Повышение эффективности системы «последняя ступень – диффузор» путём выбора оптимального закона закрутки лопаточного аппарата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Вокин Леонид Олегович

• Вокин Леонид Олегович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Вокин Леонид Олегович

Введение

1. Обзор и анализ современных исследований в области аэродинамики выходных диффузоров турбин

1.1. Газодинамические исследования осевых турбинных диффузоров

1.2. Вторичные течения

1.3. Методы борьбы со вторичными течениями

1.4. Законы закрутки лопаточных аппаратов

1.4.1. Закон постоянной циркуляции cur = const

1.4.2. Закон постоянства угла а1 = const

1.4.3. «Обратная закрутка»

1.5. Постановка задач исследования

2. Методика исследования

2.1. Методика экспериментального исследования

2.1.1. Интегральные характеристики ступени, диффузора и системы «С - Д»

2.1.2. Средние и местные величины параметров потока

2.1.3. Оценка неопределённости интегральных характеристик

2.2. Экспериментальный стенд ЭТ-4 Лаборатории турбиностроения СПбПУ

2.2.1. Ротор и гидротормоз

2.2.2. Модель направляющего аппарата. Механизм координатного устройства

2.2.3. Выходной диффузор с моделями силовых стоек в проточной части

2.2.4. Блок шумоглушения и отвода воздуха с регулятором противодавления

2.2.5. Моделирование. Выбор масштаба моделирования

2.2.6. Критерии кинематического подобия

2.2.7. Критерии динамического подобия

2.3. Схема измерений, приборы и измерительные системы

2.3.1. Координатные системы

2.3.2. Пневматические сканеры давления

2.3.3. Траверсирование

2.4. Методика численного исследования

2.4.1. Расчётная модель проточной части

2.4.2. Граничные условия

3. Результаты эксперимента

3.1. Результаты физического эксперимента

3.1.1. Интегральные характеристики системы «ступень - диффузор» со ступенью с традиционным законом закрутки а1=сош1

3.1.2. Интегральные характеристики системы «ступень - диффузор» со ступенью с «обратной закрутки»

3.2. Результаты численного моделирования

4. Сопоставление результатов физического эксперимента и численного моделирования

4.1. Сравнение результатов двух вариантов

4.2. Валидация численной модели по результатам эксперимента

5. Алгоритм профилирования ступени по закону «обратной закрутки»

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности системы «последняя ступень – диффузор» путём выбора оптимального закона закрутки лопаточного аппарата»

Актуальность работы.

В данный момент в РФ на базе ГТУ (газотурбинной установки) и комбинированных ГПУ/ПГУ (парогазовых/газопаровых установок) вырабатывается порядка 3% общего объёма электроэнергии, и оборудование этих станций требует обновления. В связи с этим, вкупе с санкциями, введёнными в 2014 году, имеется необходимость ускоренной разработки и внедрения новых отечественных установок.

Особый интерес представляют газопаровые установки с котлом-утилизатором. Главным агрегатом подобной установки является газовая турбина, поэтому создание высокоэкономичной газотурбинной установки большой мощности - актуальная проблема. Одним из методов повышения её эффективности является совершенствование проточной части.

Цель работы

Есть необходимость разработать рекомендации по выбору закона закрутки последней ступени газовой турбины. К её работе есть специфические требования, так как от неё во многом зависит работа выходного диффузора. Для выработки рекомендаций используются современные численные методы вкупе с экспериментальными исследованиями по методике, применяемой уже несколько десятилетий в Лаборатории Турбиностроения СПбПУ Петра Великого.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить численные расчёты течения в системе «последняя ступень -диффузор» («С - Д») с различными вариантами последних ступеней;

- провести сравнительные экспериментальные исследования с системы «С -Д», включающими ступени с различными закрутками;

- на основе полученных результатов выработать рекомендации по конструкции проточной части системы «С - Д» для данной ГТУ.

- на базе анализа полученных данных произвести возможные обобщения, касающиеся совершенствования систем «С - Д»

Научная новизна состоит в следующем:

- исследовано и проанализировано влияние закона закрутки последней ступени на работу блока «ступень - диффузор»;

- выработаны рекомендации по профилированию последних ступеней стационарных ГТУ большой мощности;

- проведена валидация численной модели блока «ступень - диффузор»;

Практическая значимость работы.

