Экспериментальные исследования выходного тракта ГТУ D - класса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат наук Хоанг Ван Чунг

• Хоанг Ван Чунг
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Хоанг Ван Чунг

Введение

Глава 1. Аэродинамические характеристики выходного тракта ГТУ

1.1. Обзор литературы

1.2. Характеристики диффузоров и рабочий процесс в диффузоре

1.3. Особенности аэродинамических процессов в диффузоре при работе ГТУ в переменной части графика нагрузки

1.4. Характерные особенности выходных устройств современных стационарных

ГТУ. Особенности конструкции выходного тракта ГТУ D-класса

Глава 2. Методика экспериментального исследования выходного тракта ГТУ

2.1. Экспериментальный стенд ЭТ4 для испытания

2.2. Модели выходного тракта «Диффузор - Патрубок» (Д-П) и «Ступень -Диффузор - Патрубок» (С-Д-П) ГТУ D-Класса

2.2.1. Модель выходного тракта «Диффузор - Патрубок» (Д-П)

2.2.2. Модель блока «Ступень - Диффузор - Патрубок» (С-Д-П)

2.3. Критерии подобия

2.3.1 Геометрическое подобие

2.3.2. Кинематическое подобие

2.3.3 Динамическое подобие потоков

2.4. Методика обработки экспериментальных данных

2.4.1. Местные и средние параметры потока в контрольных сечениях

2.4.2. Интегральные характеристики

2.5. Схема измерений модельного блока «Д-П» и «С-Д-П»

2.5.1. Схема измерений модели «Д-П»

2.5.2. Схема измерений блока «С-Д-П»

2.6. Информационно-измерительные системы стенда ЭТ4- С-Д-П

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований

3.1. Интегральные аэродинамические характеристики моделей «Ступень-Диффузор-Патрубок» и «Диффузор-Патрубок»

3.2. Распределения локальных коэффициентов восстановления давления по длине

диффузора

3.3. Распределение нормированных полного и статического давлений и параметров потока во входном сечении

3.4. Распределение поля векторов скоростей в потоке в выходном сечении

Глава 4. Численное моделирование потока выходного тракта D-класса

4.1. Геометрическая модель выходного тракта

4.2. Постановка задачи численного моделирования

4.3. Результаты численного моделирования

Заключение

Основные обозначения

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальные исследования выходного тракта ГТУ D - класса»

Введение

Наряду с увеличением населения в отдельных странах и в мире в целом растет спрос на электроэнергию. Большая часть электроэнергии в мире вырабатывается главным образом за счет гидроэнергии, угля, природного газа и нефтепродуктов. В настоящее время распределение мировых энергетических запасов изменилось. Источники энергии, вырабатываемые гидроэнергией и углем, сократились. На рисунке 1 видно, что доля электроэнергии, вырабатываемая на основе природного газа, значительно увеличивается и к 2025 году почти достигнет общего потребления угля, что составит 33% от общего производства энергии. Поэтому развитие тепловых электростанций, работающих с использованием газовых турбин, в настоящее время является современной тенденцией.

50 %

1955 1975 1985 1995 2005 2015 2025

Рисунок 1 - Сопоставление различных источников в объеме мирового

производства электроэнергии [ 31] В последние годы Социалистическая Республика Вьетнам (СРВ) является страной с быстрорастущей экономикой с ростом ВВП 6-7% в год. Благодаря этой динамике роста, в течение 20 лет Социалистическая Республика Вьетнам

превратилась из страны с низким уровнем дохода в страну со средним уровнем дохода на душу населения. Вместе с этим, этот взлет экономического развития и урбанизации, быстрый рост населения привел к интенсивному развитию энергетического сектора, особенно электроэнергетики. Энергетический сектор СРВ пережил огромный рост потребления электроэнергии, особенно с тех пор, когда экономика перешла от централизованного планирования к рынку. Таким образом, нагрузка на электроэнергетику в СРВ весьма велика из-за слишком быстрого увеличения спроса, особенно когда спрос и предложение на электроэнергию должны быть всегда сбалансированы.

Планирование электростанций в СРВ сосредоточено на трех основных группах: гидроэлектростанции, угольная теплоэнергетика и газовая теплоэнергетика. Установленная мощность на базе газовой тепловой энергии составляет 20% от общей установленной мощности всей энергосистемы (рис. 2). Газотурбинные тепловые электростанции в СРВ занимают очень важное место в сфере производства электроэнергии. Поэтому совершенствование технологии использования газотурбинного топлива на электростанциях является важной государственной задачей.

Рисунок 2 - Структура установленной мощности электростанций ЕЭС Вьетнама по состоянию на 2015 г. [59]

В настоящее время электростанции с комбинированными газопаротурбинными установками (ГПУ), становятся все более популярными по причине их весьма высокой экономичности. В результате анализа мировои практики применения комбинированных установок электростанциями, было показано, что наиболее целесообразно использовать комбинированную установку с раздельным газотурбинным и паротурбинным контурами и котлом-утилизатором (ГПУ КУ). На мировом энергетическом рынке спрос на такие комбинированные установки составил около 85%, и они получили наибольшее распространение как самые экономичные и надёжные.

Современные технологии в области создания жаропрочных сплавов, термобарьерных покрытий и систем интенсивного охлаждения для лопаточного аппарата и других деталей газовой турбины позволяют достигнуть к.п.д. такой ГПУ КУ уровня 60-63%.

Очевидные термодинамические преимущества ГПУ КУ по сравнению с другими тепловыми электростанциями дали большой импульс к их внедрению в теплоэнергетику промышленно развитых стран уже с конца 80-х годов прошлого столетия [2, 21, 22, 46].

Можно утверждать, что с очевидными преимуществами термодинамической природы, характерными для газопаровых установок в сочетании с котлами-утилизаторами, а также с наличием передовых технологий в этой области, привели к интенсивному развитию стационарного газотурбиностроения в промышленно развитых странах в течение последнего столетия, начиная с 80-х годов прошлого века. Одним из основных направлений этого развития является стремление достичь высокой мощности в одном агрегате. Характерным примером роста мощности стационарных газовых турбин для энергетики, а затем и для рынка тепла и электроэнергии является мощностной ряд газотурбинных установок, производимых фирмой Siemens AG PG, и поставляемых на мировой рынок в последние 30 лет. Рост мощности стационарных газотурбинных установок, выпускаемых фирмой Siemens AG PG, составил величину 8,7 раз (рис. 3). Первый газотурбинный агрегат мощностью 66 МВт был поставлен на

Земмерингскую электростанцию в г. Вене (Австрия) в середине 70-х годов прошлого века. Эта газотурбинная установка SGT-1000F одновального типа. Уже в 2018 году компания поставила ГТУ типа SGT5-9000HL для комбинированной ГПУ КУ Lincoln County CT Addition (Северная Каролина, США) мощностью 593 МВт с коэффициентом полезного действия 42%, а общии к.п.д. ГПУ в целом достигает уровня 63%. Такая эффективность тепловой электростанции на органическом топливе является рекордной за всю историю теплотехники, что и предопределяет широкое внедрение комбинированных установок в электроэнергетику стран, располагающих запасами природного газа и в частности - в энергетику СРВ.

Мощность единичной ГТУ, МВт

Рисунок 3 - Рост мощности стационарных газотурбинных установок, выпускаемых фирмой Siemens AG PG для ГПУ КУ. Доля полезной мощности ГТУ в комбинированной установке составляет, примерно, 70% от общей мощности ГПУ КУ. Таким образом, мощность

собственно газовой турбины для обсуждаемых должна быть равна 1200 ^ 1600 МВт, из которых примерно 2/3 мощности приходится на привод компрессора.

В настоящее время для комбинированных газопаровых установок с котлом-утилизатором применяются одновальные ГТУ с расположением электрогенератора со стороны компрессора, так, что горячие газы от турбины отводятся с помощью осевого диффузора напрямую в котел-утилизатор. Появившиеся тенденции перехода от одновальных к двухвальным ГТУ влекут за собой новую компоновку оборудования комбинированных станций, при которой электрогенератор должен располагаться за силовой турбиной.

