По данным тра-версирования вычислялись поля векторов скоростей и параметры ЗО-потока. Эти данные позволяли вычислять коэффициенты потерь на поверхностях тока как в НА, так и в РК.

Схемы измерений. На рис. 9 показаны контрольные сечения проточной части для двухвального двухступенчатого отсека, в которых измерялись параметры и вектора скоростей ЗО-потока. Расход воздуха на обоих стендах определялся с помощью стандартных расходомерных сопел. Крутящие моменты, развиваемые рабочими колёсами, измерялись при помощи гидротормозов, а частота вращения роторов п - с помощью тахомегрических систем. Поля параметров и векторов скоростей ЗО-потока измерялись только в сечениях 1-1, 2-2 и 4-4 для одновального варианта и в сечениях 2-2, 3-3 и 5-5 для двухвального двухступенчатого отсека.

Результаты экспериментальных исследований ступеней большой циркуляции и двухступенчатых отсеков. Одновалъный двухступенчатый отсек. Исходные варианты ступеней 1 и 2 (одиночные испытания). Исследования суммарных характеристик вариантов ступеней 1 и 2 в широком диапазоне изменения u/Cq и Пд показали, что эффективность их невелика и практически одинакова. Для ступени 1 при

расчётных значениях FIq и u/Cq г|= 0,681 и Г| = 0,828, а для ступени 2 г\= 0,677 и Л* = 0,824 (рис. 1 1).

Оптимизированные варианты СБЦ. В результате оптимизационных расчётов была спроектирована ступень 3 для расчётной величины u/Cq = =0,415 при рт.ср= 0,289. При этом температура потока Tw сохраняется одинаковой,

как и в исходном варианте

(ступень 1). В результате ряда

мероприятий (уменьшение угла

поворота потока в рабочей

решётке и угла выхода потока Рис.11. Значения к.п.д. ступеней 1 и 2 при различном отношении давления на ступень: из ступени, тщательное профи-

1 - П()= 0,350; 2 - По= 0,435; 3 - По= лирование лопаточного агшара-0,549; I - ступень 1,11- ступень 2 та РК, применение умеренного тангенциального наклона направляющих лопаток на

угол 5= 1,5°) удалось существенно повысить к.п.д. ступени 3 по сравнению со ступенями 1 и 2: на расчётном режиме (П(>= 0,404; u/Cg = 0,415) к.п.д. т) = 0,868

(рис. 12).Наиболее высокий к.п.д. Г| =0,888 имеет ступень 4 с увеличенным углом

а1расч и тангенциальным наклоном HJI, а ступень 5 без тангенциального наклона HJI

показала наихудший результат по к.п.д. г| = 0,839 в этой серии опытов. Имеющаяся разница в к.п.д. ступеней указывает на резкое изменение потерь в решётке РК с

большими углами поворота потока при относительно малых изменениях условий их обтекания.

Двухступенчатый отсек с СБЦ. С целью оценки влияния THHJT и величины угла а] в первой ступени большой циркуляции на характеристики двухступенчатого отсека были исследованы три варианта двухступенчатого отсека, отличающихся только ступенью 1: вариант I - со ступенью 3 (а.) = 15°31', 8°= 7°30'), вариант II со ступенью 4 (а,= 17°52\ 5°= 7°30') и вариант III со ступенью 5 без ТННЛ (И] =

15°49', 8°= 0°). Выполненные мероприятия по улучшению аэродинамики проточной

части отсека привели к повышению к.п.д. турбины r|j- на 5,1% (рис. 13).

Рис. 12. Значение к.п.д. ступеней 3, 4 и Рис. 13. К.п.д. моделей модернизированного

5 при расчётном отношении одновального отсека с СБЦ при близком к

давлений на ступень: 1 - сту- расчётному отношении давлений (П0£«

пень 3; 2 - ступень 4; 3 - сту- 0 25). , _ вариант I; 2 - вариант И; 3 - вари-

Двухвальный двухступенчатый отсек со ступенью большой циркуляции.