Полученные результаты имеют широкое практическое применение при конструировании будущих газотурбинных установок и модернизации действующих.

Методы исследований и достоверность полученных результатов.

Численные исследования проводились в пакете ANSYS CFX, физический эксперимент проводился в лаборатории Турбостроения Института Энергетики СПбПУ. Достоверность результатов физических экспериментов обеспечена высокоточной измерительной техникой, многократно апробированной и валидированой методикой проведения эксперимента, повторяемостью результатов и корреляцией между расчётными и опытными результатами.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались:

- доклад на конференции «Устойчивая энергетика SUSE-2021» - КГЭУ, г. Казань, февраль 2021

- доклад на LXIX научно-технической сессии по проблемам газовых турбин, Невский завод, г. Санкт-Петербург, сентябрь 2022

- доклад на LXXI научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин, г. Пермь, сентябрь 2024

Объект исследования.

Объектом исследования является отсек стационарной газотурбинной установки, состоящий из последней ступени и выходного диффузора - система «С - Д» ГТУ.

Предмет исследования.

Предметом исследования является повышение КПД последней ступени турбины посредством улучшения условий работы диффузора с помощью выбора оптимального закона закрутки лопаток последней ступени турбины.

Структура и объём диссертационной работы: 109 страниц, 54 изображений, 6 таблиц

В главе 1 производится обзор и анализ современных результатов исследований выходных диффузоров; факторов, влияющих на эффективность их работы; способы борьбы с негативно влияющими явлениями; особенности различных законов закрутки лопаток. На основании данного анализа были сформированы цель и задачи диссертационного исследования.

В главе 2 приводится описание методик физического эксперимента и численного моделирования: описание стенда ЭТ-4 и математического аппарата, необходимого для проведения эксперимента; описание постановки численного моделирования.

В главе 3 приводятся результаты физического и численного экспериментов.

В главе 4 приводится сопоставление результатов физического и численного эксперимента, проводится валидация численной модели результатами физического эксперимента.

В главе 5 описывается предлагаемый алгоритм профилирования ступени согласно закону «обратной закрутки» и приводится результат его применения в сравнении с результатами численного и физического моделирований.

В заключении приведены основные выводы по результатам исследования.

Публикации.

1. Вокин, Л. О. Влияние закрутки лопаток последней ступени на эффективность блока "ступень-диффузор" стационарной ГТУ / Л. О. Вокин, Е. Ю. Семакина, В. А. Черников // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2021. - Т. 23, № 4. - С. 84-95. - 001 10.30724/1998-9903-2021-23-484-95.

2. Л.О. Вокин, Е.Ю. Семакина, В.А. Черников, Оптимальная закрутка лопаточного аппарата последней ступени стационарной турбины с осевым диффузором. Л.О. Вокин, Е.Ю. Семакина, В.А. Черников. Сборник докладов LXIX научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин, Санкт-Петербург - 2022

3. Leonid Vokin, Elena Semakina, Viktor Chernikov, Viktor Rassokhin, Viktor Barskov, Aleksandr Sukhanov, Mikhail Laptev, Optimal rotor blade swirl law for the last stage of a stationary turbine with an axial diffuser, Natural Gas Industry B, Volume 10, Issue 5, 2023, Pages 436-444, ISSN 2352-8540, https://doi.org/10.1016/j.ngib.2023.09.001.

4. Принципы создания турбоустановок малой и средней мощности, работающих на сверхкритическом диоксиде углерода / Б. Гун, В. А. Рассохин, В. В. Барсков [и др.] // Газовая промышленность. - 2023. - № 11(856). - С. 42-52

1. Обзор и анализ современных исследований в области аэродинамики выходных диффузоров турбин

1.1. Газодинамические исследования осевых турбинных диффузоров

Диффузоры - это устройства, предназначенные для превращения кинетической энергии потока в потенциальную энергию поля сил давления. Для дозвуковых течений, свойственных проточной части за последней ступенью стационарных турбин - это расширяющиеся каналы, для сверхзвуковых -сужающиеся.