Конструктивной особенностью такого тракта является односторонний отвод рабочего тела от турбины. Этим обусловлены аэродинамические проблемы, возникающие при проектировании выходных трактов типа «Диффузор -Патрубок» («Д—П»), а также при профилировании последних ступеней газовых турбин. При создании новых стационарных ГТУ большой единичной мощности основной проблемой проектирования выходных трактов является отсутствие достаточно точных величин их аэродинамических характеристик в реальных условиях, т.е. в условиях подвода трехмерного нестационарного потока, генерируемого последней ступенью турбины. Проблеме конструирования и совершенствования выходных трактов посвящено множество работ. В частности, результаты расчетных и экспериментальных исследований выходных трактов без моделирования реальных входных граничных условий, генерируемых последней ступенью турбины, представлены в [3, 4, 9, 10, 12, 14, 17, 49]. Однако последние расчетные исследования убедительно показали, что моделирование течения в подобных трактах требует реальных входных граничных условий и должно выполняться только совместно с последней ступенью турбины [5, 6, 11, 30]. Знания достаточно точных и достоверных сведений о структуре потока за рабочим колесом (РК) последней ступени на входе в диффузор выходного тракта позволит не только надежно прогнозировать потери кинетической энергии в нем, но и более точно рассчитать мощность последней ступени и турбины в целом.

Из изложенного следует, что экспериментальные исследования выходного турбинного тракта весьма актуальны, а их данные представляют большой научный и практический интерес. Результаты траверсирования в контрольных сечениях модельного отсека «Ступень - Диффузор - Патрубок» дают реальное представление о пространственной структуре 3D течения в выходном тракте. Эта информация позволяет сделать вывод об основных источниках потерь энергии в тракте «Диффузор - Патрубок». Сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований блока «Ступень - Диффузор - Патрубок» и опубликованных ранее результатов испытаний изолированного выходного тракта «Диффузор - Патрубок», позволяют получить новую информацию об аэродинамическом взаимодействии турбинной ступени и выходного тракта и с большей достоверностью оценить влияние качества выходного тракта на эффективность работы турбины в целом.

Актуальность темы диссертационного исследования. Наряду с увеличением населения в отдельных странах и в мире в целом растет спрос на электроэнергию. Развитие тепловых электростанций, работающих с использованием газовых турбин, в настоящее время является современной тенденцией.

В настоящее время, появившиеся тенденции перехода от одновальных к двухвальным ГТУ влекут за собой новую компоновку оборудования комбинированных станций, при которой электрогенератор должен располагаться за силовой турбиной. В этих условиях, для таких специальных двухвальных ГТУ возникла необходимость отвода горячих газов к котлу-утилизатору с помощью выходного патрубка. таким образом выходной тракт двухвальных ГТУ изменяется по сравнению с традиционными одновальными установками и представляет из себя сочетание осевого диффузора и выходного патрубка. Поэтому исследования аэродинамики такого тракта актуальными.

Актуальность работы: 1. Переход стационарного газотурбостроения к двухвальным конструкциям ГТУ с возможностью оптимизации турбокомпрессора;

2. Для такого типа стационарных газовых турбин впервые применен выходной тракт с односторонним отводом рабочего тела;

3. Отсутствие экспериментальных данных по структуре 3D потока в выходных трактах с односторонним отводом рабочего тела при наличии развитого диффузора.

Цели и задачи диссертационного исследования. Целью диссертации является экспериментальное определение структуры 3D потока в проточной части тракта «Диффузор-Патрубок» и его интегральных характеристик в блоке с предвключенной турбинной ступенью. Задачи исследования:

1. Проектирование модельного отсека «Диффузор - Патрубок» и модельного отсека «Ступень - Диффузор - Патрубок».

2. Разработка методики экспериментального исследования.

3. Проведение экспериментальных исследований с предвключенной турбинной ступенью и без нее.

4. Сравнительный анализ полученных данных.

Научная новизна:

1. Разработана усовершенствованной методики обработки экспериментальных данных и оценки показателей выходного тракта ГТУ D-класса энергетической газовой турбины.

2. Получение интегральных характеристик блока «Диффузор- Патрубок» и тракта «Ступень - Диффузор - Патрубок».

3. Мероприятия по улучшению аэродинамических качеств выходного тракта.

Положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованная методика экспериментальных исследований блока «Ступень - Диффузор - Патрубок».

2. Результаты опытных исследований аэродинамических интегральных характеристик блока «Ступень - Диффузор - Патрубок» новой перспективной ГТУ D-класса.

3. Сравнительные опыты на стенде ЭТ4 лаборатории турбиностроения модели «Ступень - Диффузор - Патрубок» и модели «Диффузор - Патрубок» (без предвключённой ступени).

4. Численные исследования аэродинамических качеств блока «Диффузор -Патрубок» с использованием данных измерений 3D-потока, генерируемого последней ступенью газовой турбины.

5. Рекомендации по совершенствованию выходного тракта ГТУ D-класса.

Теоретическая и практическая значимость:

1. Усовершенствована и практически опробована методика экспериментальной

2. Экспериментально исследованы трехмерные распределения скоростей и параметров потока в различных сечениях проточной части входного диффузора.

3. В результате получили величины к.п.д, коэффициенты восстановления давления и потерь кинетической энергии потока на различных участках выходного тракта ГТУ D-класса.

4. Представленные в квалификационной работе взаключения дают возможность их использования при проектировании новых имеющихся стационарных газовых турбин с целью повышения их экономичности.

Методология и методы исследования. Объект исследования - модель выходного тракта диффузор - патрубок с предвкюченной ступенью турбины ГТУ D - класса и отдельная модель выходного тракта без ступени на стенде ЭТ4-С-Д-П Лаборатории турбиностроения имени И.И. Кириллова СПБГПУ.

Методы исследования. В диссертации использованы вышеуказанные экспериментальные методы, барарующиеся на применении основных физических законов. Для проведения численных исследований приведена расчетная модель с использованием современных програмных пакетов конечно-элеменного анализа ANSYS CFX. При проведении экспериментов и вычислительных исследований использовались методы физического моделирования и математические методы расчёта.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Проектирование моделей и монтаж моделей выходного тракта ГТУ D-класса на экспериментальном стенде ЭТ- 4 Лаборатории турбиностроения СПбПУ.

2. Участие в экспериментальных и численных исследованиях потока в выходном тракте «Ступень - Диффузор - Патрубок» газовой турбины ГТУ D-класса в группе аэродинамики Лаборатории турбиностроения СПБПУ.

3. Участвовать в обработке данных, расчете, анализе экспериментов.

4. Численное исследование блока «Диффузор - Патрубок» с помощью кода AN-SYS CFX.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Неделя научки СПБПУ: материалы научной конференции с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем СПбГПУ (Санкт -Петербург, 2019 г. - ч. 1. - С. 104 - 106).

2. Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство: сборник научных статей третьей международной научной конференции (Казань, 2019 г. C. 245 - 247.).

3. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство: сборник научных статей четвертой международной научной конференции (Казань, 2019 г. C. 54 - 56.).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи - в ведущих рецензируемых отечественных журналах, входящих в перечень ВАК РФ (одна работа проиндексирована в базе данных Scopus), 3 - в сборниках материалов всероссийских и международных конференций.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка сокращений и обозначений, и списка литературы. Работа изложена на 109 страницах, содержит 59 рисунков, 4 таблиц. Список цитированной литературы содержит 59 наименования.

Глава 1. Аэродинамические характеристики выходного тракта ГТУ

1.1. Обзор литературы.