Результаты испытаний одиночных СБЦ. Из испытанных девяти вариантов различных модификаций этой ступени в работе приведены результаты исследований трёх

основных вариантов: ступень 1А - исходный вариант, ступень 1Б - оптимизированный вариант и ступень 1М — модифицированный вариант.

Ступень 1А (исходный вариант 1-ой ступени) показала весьма низкие уровни

к.п.д.: т|— 0,768 и г| = 0,832 из-за дефицита экспериментальных данных по аэродинамике такого рода ступеней и отсеков на этапе проектирования.

Ступень 1Б (оптимизированный вариант) был разработан уже с учётом полученных данных по ступени 1А и специального профилирования РЛ на цилиндрических по* / // верхностях тока. Экспериментальные значения Г| =0,894, рт= 0,281 и рт = 0,439,

полученные при (и/^-о)расч= 0.471 при П()расч= 0.418, практически совпадают с расчётными величинами (рис. 14).

стического числа и/Сд ступени 1Б двухвального отсека

Поэтому имеются все основания признать исследованную конструкцию СБЦ с

высоким уровнем к.п.д. 1"| =0,894 оптимальной для использования в перспективных стационарных ГТУ.

Исследования двухвального отсека проводились в условиях работы ступени 2Б в двухступенчатом отсеке при одном и том же значении (и/Со)^ 0,51 1 что и при ее

испытаниях в равномерном потоке, но при варьировании величиной (и/Сд)[ первой ступени 1М (рис. 15). При этом измерялись углы а о потока за первой ступенью 1М и параметры и углы аз входа потока в НА второй ступени 2Б.

Рис. 15. Характеристики оптимизированного варианта двухвального двухступенчатого отсека со ступенями 1М и 2Б и углы атаки на НА ступени II при (и/Со)[ = уаг и (и/Со)ц= 0,511 (^2 — Угол потока в сеч. 2-2): 1-к.п.д. ст. II при равномерном входном потоке; 2- к.п.д. ст. II в отсеке; 3- к.п.д. отсека

Глава 5 содержит результаты исследований блоков «последняя ступень-выходной диффузор» стационарных ГТУ, необходимость которых диктуется принципиальными аэродинамическими особенностями таких блоков, связанными со спецификой конструкции последних ступеней современных мощных газовых турбин для ГПУ.

Экспериментальные исследования блоков «последняя ступень-выходной диффузор». Программа опытных исследований предусматривала испытание восьми вариантов блоков «ступень - диффузор», два из которых отличались относительной длиной и обводами проточной части без опорных стоек, а остальные 6 вариантов имели опорные стойки различного профиля. Каждый из вариантов диффузоров испытывался при различных режимах работы ступени, который изменялся в пределах от номинальной нагрузки ГТУ (100%) до минимально заданной, т.е. сниженной до 40. 50% от номинала. Все исследования проводились на моделях, выполненных в масштабе М= 1: 6,93 по отношению к оригиналу - ГТУ мощностью 200 МВт.

Кинематическое и динамическое подобие потоков в модельной ступени и в блоке выполнялось с достаточной точностью по отношению к соответствующим натурным критериям.

Экспериментальный стенд ЭТ-4-Д представляет собою сложный технический комплекс. Центральной частью стенда является воздушная турбина ЭТ-4-Д с моделью блока «последняя ступень-диффузор» (рис. 16).

Методика обработки опытных данных. Интегральные характеристики ступени и блока «ступень-диффузор». К.п.д. собственно турбинной ступени, но при наличии

за нею выходного диффузора вычислялся по формуле: т| =-, где N = Мсо -

мощность, развиваемая рабочим колесом ступени; m - массовый расход воздуха; Hq -изоэнтропийный перепад энтальпий на ступень.

Рис. 16. Экспериментальная турбина ЭТ-4-Д с модельным блоком «последняя ступень - выходной диффузор»

В этих же условиях определялся к.п.д. г|+д ступени совместно с диффузором