За счёт превращения энергии скорость потока вдоль оси диффузора падает, а давление в потоке растёт. Благодаря этому можно сжать поток так, что за последней ступенью давления будет ниже, чем имеющаяся величина давления за тубиной. Следовательно, повысится перепад энтальпии на последнюю ступень и на турбину в целом. В [1] указано, что прирост может составить до 10% в современных стационарных установках.

В масштабах одной стационарной установки классом мощности порядка 100 - 300 МВт, это соответствует приросту в несколько мегаватт. В расчёте по цене на электроэнергию в Санкт-Петербурге [2], равной 4.98 руб./кВт*ч, это даёт прирост прибыли в 87 - 175 млн. руб. в год.

Средняя оценка зависимости между оценкой эффективности восстановления давления и КПД последней ступени [3] - увеличение коэффициента восстановления давления на 10% соответствует повышению КПД системы «С - Д» на 1%.

Исследования диффузоров в прошлом [4] проводились с точки зрения теории пограничного слоя, без генератора вторичных течений, которые генерируются лопаточными аппаратами турбинной ступени. Эксперименты проводились с целью исследования зависимости между углом раскрытия и характером течения в диффузоре, а именно положением и видом отрыва от периферии канала, при этом указывается угол раскрытия в 8-10 градусов, как

соответствующий предотрывному течению. Результат подобных исследований показан на Рисунке 1.

Рисунок 1 - Результат физического эксперимента на коническом диффузоре без

генератора вторичных течений.

Стоит отметить, что в этих исследованиях, в силу отсутствия ступени, отсутствовали радиальные и окружные составляющие скорости на входе в диффузор, которые коренным образом влияют на течение на начальном участке диффузора. По этой причине, в [5,6] обосновывается необходимость использования ступени в качестве генератора трёхмерного течения при аэродинамических испытаниях диффузора: диффузор и последняя ступень в принципе необходимо рассматривать как единый объект исследования, части которого кардинальным образом влияют друг на друга и в целом вместе влияют на работу и экономичность всей турбины. Впрочем, в некоторых случаях, в целях удешевления физического эксперимента и упрощения модели в целом, используют актуаторы [7], жертвуя при этом достоверностью входящего в диффузор потока.

Предвключённая ступень вносит в течение в диффузор вторичные течения. В результате получается вихревая структура, плохо поддающаяся аналитическому

описанию. По этой причине, целесообразно применять численные методы исследования потока [8,9] с последующей верификацией физическим экспериментом [10]

Согласно результатам указанных выше исследований, при наличии ненулевого радиального зазора, за рабочим колесом возникает оформленная система концевых вихрей, закрученных вдоль осей, совпадающих с направлением векторов относительных скоростей на выходе. Изображение вихревой картины, полученное в [8], показано на Рисунке 2.

Рисунок 2 - Вихревая картина за ступенью Эта система вихрей проникает далеко в диффузор и влияет на течение вокруг силовых стоек на периферии [11].

Структура вихрей зависит так же от режима работы: в [12,13] показано, что на частичных режимах работы появляются отрывные зоны за стойками, негативно

влияющие на эффективность восстановления статического давления в диффузоре. На рисунке 3 показаны структуры отрывных зон и коэффициента восстановления давления в зависимости от режима работы установки. Стоит отметить, что в работе [13] не использовалась предвключенная ступень.

■ at Exp. TLR00 ■ at Exp. TLR20 I ACP I ACP — Cp,C FD ~~ — Cp.CFD — Cji.Exp. Cp,Exp. TLR00 TLR20

■■ annular exit: ln = 2.37 AAcylindrical exit: ln = 10.95 ттсошса! exit: ln = 26.44

Ma = 0.3 Ma = 0.5 Ma = 0.7 Ma = 0.8 Ma = 0.85 a = -60° a - -30° a = 5° a = 12° a = 25°

Part-Load Design-Load Over-Load --1--

Рисунок 3 - Зависимость конфигурации отрывных зон от режима нагрузки Упоминая влияние силовых стоек на работу диффузора, стоит отметить, что специальное профилирование рёбер не оказывает существенного влияния, что показано в работе [14], причём наилучший результат показали стойки цилиндрического сечения.