Глубокий исторический анализ использования диффузорных устройств, проведенный Н. Sprenger'ом в работе [50], показал, что диффузоры применялись в различные рода водяных системах античного Рима. Сейчас область использования диффузорных устройств существенно расширилась и распространилась на самые различные области техники, включая авиационную, космическую, химико-технологическую и многие другие области промышленности. Неустойчивость течения в диффузорах и отрывные процессы потока в них вызвали необходимость очень большого количества исследований экспериментального типа, посвященных, главным образом, их аэродинамическому совершенствованию. Диффузоры, применяемые для осевых турбин, имеют свои специфические особенности, коренным образом отличающие рабочие процессы в них от процессов в диффузорах других технических устройств. Поэтому целесообразно в данной работе провести анализ исследований, посвящённых только выходным диффузорам осевых турбин стационарного типа.

Как показывает анализ конструкций различного рода устройств, отводящих рабочую среду от турбины, основным элементом здесь является кольцевой диффузор. Зачастую, кольцевой диффузор переходит в простой конический диффузор или в диффузор радиального типа. Аэродинамическим исследованиям такого типа диффузоров посвящено очень большое количество работ [4, 9, 10, 17, 49, 50 и др.]. В своё время (речь идёт о 60 - 80-тых годах прошлого века) были опубликованы крупная монография профессоров М.Е. Дейча и А, Е. Зарянкина [9] (МЭИ), книга научных сотрудников ЦКТИ им. И.И. Ползунова В.В. Мигая и Э.И. Гудкова «Проектирование и расчёт выходных диффузоров турбомашин» [17], а также объёмное исследование выходных трактов турбин профессорами И.Г. Гоголевым и А.М. Дроконовым [4] (БИТМ). Необходимо отметить, что в этих исследованиях успешно применена к течению в диффузорах теория пограничного

слоя (М.Е. Дейч и А.Е. Зарянкин), даны обобщения известных экспериментальных исследований, в том числе, проведенных в МЭИ, включающих также анализ влияния режимных параметров. Авторы монографии [17], приводят в своей работе разработанную в НПО ЦКТИ методику профилирования проточной части различного типа турбинных диффузоров. В книге И.Г. Гоголева и А.М. Дроконова приведены результаты новых (для того времени) исследований выходных трактов турбин, выполненных в БИТМ. Большой научный интерес в этой работе представляют результаты опытов по взаимному влиянию турбинной ступени и выходного тракта с диффузором и патрубком на примере испытаний модели турбонаддувочного агрегата мощного судового дизельного двигателя. Опыты авторов показали, что взаимное влияние турбинной ступени и выходного тракта является фактором, в значительной мере определяющем процесс течения в диффузоре [4].

Большой вклад в исследование диффузорных процессов внесли американские исследователи G. Sovran и E.D. Klomp [49]. Результаты работ этих авторов до сих пор используются в расчётах, проектировании и исследовании диффузоров. Однако специфика турбинных диффузоров в этой работе практически не затронута.

Немецкие исследователи H. Krus и J.Quest впервые опубликовали проведенные ими систематические исследования выходного тракта «Последняя ступень турбины - Диффузор» [41]. Авторы работы показали решающее влияние граничных условий, генерируемых ступенью, на газодинамический процесс сжатия рабочей среды в турбинном диффузоре. С тех пор (речь идёт о 80-х годах прошлого века) почти никто не исследует процессы в турбинных диффузорах без предвключённой ступени или её имитатора.

Так, например, немецкие исследователи W. Rieß, H.-U. Fleige, J. Seume и O.Sieker провели систематичечские исследования турбинных диффузоров с целью разделения влияния различных факторов, возникающих в потоке за турбинной ступенью, на процесс в диффузоре. Эти факторы моделировались специальными устройствами, устанавливаемыми перед диффузором. Такие тончайшие опыты и

соответствующие измерения в потоке также показали существенное влияние граничных особенностей входящего в диффузор потока.

Бурно развивающиеся комбинированные газопаровые установки с котлами-утилизаторами (ГПУ КУ) для электростанций потребовали решения целого ряда новых конструктивных проблем. Среди этих проблем важное место занимает газотурбинный диффузор, который в ГПУ КУ является элементом соединяющем ГТУ, работающую по циклу Брайтона, и ПТУ, функционирующую по циклу Ренкина-Томпсона. Здесь диффузор предназначен для транспорта всей массы газа с высоким уровнем тепловой энергии к котлу-утилизатору, в котором тепловая энергия газа передаётся пароводяной среде паротурбинного контура [2, 4, 10, 12, 21, 22, 46]. Конструктивные особенности, газодинамические качества таких диффузоров и их надёжность тесно связаны с элементами ГПУ КУ и, в частности, с газовой турбиной и котлом-утилизатором. Можно утверждать, что выходные диффузоры стационарных газовых турбин современные ГПУ КУ имеют свою специфику [21, 30]. Основная отличительная черта этих диффузорных устройств -совершенно особые качества входящего в диффузор потока, которые свойственны исключительно турбинным диффузорам и не имеют в любых других подобных устройствах. Эти качества генерирует последняя ступень турбины. Поскольку в данной работе обсуждаются турбины большой единичной, то конструкции последних ступеней таких турбин обладают рядом принципиальных особенностей, в значительной степени отличающих их от обычных ступеней газовых турбин средней и малой мощности. К ним относятся: высокие скорости потока С2 за ступенью (МС2 =0,48^0,65) на базовом режиме работы ГТУ;

отрицательная закрутка потока С2и< 0; использование специальных,

нетрадиционных методов закрутки лопаточного аппарата с целью уменьшения радиального градиента давлений перед рабочим колесом; применение бандажных полок рабочих лопаток. Отметим, что в этих условиях поток за последней ступенью турбины имеет сложную трёхмерную, нестационарную структуру, осложнённую интенсивными вихревыми вторичными течениям у корневого и

периферийного обводов рабочего колеса, а также сильно закрученной кольцевой струёй, вытекающей из радиального зазора над рабочим колесом.

В этих условиях потребовалась новая оценка влияния качества диффузора на эффективность современных ГТУ для ГПУ КУ. Наиболее наглядно и просто такая оценка предложена в работе S. Farokhi [40] с помощью формулы

Л^ _ N. _

к -1 2

ЛСРМ2 Р С2

/ л

^т 1

1 -т

V1 ит У

т

где ЛNт, Nт - прирост полезной мощности и мощность газовой турбины, к _ Ср /с и - показатель изоэнтропы, ЛСр - прирост коэффициента восстановления

давления в выходном диффузоре ГТУ, т т _ Т4/Т3 - отношение абсолютных температур газа при выходе и при входе в турбину, МС2 - число Маха за

последней ступенью турбины, _ И/Н - изоэнтропийный к.п.д. турбины.

В современных стационарных ГТУ большой единичной мощности, предназначенных для комбинированных ГПУ КУ, значение выходного диффузора существенно возросло по сравнению с предыдущими поколениями стационарных ГТУ малой и средней мощности. Экономически оправданное увеличение мощности в одном агрегате ГТУ встречает серьёзные препятствия при их конструировании. Повышение начальной температуры, степени повышения давления, увеличение расхода газа являются теми необходимыми условиям, которые используются для роста мощности единичного агрегата ГТУ. Эти же мероприятия приводят к усложнению конструкции агрегатов и узлов ГТУ. В конечном итоге условия прочности и надёжности рабочих лопаток последних ступеней турбины привели к повышенным величинам чисел Маха за ступенью (МС2 = 0,65^0,70) и и отрицательной закрутке потока за рабочим колесом (а 2 >

90°). Эти два важнейших обстоятельства существенно влияют на процесс течения рабочей среды в выходном диффузоре газовой турбины, в котором, как правило, находятся 5^6 силовых стоек для крепления заднего подшипника ротора турбины.

Формула S. Farokhi [40] показывает квадратичную зависимость прироста мощности ГТУ от числа МС2 . Из диаграммы, представленной на рисунке 1.1. в

частности легко получить, что при улучшении восстановительной способности диффузора на 10% при МС2 = 0,70 мощность турбины возрастает примерно на

1,1%, что соответствует увеличению полезной мощности ГТУ приблизительно на 3,3%. При малых числах МС2 этот прирост заметно меньше. Поэтому, для

современных ГТУ создание высокоэффективных диффузоров вновь стало актуальной научно-технической задачей. 0.12

0.08

0.04

0,5 0,6 0,7 0,8

--М—\ -м-\ КЛ-

АЛ—

/

у'

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1

ЛСр, [-]

Рисунок 1.1 - Зависимость относительного приращения газовой мощности турбины от коэффициента восстановления давления, при различных числах Маха МС2 (по данным расчёта ГТУ V84.3A)

Наиболее значительные из них - это в основном работы В.А. Черникова и Е.Ю. Семакиной [23, 24, 26, 28, 29, 30, 32]. В этих работах обоснованно показано, что аэродинамические исследования выходных диффузоров газовых турбин ГТУ большой единичной мощности следует проводить обязательно в блоке с предвключённой турбинной ступенью. Только в этих публикациях представлены реальные 3D-поля параметров потока как при входе в диффузор, так и в его характерных поперечных сечениях. Этот материал является единственным

источником для валидации численных моделей течения, которые имеют большой потенциал в процессе совершенствования аэродинамических качеств диффузоров. Кроме того, в указанных работах детально разработаны новые методологические основы экспериментальных исследований выходных диффузоров турбин. В

частности, введена в рассмотрение величина характеризующая прямой

выигрыш в относительной мощности последней ступени турбины, к которому приводит установка диффузора данной конструкции. Эта количественная величина может быть получена только по данным опытов с блоком «Ступень -Диффузор», причём, что немаловажно на различных режимах работы ГТУ.

Данные по аэродинамическим исследованиям блока «Ступень - Диффузор -Патрубок» (С-Д-П) в опубликованной литературе отсутствуют.

Это обстоятельство объясняется тем, что такой блок - неотъемлемая часть двухвальной ГТУ.

1.2. Характеристики диффузоров и рабочий процесс в диффузоре

Для сравнения диффузоров различного типа используются различные характеристики. К ним относятся прежде всего геометрические характеристики, а также оценочные характеристики их аэродинамических качеств. Наиболее важная геометрическая характеристика - отношение выходной А2 и входной А1

А2

площадей диффузора, а также его длина L: L AR _ —— и L.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хоанг Ван Чунг, 2019 год

- 2

ей Ж О н и 3 4 Л гн

- « / со 4 со г о /

Л \ 1 1 I \ I 1 1 1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 м

(а)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 м

(б)

I м

Рисунок 3.1 - Зависимость прикорневого Ср и периферийного Ср

коэффициента восстановления давления от длины выходного тракта Д—П при

' о '

испытаниях со ступенью (а) и без ступени (б): 1, 5 — Ср, 0 - 0 -180 ; 2, 6 — Ср,

0-180-360о; 3,7 - Ср, 0-0- 180о; 4,8 - Ср, 0-180-360о

Еще в большей степени различаются коэффициенты потерь полного давления. По результатам испытаний выходного тракта в блоке с предвключенной

ступенью коэффициент потерь полного давления снизился на 6,1% (с учетом сжимаемости - на 5,6%) по сравнению с результатами для изолированного выходного тракта: коэффициенты внутренних потерь выходного тракта со ступенью £д _ п = 0,343 и без ступени £ д _ п = 0,404. Это объясняется

повышенными потерями полного давления при внезапном расширении потока на входе в прямоугольное сечение патрубка вследствие существенно большей неравномерности потока при выходе из диффузора в варианте без ступени. Действительно, по графику на рисунке 3.2 можно сделать вывод, что в варианте без ступени поток на протяжении всего диффузора перестраивается и к моменту поворота к вертикальному направлению большая часть расхода сосредоточена в периферийной области сектора А 0 ~ ±20о.

Графики на рис. 3.2 показывают существенные различия в локальных по углу 0 величинах Ср . Для варианта со ступенью наблюдается незначительное

расхождение кривых (кривые 1-4), которое можно объяснить влиянием закрутки входного потока. В варианте с изолированным выходным трактом видно существенное различие между Ср при 0 = 0о и 0 = 180о. Так, например, для

I

корневого обвода Ср(0=0) (кривая 6) остается отрицательным до сеч. 9-9 (см. рис. 2.16).

Указанный эффект объясняется, прежде всего, глубоким проникновением окружной неравномерности параметров течения вверх по потоку при испытаниях

без предвключенной ступени. Это наглядно демонстрируется сравнением

*

окружных распределений полных р2 и статических р2 давлений, а также чисел

Маха при входе в диффузор в экспериментах без ступени и в блоке с

предвключенной ступенью (см. рисунки 3.3 и 3.4). Расслоение кривых С(г) и

С'р(г)для разных значений углов 0 вызвано обратным влиянием патрубка на

распределение расхода во входном сечении диффузора, что подтверждается изменением осевой составляющей скорости потока в этом сечении.

(б)

I м

Рисунок 3.2 - Зависимость прикорневого Ср и периферийного Ср

коэффициента восстановления давления от длины выходного тракта Д-П при

' о '

испытаниях со ступенью (а) и без ступени (б): 1, 5 - Ср, 0 = 0 ; 2, 6 - Ср, 0 = 180о ; 3,7 - Ср, 0 = 0о; 4,8 - Ср, 0 = 180о

3.3. Распределение нормированных полного и статического давлений и параметров потока во входном сечении 2-2

Графики на рисунках 3.3 и 3.4 иллюстрируют сочетание «прямого» влияния турбинной ступени и «обратного» влияния выходного патрубка на окружную неравномерность распределения параметров потока в сечении 2-2. Состояние

потока в этом сечении определяется главным образом» прямым» влиянием

*

ступени, на которую приходится большой перепад давлений р0 - Р2, в значительной мере превосходящий перепад давлений в тракте. В результате «прямого» влияния происходит равномерное распределение параметров потока еще при входе в ступень. Эта равномерность, очевидно, сохраняется в сечении 2-2 при выходе из ступени, что подтверждается экспериментальными данными, полученными при испытаниях выходного тракта с предвключенной ступенью на нескольких режимах. Таким образом, «прямое» влияние ступени в значительной степени нивелирует «обратное» влияние патрубка, которое имело место при испытаниях выходного тракта без ступени.

При испытаниях без ступени в результате «обратного» влияния патрубка на входе в выходной тракт формируется существенно неравномерный по окружности поток.

Степень окружной неравномерности полного давления: без ступени

Л / Л Л / Л

составляет Лр2/р2ср = 70% и со ступенью - Лр2/ р2ср = 8%.

Неравномерность статического давления: без ступени - Лр^ р2ср = 140%

и со ступенью - Лр^р2ср =8,3%.

Неравномерность распределения числа Маха: без ступени — ЛМ^М2ср =

53% и со ступенью ЛМ2/М2ср = 2%.

Таким образом, наличие предвключенной ступени снижает уровень окружной полного давления в 9 раз, статического — в 16 раз и числа Маха - в 26 раз.

Рисунок 3.3 — Окружное распределение полного и статического давлений во входном сечении 2-2 диффузора при испытаниях изолированного выходного тракта «Д—П» и в блоке с предвключенной ступенью «С—Д—П»

Рисунок 3.4 - Окружное распределение чисел Маха Мс2 ср на входе в диффузор Предвключенная ступень не только нивелирует «обратное» влияние патрубка, практически устраняя окружную неравномерность потока на входе в выходной тракт, но и создает реальное распределение параметров потока по высоте канала, а также по шагу направляющего аппарата.

На рисунке 3.5 представлены сопоставления полей давлений и температуры торможения потока на входе в диффузор по высоте канала в сечении 2-2 для изолированного выходного тракта и для варианта с предвключенной ступенью.

На рис. 3.5 (б) при испытаниях выходного тракта со ступенью отчетливо видны довольно интенсивные вторичные течения в районе корневых и периферийных областей, за рабочими лопатками ступени в сечении 2-2, а также ярко выраженное течение рабочего тела через периферийный радиальный зазор рабочего колеса.