Помимо концевых вихрей у периферии рабочего колеса, существуют вихри, возникающие из-за обтекания вязким потоком вращающихся лопаток. Однако они диссипируют довольно быстро.

Через радиальный зазор проникают высокоэнергетические вихри, формирующиеся за направляющим аппаратом, и двигающиеся под углом к окружному направлению, равным углу а1 на периферии [15]. Стоит отметить, что

взаимодействие вихрей не зависит от массового расхода и окружной скорости вращающегося колеса, как описано в [16]: мощность струи из радиального зазора зависит в основном от геометрических параметров периферийной области и, в случае необандаженного колеса, формы пера лопатки у торца [17].

Количественно число вихрей из радиального зазора равно числу направляющих лопаток. Вместе с концевыми вихрями из рабочего колеса получается сетчатая структура.

Влияние подобной структуры на поток при входе в диффузор было исследовано в [18,19,20]. В этих работах проводились физические и численные эксперименты на модельных диффузорах. Один из результатов - факт того, что коэффициент восстановления давления диффузора Ср возможно существенно повысить, если проектировать диффузор с учётом неравномерного течения на выходе из турбины, относительно устаревших методик, рассчитанных для ламинарного, равномерного осевого потока. Физический эксперимент показал, что достижение высокого Ср возможно только в случаях с особым профилем давления и скоростей на выходе из ступени [21], который не даёт оторваться пограничному слою от периферии и от втулки одновременно.

При проведении численных расчётов необходимо учитывать нестационарные эффекты: в [22] показано, что периодическая нестационарность потока влияет на течение в диффузоре значительно сильнее, чем на поток в межлопаточных каналах. Так как течение в диффузоре, в свою очередь, влияет на работу ступени - реализуется обратная связь вверх потоку.

1.2. Вторичные течения

Течение рабочего тела в турбинах имеет крайне сложную и зачастую отрывную структуру. Вследствие этого возникают различные механизмы потерь энергии в потоке. Их решающее влияние на экономичность турбин является причиной пристального интереса конструкторов и расчётчиков. По этой причине за время существования отрасли турбостроения накопился объем публикаций,

посвящённых классификации, оценке и влиянию различных видов вторичных потерь.

В [23] перечислены виды потерь: Профильные потери:

• от вихреобразования, трения в погранслое и его отрыве

• потери при диссипации кромочных следов

• волновые потери (при критических/закритических режимах течения)

Концевые потери:

• потери от вторичных течений

• потери от погранслоя на периферийной кромке

• потери от перетечки в радиальном зазоре

Дополнительные потери:

• потери от охлаждения

• потери от негерметичности

• потери от трения ротора о газ

Существуют различные эмпирические модели вторичных течений. Наиболее ранняя и простая модель - модель Хафторна. [24]. Она схематично показана на Рисунке 4.

Данная модель включает в себя два вихря - канальный и закромочный. Первый возникает по причине сворачивания пограничного слоя в вихрь при движении от корыта к спинке лопатки из-за положительного градиента давления [25]. Второй - из-за перетекания погранслоёв, имеющих разные скорости, с разных поверхностей лопатки. В современной классификации, потери от данного вихря включаются в профильные.

Модификацией модели Хафторна можно считать модель Лэнгстона [26] Аналогично, она содержит канальный вихрь, отличие заключается в появлении встречного вихря, именуемого в современной литературе «угловым вихрем». Он возникает от воздействия канального вихря, вдоль линии сопряжения корневой поверхности и спинки лопатки. Он имеет противоположное направление вращения, что и является причиной для названия «встречный». Структура модели показана на Рисунке 5

Далее, модификацией модели Лэнгстона является модель Шарма и Батлера [27]. Отличие от модели Лэнгстона состоит в наличии подковообразного вихря. Лопатка начинает влиять на пограничный слой до входа в межлопаточный канал, что приводит к замедлению потока и разбуханию пограничного слоя перед входной кромкой. Ниже по течению поток должен разделиться лопаткой на два -вдоль корытца и вдоль спинки. В результате действия градиента давления, поток отделяется от торцевой поверхности в точке si, так называемой «saddle point» -

Прь

поперечное течение

^^ЕуЛ Канальный У \ вихрь

Встречный (угловой) вихрь

Рисунок 5 - Модель Лэнгстона

точке отрыва [28]. После этого, пограничный слой создаёт обратное течение на входной кромке, отделяется снова в точке 82 и затем разделяется на две ветви. Ветвь со стороны спинки прижимается к ней, ветвь со стороны корытца пересекает межлопаточный канал и прижимается к спинке соседней лопатки. Согласно модели, вихри взаимодействуют между собой следующим образом: ветвь со стороны спинки оборачивается вокруг канального вихря, а ветвь со стороны корытца - сливается. Структура модели показана на Рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 - Модель Шарма и Батлера

Следующей модификацией является модель Голдштейна и Спорса [29]. К введённым ранее вихрям добавляется ещё одна структура - угловой вихрь. Принцип его формирования аналогичен подковообразному вихрю. Он - результат пересечения поперечных потоков на периферии и у корня проточной части. Сильнее всего он проявляется в решётках с большим углом разворота потока [30].

Угловые вихри - это структуры, получающиеся в результате расщепления основных вторичных течений в углах между радиальными обводами проточной части и спинкой с корытцем лопатки.

Схема данной системы вторичных течений показана на Рисунке 8.

Рисунок 8 - Модель Голдштейна и Спорса Одна из самых современных и подробных моделей вторичных течений -модель Ванга [31]. Компоненты структуры вихрей аналогичны модели Голдштейна и Спорса, однако отличается их расположение и их взаимодействие. Эта модель используется в большинстве современных исследованиях вторичных течений.

В дополнение к модели Голдштейна и Спорса вводится пристенный вихрь, индуцированный канальным вихрем. Этот вихрь, вместе с ветвью подковообразного вихря со стороны спинки, взаимодействуют с канальным вихрем схожим образом, включая слияние аналогичных вихрей в модели Шарма и Батлера.

Значительное количество работ посвящено вихрю утечки через радиальный

зазор.

Данный вихрь происходит из вторичного течения через радиальный зазор над торцевой поверхностью лопатки. Течение возникает из-за разности давлений на разных сторонах лопатки, и взаимодействия с основным и вторичными течениями создают вихрь. В [32] исследовано распределение давления вдоль периферийной кромки лопатки и периферийного обвода проточной части. Выводом из этого исследования стал тот факт, что основной расход утечки проходит через место, соответствующее середине хорды периферийного сечения. Был оценён количественный вклад в потерю от утечки в зазоре: 48% от диссипации вихря, 39% от трения о торцевую поверхность и только 13% непосредственно на формирование вихря. Были проведены исследования на данную тему [33, 34], которые не только показали влияние разности углов основного течения и потока утечки, но и наличие оптимального радиального зазора в случае работы ступени в блоке с диффузором. Возможный положительный эффект от него описан в [35].

Вторичные течения в последней ступени, в силу большой относительной длины лопатки, носят локальный характер: они находятся у корневой и периферийной областей проточной части, поэтому рассматривать их следует отдельно. На необандаженных лопатках около торцевой поверхности лопаток существует индуктивный вихрь, имеющий большую энергию вследствие высоких местных скоростей потока. Эти вихри проникают в диффузор, образуя в ней слой стоячих вихрей, находящийся немного ниже торцов лопаток. В диффузоре этот слой смешивается с вышеупомянутым периферийным течением из радиального зазора, образуя в итоге сложнейшую вихревую структуру, причём взаимодействие с основным потоком может иметь как положительное, так и отрицательное влияние.

Все вышеперечисленные вторичные явления проникают в турбинный диффузор, решающим образом влияя на течение в нём. По этой причине имеет смысл рассмотреть способы борьбы с ними.

1.3. Методы борьбы со вторичными течениями

Существует большой объём литературы, посвящённый повышению эффективности турбинных ступеней. Так, некоторые способы показаны на Рисунке 9.