Из сравнения графиков видно, что в варианте изолированного выходного

тракта радиальная неравномерность параметров потока на входе в диффузор,

* / * г г

составляет ДР2/Р2 = 25%. Она обусловлена только «обратным» влиянием патрубка, так как «прямое» влияние турбинной ступени в этом случае не моделируется. В то же время в реальных условиях, то есть в блоке со ступенью,

наблюдается существенная радиальная неравномерность полного давления: **

ДР2/ Р2 =155%. Это примерно в 6 раз выше, чем в опытах без ступени.

(а) (б)

Рисунок 3.5 — Сопоставление полей давлений и температуры торможения потока на входе в диффузор по высоте канала в сечении 2-2 без ступени (а) и со ступенью (б)

Из сравнения графиков видно, что в варианте выходного тракта со ступенью: поле распределения полного давления имеет характерную выпуклость, которая смещена к корню, что объясняется сильной закруткой потока и высоким

уровнем скоростей потока в этой области. Таким образом, можно констатировать, что на режиме близком к номинальному, существует своего рода силовое воздействие рабочего колеса на поток, в результате которого поток направляется к корневому обводу диффузора. Это явление - характерная особенность закрутки данной ступени. Можно предполагать, что конструкторы этой ступени ставили цель снизить утечку через радиальный зазор над рабочим колесом с помощью указанного перераспределения расхода рабочей среды.

На рис. 3.6 представлены сопоставления полей нормированных компонент чисел Маха потока на входе в диффузор по высоте канала в сечении 2-2 без ступени (рис. 3.6, а) и со ступенью (рис. 3.6, б).

(а) (б)

Рисунок 3.6 — Сопоставление полей нормированных компонент чисел Маха потока на входе в диффузор по высоте канала в сечении 2-2 без ступени (а) и со

ступенью (б): М2, Мг, Ми - составляющее число Маха по соответствующей оси;

1 -М2; 2-Мг; 3-Ми

Графики построены по значениям нормированных величин компонент чисел Маха. Радиальная неравномерность по осевой составляющей вектора скорости потока составляет в опытах со ступенью АМ2^М22Ср = 37%, что в 2

раза больше , чем в опытах без ступени. Совершенно разный характер имеют распределения по высоте канала в сечении 2-2 окружные Ми2Ср и радиальные

МГ2Ср компоненты чисел Маха.

На рис. 3.7 представлены сопоставления полей углов потока на входе в диффузор по высоте канала в сечении 2-2 без ступени (рис. 3.6, а) и со ступенью (рис. 3.6, б). Из распределения углов а2,^при со ступенью видно, что вектор потока в прикорневой области направлен в сторону от корневого обвода диффузора, поскольку у корня имеет место сильная закрутка потока. То есть происходит своего рода перераспределение потока ещё в рабочем колесе.

а2, у2, град а2, у2, град

(а) (б)

Рисунок 3.7 — Сопоставление полей углов потока на входе в диффузор по высоте канала в сечении 2-2 без ступени (а) и со ступенью (б) Поэтому не учёт реальных распределений параметров потока во входном сечении выходного тракта снижает качество моделирования, а следовательно -достоверность опытов. Особенное внимание обращают на себя существенные не монотонности всех кривых в прикорневых и периферийных областях. Не монотонность кривых объясняется тем, что в этих областях поток имеет вихревой

характер, обусловленный вторичными течениями, сформировавшимися в межлопаточных каналах рабочего колеса, а также сильно закрученной кольцевой струей из радиального зазора над РК.

В случае со ступенью выходного тракта «Ступень-Диффузор-Патрубок» коэффициент внутренних потерь выходного тракта £ д - п = 0,343. Это

объясняется повышенными потерями полного давления при внезапном расширении потока на входе в прямоугольное сечение патрубка вследствие существенно большей неравномерности потока при выходе из диффузора в варианте без ступени.

Повышенная величина Ср = 0,600 для выходного тракта в блоке с предвключенной ступенью «С—Д—П» по сравнению с Ср = 0,560 для изолированного тракта «Д—П» показывает, что учет реальных входных граничных условий оказывает значительное влияние на важную аэродинамическую характеристику выходного тракта турбины. Установка предвключенной ступени в значительной мере снижает окружную неравномерность потока на входе в выходной тракт, но увеличивает радиальную неравномерность. Таким образом, реальные входные граничные условия для выходного тракта диффузор-патрубок определяются как прямым влиянием ступени, так и обратным влиянием патрубка. Соотношение указанных влияний зависит, очевидно, как от геометрических характеристик тракта, так и от режимных параметров.

3.4. Распределение поля векторов скоростей в потоке в выходном сечении

10-10

Характерной чертой потока в этом сечении является существенная неравномерность поля скоростей (рис. 3.8, б), вызванная интенсивными вихревыми течениями, возникающими при выходе из диффузора и сохраняющимися в выходном сечении 10-10 патрубка (рис. 3.8, а). Такая неравномерность очевидно приведет к диссипации кинетической энергии потока при дальнейшем течении.

Рисунок 3.8 — Векторное поле скоростей потока в выходном сечении 10-10 блока «Д-П»: а) - вид против потока; б) - аксонометрический вид

Из диффузора

Рисунок 3.9 — Векторное поле скоростей потока в выходном сечении 10-10 блока

«С-Д-П»:

Характерной чертой потока в выходном диффузоре является существенная неравномерность поля скоростей (рис. 3.10), вызванная интенсивными вихревыми течениями, возникающими при выходе из диффузора и сохраняющимися в выходном сечении 10-10 патрубка. Такая неравномерность очевидно приведет к диссипации кинетической энергии потока при дальнейшем течении. При выходе из диффузора поток взаимодействует с уже сформировавшимся торговым вихрем, который по-видимому, имеет относительно большие размеры. В результате обратного влияния на процесс течения в диффузоре такого сложного вихревого трехмерного потока в патрубке, рассматриваемый процесс в предшествующем диффузоре имеет наименее благоприятные условия для восстановления давления.

ГЕсшщнгзйоп

Рисунок 3.10— Схема течения в выходном тракте ГТУ D-класса: 1 - область локальных отрывных течений выходного диффузора (торговый вихрь); 2 -область струйного течения патрубки; 3 - область отрывного течения за силовыми стойками диффузора; 4 - область развитого вихревого течения патрубки

Отрыв потока от периферийного обвода диффузора при выходе очевидно сопровождается его отрывом и образованием вихря по всей окружности указанного обвода. Отрывные явления носят нестационарный характер и в данном случае вызывают нестационарные силовые воздействия на корпус диффузора. Для определения амплитудно-частотной характеристики этого воздействия требуются специальные измерения.

В радиальной выходной части диффузора целесообразно применить специальное направляющее устройство и усовершенствовать периферийный обвод выходной части диффузора с целью ликвидации торгового вихря или снижения его интенсивности

Глава 4. Численное моделирование потока выходного тракта D-класса

4.1. Геометрическая модель выходного тракта

Цель исследования, результаты которого представлены в третьей главе, -экспериментальное определение структуры пространственного потока и источников потерь в выходных турбинных трактах с односторонним отводом, широко применяемым в конструкциях двухвальных ГТУ. Приведенные экспериментальные результаты имеют не только самостоятельную научно -техническую ценность для совершенствования процесса течения в выходных трактах данной конструкции, но и являются уникальным научным материалом для валидирования CFD моделей 3D течения в выходных трактах двухавльных турбин.

Расчетная область течения полностью соответствовала геометрической модели выходного тракта (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 - Геометрическая модель расчетной области модели выходного тракта «Диффузор - Патрубок»

4.2. Постановка задачи численного моделирования

Численное моделирование выполнено с помощью пакета ANSYS CFX методом Для замыкания уравнений Рейнольдса применялась

высокорейнольдсовая версия SST-модели турбулентности.

С целью снижения вычислительных затрат расчет выполнялся с учетом симметрии потока относительно вертикальной плоскости. Для построения расчетной сеточной модели диффузора и патрубка использовался сеточный генератор ANSYS 1СЕМ CFD. Расчетная область формировалась как квазиструктурированная со сгущением ячеек к стенкам. Вся область выходного тракта поделена на три блока: входная часть диффузора с силовыми стойками, комбинированная осерадиальная часть диффузора и выходной патрубок (рис. 4.2).