I

Способы борьбы с вторичными течениями

Макровоздействия на поток Специальное профилирование лопаток

Профил ирование торцевых поверхностей (меридионал ьное профилирование)

Закрутка с учетом концевых потерь и углов в предыдущем венце

Учет условий входа

Несимметричное профилирование торцевых поверхностей

I

Управление пограничным слоем на торцевых поверхностях

Перегородки

Расходное воздействие

Уступы, ребра, канавки

Рисунок 9 - Методы борьбы со вторичными течениями В [36] авторы, в результате численной оптимизации формы торцевых поверхностей проточной части лопаточного аппарата пришли к выводу о возможности уменьшения потерь полного давления, как в исследовании выше, что привело к увеличению КПД на 0,5%. Это происходит благодаря уменьшению интенсивности канальных вихрей и на втулке, и у периферии. Причиной уменьшения служит перераспределение статических давлений между спиной и корытцем вблизи обводов проточной части. Полученная в результате оптимизации поверхность показана на Рисунке 10. Как видно из рисунка, аналитически такую форму получить практически невозможно.

Рисунок 10 - Криволинейные торцевые поверхности Другой пример эффективного вмешательства в геометрию проточной части описан в [37]. Здесь авторы вводят дельтаобразные турбулизаторы, т.н. «delta wings», перед входом в решётку, с целью управления вихревой структурой в межлопаточном канале. Переставляя турбулизатор в окружном направлении, авторам удалось найти оптимальное его положение и добиться снижения потерь полного давления на 6%.

В [38] рассматривается влияние геометрии входной и выходной кромок на вторичные течения. Согласно полученным в данном исследовании результатам, имеет смысл отдельно профилировать форму входной кромки по радиусу: такой метод позволяет уменьшить потери полного давления на 0,05%. В частности, профилированная входная кромка позволяет уменьшить силу подковообразного вихря и обратить его ветвь в канальный вихрь (что интересно, при увеличении радиуса скругления); профилированная выходная кромка позволяет уменьшить рост пограничного слоя возле неё.

Ряд работ посвящён использованию криволинейных лопаток направляющего аппарата. Так, в [39, 40] описаны аэродинамические

исследования, традиционных радиальных лопаток, а также криволинейных лопаток: серповидных и саблевидных, показанных на Рисунке 11.

Рисунок 11 - Традиционная, серповидная и саблевидная лопатки Испытания проводились в ЦИАМ им. Баранова. Как они показали, в случае саблевидных лопаток растут профильные потери, но пограничные слои и вторичные потери заметно уменьшаются.

Метод профилирования лопаток последних ступеней паровых турбин с применением переменного наклона по высоте описан в работе [41]. Исследования проводились на ступенях с постоянной циркуляцией. Изменение угла гамма (наклона лопатки) привело не только к снижению потерь в корневой и периферийной зонах течения, но и к снижению градиента степени реактивности по высоте, что привело к выравниванию поля скоростей за ступенью.

Множество работ посвящено уменьшению потерь от перетекания через радиальный зазор. Исходя из простейших моделей, наименьшая величина обеспечит наименьшую потерю экономичности [42], так как изменение КПД прямо пропорционально величине относительного радиального зазора. Однако стоит учесть, что радиальный зазор не может быть нулевым или слишком малым - корпусные детали и детали ротора, включая лопатки, расширяются несинхронно: корпусные детали, как правило, тонкие относительно роторных

деталей, следовательно имеют меньшую тепловую инерцию. [43] Скорость термических деформаций корпусных деталей соответственно выше. Следствием этого факта могут быть: опасность задевания корпуса на режиме сброса газа -корпус охлаждается быстрее лопаток и «садится» на их торцы; и пониженная эффективность на режиме набора газа - корпус расширяется быстрее лопаток, раскрывая при этом радиальный зазор. Есть несколько способов борьбы с этим явлением - например, проектирование с согласованием термических расширений, требующий решения нестационарной термической задачи, с заданной рабочей циклограммой в качестве одного из граничных условий. Данный способ весьма сложен при проектировании, поэтому более распространен метод активного управления радиальным зазором [44] с помощью охлаждения корпуса турбины с наружной поверхности отбираемым от компрессора воздухом. Перспективными считаются методы активного управления потоком: например, кольцевым плазменным актуатором [45], состоящим из двух электродов: кольцевого, расположенного на периферийном обводе проточной части, и самих лопаток, выполняющих роль заземлённого электрода. При подаче на кольцевой электрод высоковольтный и высокочастотный заряд, между ним и лопатками возникает пробойный разряд, генерирующий плазму и запирающий поток через радиальный зазор.

В данной диссертации главное внимание уделено особому методу снижения негативного применительно к последующему течению в диффузоре. Этим методом является специальное профилирование лопаток последней ступени турбины в соответствии с оптимальным для данных условий методом закрутки потока в ступени. В работе [46] метод такого рода показал себя перспективным в аспекте повышения эффективности блока «С - Д».

Анализ методов снижения вторичных течений в турбинных ступенях показывает, что они всегда связаны с усложнением технологии производства лопаточных аппаратов. При этом недостаточно надёжно решены

аэродинамические проблемы, сопровождающие эти сложные вихревые потоки, чтобы выполнить уверенное проектирование системы «С - Д».

Наряду с изложенным необходимо иметь в виду, что кроме вторичных течений, на поток, покидающий последнюю ступень, решающее влияние оказывает тип закрутки её направляющего аппарата.

1.4. Законы закрутки лопаточных аппаратов

Все последние ступени стационарных турбин имеют относительно

большую длину лопатки < 0,1, где 12 - длина лопатки, d2cp - средний

диаметр, и поэтому выполняются с закрученными лопатками. Взаимодействия закрученного нестационарного ЭЭ-потока с вихревыми вторичными и закромочными течениями на выходе из рабочего колеса приводят к сложной структуре течения на при входе в диффузор. Именно от неё (этой структуры) в значительной мере зависит процесс в самом диффузоре. Поэтому следует выполнять исследования аэродинамики диффузоров турбин обязательно в составе системы «С - Д».

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вокин Леонид Олегович, 2024 год

Список литературы

1. М.С. Зандер, Е.Ю. Семакина, В.А. Черников, Экспериментальные и численные исследования структуры 3D-потока в отсеке «турбинная ступень — осевой диффузор», Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 1' 2013

2. Распоряжение Комитета по тарифам Санкт-Петербурга от 16.12.2020 № 244-р

3. Munyoki, D, Schatz, M, & Vogt, DM. Detailed Numerical Study of the Main Sources of Loss and Flow Behavior in Low Pressure Steam Turbine Exhaust Hoods. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 8: Microturbines, Turbochargers and Small Turbomachines; Steam Turbines. Charlotte, North Carolina, USA, 2017

4. Мигай В.К., Гудков Э.И. Проектирование и расчёт выходных диффузоров турбомашин, Машиностроение, Ленинградское отделение, 1981 -272 с.

5. Mihailowitsch, M., Schatz, M., and Vogt, D. M. Numerical Investigations of an Axial Exhaust Diffuser Coupling the Last Stage of a Generic Gas Turbine. ASME. J. Eng. Gas Turbines Power. 2019

6. Черников, В. А. Влияние структуры входного потока на аэродинамику выходного диффузора мощной газовой турбины / В. А. Черников, Е. Ю. Семакина // Совершенствование энергетических машин : Сборник научных трудов. - Брянск : Брянский государственный технический университет, 2021. - С. 19-38. - EDN YZRKNH.

7. S. Sadasivan, S. K. Arumugam and M. C. Aggarwal, Numerical Simulation of Diffuser of a Gas Turbine using the Actuator Disc Model, Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 12, No. 1, pp. 77-84, 2019

8. С.А. Галаев, А.И. Кириллов, Е.М. Смирнов, Д.О. Панов, Численное моделирование нестационарного течения и теплообмена в

выходном диффузоре газовой турбины, Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 4' 2016,

9. Ding, B. (2019). Aerodynamics of Low Pressure Steam Turbine Exhaust Systems. https://doi.org/10.17863/CAM.37365

10. Chernikov V., Semakina E., Mimic D., Jätz С., Seume J., Aerodynamic Studies Of A Combined Turbine-Stage- Exhaust System, 35th Anniversary Of Cooperetion. Results Of Joint Research Activity Of Scientists From Peter The Great Saint-Petersburg Polytechnic University And Leibniz Universität Hannover. Saint-Petersburg, 2019. С. 84-99.