озм

Рисунок 4.2 - Разбиение расчетной области на блоки: блок 1 - входной участок диффузора с силовыми стойками; блок 2 - комбинированная осерадиальная часть диффузора; блок 3 - патрубок.

Разбиение расчетной области на блоки обусловлено большими геометрическими размерами модели выходного тракта и требованиями точности.

Исходя из предварительного анализа потока и потерь энергии, возникающих в соответствующих областях модели, было принято решение об уменьшении размера элементов сетки в первом домене, где присутствуют силовые стойки, и об увеличении их размера в патрубке, где градиенты потока не так существенны. Сеточная модель выходного тракта представлена на рисунке 4.3.

О__0400__0.800 (т)

т^^^т__]

0.200 0.600

Рисунок 4.3 - Сеточная модель выходного тракта. Количество узлов и основные параметры, отражающие качество сеток приведены в таблице 1.

_Таблица 4.1. Основные характеристики расчетной сетки

№ блок а Кол-во элементов Кол-во узлов Мин-й угол скоса ячейки, Гград.1 Макс-ое соотношение ребер ячейки Макс-ое соотношение объемов соседних ячеек

1 46 629 851 10 564 997 8,1 1454 394

2 6 148 712 1 791 723 15,4 393 970

3 1 234 175 4 529 095 30,5 149 282

Общие размеры сетки по трем осям: х - 0,81м, у - 1,551895м, z - 0,666895м. Количество элементов составляет 55665970, из которых 44919767 тетраэдальных, 109 пирамидальных и 10746094 призматических, число узлов сетки равняется 13590895. Построение расчетной сеточной модели на первом этапе расчетная область заполнялась тетраэдрами, далее производилось генерирование призматических слоев вблизи стенок с использованием уже рассчитанной сетки.

Входная часть диффузора с силовыми стойками требует наиболее подробной сетки для разрешения вихревых структур течения вследствие больших скоростей потока и проблем обтекания силовых стоек. Анализ экспериментальных данных показал, что в данной области присутствуют наиболее значимые потери энергии, нуждающиеся в учете. Поэтому высота первого пристеночного слоя, сформированного на периферийной и корневой граничных поверхностях, а также на поверхностях силовых стоек, составляла 0,007 мм. Это обеспечило значение параметра у+ <5. Сеточная модель первого домена представлена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 - Сеточная модель первого домена Второй домен охватывает область диффузора от силовых стоек до входного сечения патрубка. Такое деление обусловлено менее выраженными потерями

энергии из-за отсутствия элементов, преграждающих прямое течение потока, чем во входном участке с силовыми стойками. Кроме того, интерфейс между осерадиальной частью диффузора и патрубком обеспечивает достаточно простую возможность анализа структуры потока в выходном сечении диффузора. Высота первого пристеночного слоя сетки второго домена составляет 0,04, что обеспечивает значение у+ <11.

Для построения сетки третьего домена отсутствует обоснование сильного измельчения сетки. Высота первого пристеночного слоя сетки третьего домена составляет 0,05, что обеспечивает значение у+ <12.

Геометрические параметры расчетной модели течения полностью соответствовала геометрии модели выходного тракта (рис. 4.5), однако была отделена от расположенного выше по потоку подводящего тракта экспериментального отсека. Входные граничные условия - давление торможения и температура торможения - задавались по результатам осреднения данных траверсирования потока во входном сечении тракта, соответствующем выходу из последней ступени турбины. Граничное условие на выходе - величина расхода через отсек.

Рисунок 4.5 - Расчетная модель выходного тракта «Диффузор - Патрубок»

4.3. Результаты численного моделирования

Характерная картина течения, полученная по материалам экспериментальных исследований, а также с помощью CFD моделирования. Схема течения в выходном тракте представлена на рис. (4. 6_4.11).

Рисунок 4.6 - Схема течения в выходном тракте ГТУ D-класса: 1 - область локальных отрывных течений выходного диффузора (торговый вихрь); 2 - область струйного течения патрубки; 3 - область отрывного течения за силовыми стойками диффузора; 4 - область развитого вихревого течения патрубки

На основании этих данных можно сделать вывод, что течения в выходном тракте ГТУ D-класса в подобных трактах имеют ряд особенностей.

1. На выходе из диагонального диффузора наблюдаются локальные области отрыва потока (торговый вихрь), размер и положения которых определяется режимом работы ГТУ.

2. В выходном патрубке выходного тракта течение носит струйный характер с развитыми вихревыми течениями в центре или у передней стенки патрубка и

достаточно большими расходными составляющими скоростей вблизи задней стенки патрубка.

3. Обтекание силовых стоек диффузора с большими углами атаки порождает мощные отрывные течения за силовыми стойками диффузора и образования вихревых зон за диагональным диффузором и в патрубке выходного тракта.

Оолйй'1ъ втрашюжа течения

Рисунок 4.7 - Область отрывного течения за силовыми стойками диффузора

численного моделирования

Рисунок 4.8 - Область локальных отрывных течений выходного диффузора

численного моделирования

Рисунок 4.10 - Область развитого вихревого течения патрубки численного

моделирования

Рисунок 4.11 - Распределение поля векторов скоростей в потоке в выходном сечении 10-10 численного моделирования

В радиальной выходной части диффузора целесообразно применить специальное направляющее устройство и усовершенствовать периферийный обвод выходной части диффузора с целью ликвидации торгового вихря или снижения его интенсивности.

Заключение

В результате выполненной работы показана:

1. Получены интегральные характеристики диффузора в блоке с предвключенной

ступенью: коэффициент восстановления давления для блока Ср = 0,600 ;

относительный прирост к.п.д. блока «Ступень - Диффузор - Патрубок» д+п =

8,6% ; коэффициент внутренних потерь выходного тракта «Ступень - Диффузор -Патрубок» £ д _ п= 0,343.

2. Основные источники потерь кинетической энергии в выходном тракте -недостаточно совершенная организация потока в осерадиальной части диффузора и в выходном патрубке, а также силовые стойки в диффузоре.

3. При аэродинамических исследованиях выходных трактов турбин определяющим фактором в создании реальных входных граничных условий является радиальная неравномерность распределения параметров потока, генерируемая последней ступенью турбины.

4. Повышенная величина Ср = 0,600 для выходного тракта в блоке с

предвключенной ступенью «С-Д-П» по сравнению с Ср = 0,560 для

изолированного тракта «Д-П» показывает, что учет реальных входных граничных условий оказывает значительное влияние на основную аэродинамическую характеристику выходного тракта турбины.

5. Наличие патрубка в выходном тракте стационарной ГТУ двухвального типа вызывает существенное обратное влияние на рабочий процесс в диффузоре. Поэтому при аэродинамических исследованиях установка выходного патрубка является необходимым условием для получения достоверных результатов.

6. При организации и планировании модельных испытаний, изолированных выходных турбинных трактов снижение уровня окружной неравномерности потока на входе в диффузор может быть обеспечено включением в

экспериментальный отсек гидравлического сопротивления с целью возможно большего приближения входных граничных условий к реальным. 7. Результаты CFD моделирования потока выходного тракта показали вполне удовлетворительное качественное совпадение с экспериментом.

Основные обозначения

Обозначение Раз. Наименование

А 2 м площадь поперечного сечения

а* м/с критическая скорость потока

с м/с скорость в абсолютной системе координат

4 D м диаметры

F Н сила

Н - перепад энтальпий

h Дж/кг К удельная энтальпия

к - Показатель изоэнтропы

X - число Лаваля

М - число Маха

G кг/с массовый расход

п -1 мин частота врашения ротора

N Вт мощность, развиваемая рабочим колесом ступени

р* Па полное давление

р Па статическое давление

R Дж/кг.К газовая постоянная

Re - число Рейнольдса

г м координаты цилиндрической системы г0ъ (рис.1)

0 (и) град координаты цилиндрической системы г0ъ (рис.1)

ъ м координаты цилиндрической системы г0ъ (рис.1)

s Дж/кг удельная энтропия

Т* К полная температура

Т К температура

и м/с окружная скорость рабочего колеса на среднем диаметра

С0 м/с теоретическая скорость потока

* а2ср град Угол закрутки потока на среднем диаметре в сечении 2-2

w м/с относительная скорость (рис.1)

У - газодинамическая функция расхода

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

Р град угол между проекцией wъu вектора скорости w потока в относительной системе координат на плоскость ъи и положительным направлением оси и

У град угол подъёма поверхности тока в плоскости ъг

У ъи град угол между вектором скорости с потока и его проекцией на плоскость ъи (рис. 1)

0 - половинный угол раскрытия диффузора

л к.п.д. по полным параметрам потока перед ступенью и статическому давлению за ней

* л к.п.д. по полным параметрам потока перед и за ступенью

ф - коэффициент расхода ступени

V, (и/с) - характеристическое число ступени

П отношение давлений, газодинамическая функция давления

% - отношение давлений, обратное П

А - разность

Р кг/м3 плотность, степень реактивности

Ф - коэффициент нагрузки ступени

С - коэффициент потерь

Рисунок 4.12 — Абсолютная и относительная системы координат турбинной

ступении вектор с скорости потока

Индексы 102

0 параметры перед НА

2 параметры за РК на входе в диффузор

9 а, б параметры на выходе из диффузора

10 параметры на выходе из патрубки

3,4,5,6,7,8 измерительные сечения

ъ осевой

ср средний

s изоэнтропийный

Сокращения

РК Рабочее колесо

НА Направляющий аппарат

КПД Коэффициент полезного действия

ГТУ Газотурбинная установка

ПТУ газопаровая установка

ВНА Входной направляющий аппарат

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абианц, В.Х. Теория авиационных газовых турбин / В.Х. Абианц. - М.: Машиностроение, 1979. - 246 с. ил.

2. Арсеньев, Л.В. Комбинирование установки с паровыми и газовыми турбинами / Л.В Арсеньев, В. Рисс, В.А Черников. - СПБ.: Издательство СПБГТУ, 1996. -124 с.

3. Афанасьева, Н.Н. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин. Под общей редакцией / Н.Н. Афанасьева, В.Н. Бусурин, И.Г. Гоголев, Р.И Дьяконов, А.И. Кириллов, К.Л. Лапшин, А.С. Ласкин, В.И. Попков, В.А.Черникова. - Л.: Машиностроение, Ленингр., отд-ние, 1980. - 263 с., ил.

4. Гоголев, И.Г. Аэродинамические характеристики ступеней и патрубков тепловых турбин / И.Г.Гоголев, А.М.Дроконов. - Брянск: Брянское областное издательство «Грани», 1995. - 258 с.

5. Гончаров, В.В. ГТУ средней мощности фирм GENERAL ELECTRIC и ROLLS-ROYCE / Энергохозяйство за рубежом. 2013. № 4 (269). С. 17-21.

6. Гончаров, В.В. ГТУ средней мощности фирмы SIEMENS / Энергохозяйство за рубежом. 2013. № 3 (268). С. 21-26.

7. Грибин, В.Г. Аэродинамическое совершенствование осерадиального диффузорного выходного патрубка газотурбинной установки/ В.Г. Грибин, С.С. Дмитриев, А.Н. Парамонов // Вестник МЭИ. 2015. № 2. С. 44-49.

8. Григорьев, Е.Ю. Совершенствование работы выхлопных патрубков газотурбинных установок / Е.Ю. Григорьев, П.С. Хазов // Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии. XVIII Бенардосовские чтения: материалы международной научно-технической конференции. 2015. С. 41-44.

9. Дейч, М.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин / М.Е. Дейч, А.Е.Зарянкин. - М.: Энергия, 1970. - 384 с.

10. Дорфман, А.Ш. Аэродинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин / А.Ш. Дорфман, М.М. Назарчук, Н.И. Польский, М.И. Сайковский. -Изд. АНУССР, 1960. - 244 с.

11. Зандер, М.С. Совершенствование аэродинамики системы «последняя ступень - выходной диффузор» газовых турбин большой мощности для комбинированных газопаровых установок: дис. ... канд. тек. наук: 05.04.12 / Зандер Михаил Сергеевич. - СПБ., 2012. - 160 с.

12. Зарянкин, А.Е. Выхлопные патрубки паровых и газовых турбин / А.Е. Зарянкин, Б.П. Симонов. - М.: Издательство МЭИ. 2002. 273 с.

13. Зарянкин, А.Е. Исследование и аэродинамическое совершенствование выхлопного патрубкацилиндра низкого давления паровой турбины / А.Е. Зарянкин, Е.Ю. Григорьев, А.Н. Рогалев, И.В. Гаранин // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2017. № 2. С. 18-26.

14. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И. Е. Идельчик// Москва: Машиностроение, 1992 672 с.

15. Кириллов, И.И. Теория турбомашин: монография / И.И.Кириллов. - Л.: Машиностроение, 1972. - 536 с.

16. Лебедев, А.С. Тенденции повышения эффективности ГТУ / А.С.Лебедев, С.В.Костенков // Теплоэнергетика. - 2008. - N 6. - С.11-18.

17. Лисянский, А.С. Оптимизация выходного патрубка ЦНД мощной паровой турбины на базе экспериментальных исследований / А.С. Лисянский, В.А. Рассохин, Е.Ю. Семакина, В.А. Черников // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука иобразование. 2012. № 2 (147). Т. 1. С. 48-56.

18. Мигай, В.К. Проектирование и расчёт выходных диффузоров турбомашин / В.К Мигай, Э.И. Гудков. - Л.: Машиностроение. ЛО, 1981. - 222 с

19. Семакина, Е.Ю. Аэродинамические процессы в выходном тракте стационарной газовой турбины: результаты экспериментальных исследований /

Е.Ю. Семакина, В.Ч. Хоанг, В.А. Черников // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2017. Т. 23. № 3. С. 49-60.

20. Семакина, Е.Ю. Экспериментальные аэродинамические исследования выходного тракта двухвальной ГТУ мощностью 100 МВ / Е.Ю. Семакина, В.А. Черников, В.Ч. Хоанг // Теплоэнергетика. - 2019. - N 6. С.415-424.

21. Сидоров, А.А. Влияние диффузора на окружную неравномерность давления газа в выходном патрубке турбины / А.А. Сидоров, А.С. Голиков, Т.В. Полникова // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. № 6. С. 20-25.

22. Сидоров, А.А. Экспериментальные исследования неоднородности давления в модели выходного патрубка паровой турбины малой мощности / А.А. Сидоров,

A.С. Голиков // Вестник Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2014. № 5. С. 25-32.

23. Трухний, А.А. Парогазовые установки электростаций: учебное пособие для вузов / А.А. Трухний. М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - 648 с. ил.

24. Фаворский, О.Н. Газотурбинные установки в энергетике - важнейший путь экономии топливноэенргетических ресурсов России / О.Н. Фаворский// Двигатель. 2011. № 3. С. 2-5.

25. Хоанг, В.Ч. Влияние входных граничных условий на аэродинамические характеристики выходного тракта двухвальной ГТУ / В.Ч. Хоанг, В.А. Черников, Е.Ю. Семакина // Неделя научки СПБПУ: материалы научной конференции с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем СПбГПУ. - 2018. - ч. 1. - С. 104 - 106.

26. Черников, В.А. Аэродинамические характеристики выходного осевого диффузора стационарной газовой турбины при различных режимах её работы /

B.А. Черников, Е.Ю. Семакина // Энергетические машины и установки. - 2009. - N 2. - С. 42 - 48.

27. Черников, В.А., Семакина Е.Ю. Выходные тракты турбин. Методика экспериментального исследования и численного моделирования: учебное пособие

/ В.А. Черников, Е.Ю Семакина // СПбПУ, ИЭиТС, кафедра «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели». — Электрон. текстовые дан. (1 файл: 5,49 Мб). Санкт-Петербург, 2015. <URL:http://elib.spbstu.ra/dl/2/7704.pdf

28. Черников, В.А. Информационно-измерительная система аэродинамического стенда для исследования потока в проточной части отсека «ступень-диффузор» и некоторые результаты испытаний на модели мощной газовой турбины / В.А.Черников, Е.Ю.Семакина, Т.Ф.Баранова // Энергетические машины. - 2009. -№ 1 (5). - С.24-34.

29. Черников, В.А. Исследование аэродинамических характеристик блока «ступень - выходной диффузор» стационарной газовой турбины при различных режимах работы. / В.А. Черников, М.С. Зандер // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — СПб. - 2011. - N 2(123): Наука и образование. - С. 61 - 68.

30. Черников, В.А. Оптимизация выходного патрубка ЦНД мощной паровой турбины на базе экспериментальных исследований. / А.С. Лисянский, В.А Рассохин, Е.Ю.Семакина, В.А.Черников // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — СПб. - 2012. — N 2-1(147): Наука и образование. — С.48-56.

31. Черников, В.А. Повышение эффективности входных трактов, ступеней и выходных диффузоров стационарных газопаровых сттановок: дис. ... д-ра тек. наук: 05.04.12 / Черников Виктор Александрович. - СПБ., 2012. - 323 с.

32. Черников, В. А. Экспериментальный стенд для газодинамических исследований выходных диффузоров и патрубков турбин / В. А. Черников //

гр о о /

Теплоэнергетика: ежемесячный теоретический и научно-практический журнал / Российская академия наук. Российское научно-техническое общество энергетиков и электротехников. — М., 2008. — №6. — С. 49-54.

33. Черников, В. А. Экспериментальные исследования выходных устройств турбин / В. А. Черников, Е.Ю.Семакина. - Saar., BRD: Lambert Academic Publishing, 2013. - 89 с.

34. Черников, В.А. Энергетические машины. Измерение вектора скорости и параметров потока в турбомашинах: учебное пособие / В.А.Черников, Е.Ю.Семакина. - Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2009. - 52 с.

35. Черников, В.А. Универсальный стенд для экспериментальных исследований аэродинамики выходных и переходных трактов стационарных турбин в блоке с турбинными ступенями: методика и результаты экспериментов / В.А. Черников, Е.Ю. Семакина // Газотурбинные технологии. 2015.

36. Adkins, R.C. A Method for the Design of Optimum Annular Diffusors of Canted Configuration / R.C.Adkins, H.M.Wardle // ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - Vol. 1992. - 114, Jan. - P.8-12.

37. Bernier, B.C. Impact of a Collector Box on the Pressure Recovery of an Exhaust Diffuser System / B.C. Bernier, M. Ricklick, J.S. Kapat // ASME 2011. Paper № GT2011- 46455.

38. Chernikov, V. Aerodynamic characteristics of exhaust axial diffuser of stationary gas turbine at various regimes of its operations/ V. Chernikov, E.U. Semakina // Power machines and plants. - 2009. - N2. - С.42 - 48.

39. Drechsel, B. On the numerical prediction of the influence of tip flow on diffuser stability / B. Drechsel, J. Seume, F. Herbst // International Journal of gas Turbine, Propulsion and Power Systems, December 2016, Vol. 8, N 3, pp. 29-35.

40. Farokhi, S. A Trade-Off Study of the Rotor Tip Clearanze Flow in a Turbine Exhaust Diffuser System / S.Farokhi // ASME Paper 87 - GT 229. - 1987.

41. Fleige, H.U. Experimentelle und numerische Untersuchungen am Modell eines Turbinenaustrittsdiffosors: Dis. ... / Fleige, H.U. - Leibnitz Universität Hannover, IfS., 2002. - 196 S.

42. Fleige, H.-U. Investigations of Gas Turbine Exhaust Diffuser Flows. Proc. of the fourth European Conference on Turbomachinery / H.-U.Fleige, W.Rieß // Paper ATI-CST-037/01, Firenze. - 2001. - Mar. - p.665-674.

43. Fleige, H.U. Swirl and Tip Flow Interaction with Struts in Axial Diffuser / H.U. Fleige, W. Rless, J.R. Seume // ASME 2002. Paper № GT2002 - 30491.

44. Hirshmann, A. Influence of the Total Pressure Profile on the Performance of Axial Gas Turbine Diffuser / A. Hirshmann, S. Volkmer, M. Schatz, C. Finzel, M. Casey, M. // ASME 2010, Paper № GT2010-22481.

45. Kluss, D. Effect of Wakes and Secondary Flow on Re-attachment of Turbine Exit Annular Diffuser Flow / D. Kluss, H. Stoff, , A. Wiedermann // In: Journal of Turbo-machinery 131.4 (2009), pp. 1-12.

46. Kluss, D. Effect of Wakes and Secondary Flow on Re-attachment of Turbine Exit Annular Diffuser Flow / D. Kluss, A. Wiedermann, H. Stoff // ASME 2008. Paper № GT2008-50211.

47. Kuschel, M. Influence of Unsteady Turbine Flow on the Performance of an Exhaust Diffuser / M. Kuschel, J.R. Seume // ASME 2011. Paper № GT2011-45673.

48. Kuschel, M. 2011 Influence of unsteady turbine flow on the performance of the exhaust diffuser / M. Kuschel, J. Seume // In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2011, Vol. 2011. GT2011-45673, Vancouver, Canada.

49. Lechner Chr., Seume J. Stationäre Gsturbinen. - Berlin: Springer-Verlag, 2003. -1139 S.

50. Prechter, H. Gesichtspunkte zur Auslegung von Diffusoren unter Berücksichtigung neuerer Forschungsergebnisse / H.Prechter // Der Maschinenmarkt. -1961. -Vol. 82. -N.13. Okt. - P.19-26.

51. Sieker, O. Einfluss von Drall und Nachlaufdellen auf das Strömungsverhalten und den Druckrückgewinn in axialen Turbinenaustrrittsdiffusoren: Dis. ... Leibnitz Universität Hannover, ITG. 2010.- 162 S.

52. Sieker, O. Effects of Rotating Blade Wakes on Separation and Pressure Recovery in Turbine Exhaust Diffusers GT 2008-50788 / O.Sieker, J.Seume // Berlin, Germany: ASME TURBO EXPO. - 2008. - June S.9-13.

53. Sovran, G. Experimentally Determined Optimum Geometries for Rectilinear Diffu-sors with Rectargular, Conical or Annular Gross-Section / G.Sovran, E.D.Klomp // In: «Fluid Mech. Of Int. Flow». Elsevier Publishing Company, Amsterdam - London -New Jork. - 1967. - P.270-319.

54. Sprenger, H. Experimentelle Untersuchungen an geraden und gekrümmten Diffusoren: Diss. ... ETH Zürich. 1959.

55. The SGT5-9000HL - proven in commercial operation - URL: https://new.siemens. com/ru/ru/produkty/energetika/proizvodstvo-energii/gazovie-turbiny/sgt 9000hl.html

56. The SGT5-8000 H - proven in commercial operation - URL: https://new.siemens. com/ua/ru/products/energetika/proizvodstvo-elektroenergii/gazovyye-turbiny/sgt5-8000h.html

57. Vassiliev, V., Irmisch, S., Abdel-Wahab, S., and Granovskiy, A. Impact of the inflow conditions on the heavy-duty gas turbine exhaust diffuser performance / V. Vassiliev, , S. Irmisch, S. Abdel-Wahab, A. Granovskiy // In: Journal of Turbomachinery 134.4 (2012), p. 041018.

58. 9HA POWER PLANTS - URL: https://www.ge.com/content/dam/gepower-pgdp/global/en_US/documents/product/gas%20turbines/Fact%20Sheet/2017-prod-specs/9ha-power-plants.pdf

59. Büi, X.H. Quy hoach nguon dien can tiep tuc dieu chinh theo huang ben vung / X.H.Bui // Trung tam con nguai va thien nhien: Ban tin chinh sach tai nguyen moi truang phat trien ben vung. - 2017. - № 26. - C.4-10.