11. К вопросу о численном моделировании трехмерного течения в выходном диффузоре газовой турбины / А. И. Кириллов, В. А. Черников, Е. Ю. Семакина, В. Ю. Исупов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. - 2015. -№ 4(231). - С. 30-35. - DOI 10.5862/JEST.231.4.

12. S. Hummel, M. Bauer and D. M. Vogt, Study of gas turbine exhaust diffuser flow and performance characteristics at off-design conditions, Proceedings of 14th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics ETC14, April 12-16, 2021; Gdansk, Poland

13. Bauer, M, Hummel, S, Schatz, M, Kegalj, M, & Vogt, DM. Investigation of the Flow Field and the Pressure Recovery in a Gas Turbine Exhaust Diffuser at Design, Part-Load and Over-Load Condition. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2D: Turbomachinery. Virtual, Online. September 21-25, 2020. V02DT36A009.

14. Fleige, H., Riess, W. and Seume, J. (2002). Swirl and Tip Leakage Flow Interaction with Struts in Axial Diffusers, In Proceedings of ASME Turbo Expo 2002, GT-2002-30491

15. D. Mimic, B. Drechsel, F. Herbst, Correlation Between Pressure Recovery of Highly Loaded Annular Diffusers and Integral Stage Design

Parameters, ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, June 26-30, 2017, Charlotte, North Carolina, USA

16. Gursharanjit Singh, The study of the interactions between a low pressure steam turbine and axial-radial diffuser, School of Engineering and Materials Science, Queen Mary University of London, 2014

17. Musch, C., Stüer, H., and Hermle, G. (November 6, 2012). "Optimization Strategy for a Coupled Design of the Last Stage and the Successive Diffuser in a Low Pressure Steam Turbine." ASME. J. Turbomach. January 2013; 135(1): 011013. https://doi.org/10.111571.4006335

18. M. Kuschel, B. Drechsel, D. Kluß, J. R. Seume, Influence of Turbulent Flow Characteristics and Coherent Vortices on the Pressure Recovery of Annular Diffusers: Part A — Experimental Results, ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition, June 15-19, 2015, Montreal, Quebec, Canada

19. Хоанг, В. Ч. Влияние входных граничных условий на аэродинамические характеристики выходного тракта двухвальной ГТУ / В. Ч. Хоанг, В. А. Черников, Е. Ю. Семакина // Неделя науки СПбПУ : Материалы научной конференции с международным участием. Институт энергетики и транспортных систем, Санкт-Петербург, 19-24 ноября 2018 года. Том Часть 1. - Санкт-Петербург: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2018. - С. 104-106.

20. M. Kuschel, B. Drechsel, D. Kluß, J. R. Seume, Influence of Turbulent Flow Characteristics and Coherent Vortices on the Pressure Recovery of Annular Diffusers: Part B — Scale-Resolving Simulations, ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition, June 15-19, 2015, Montreal, Quebec, Canada

21. Hirschmann, A., Volkmer, S., Schatz, M., Finzel, C., Casey, M., and Montgomery, M. The Influence of the Total Pressure Profile on the Performance of Axial Gas Turbine Diffusers. ASME. J. Turbomach. 2012

22. Fu, J., Liu, J., and Zhou, S. (July 19, 2011). "Unsteady Interactions Between Axial Turbine and Nonaxisymmetric Exhaust Hood Under Different Operational Conditions." ASME. J. Turbomach. July 2012; 134(4): 041002.

23. Пискунов С.Е., Попов Д.А., Самойленко Н.А. Общая классификация потерь и обзор моделей вторичных течений в решетках газовых турбин // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2020. №63.

24. Hawthorne W.R. Rotational flow through cascades. The Quartet Journal of Mechanics and AppliedMathematics. 1955, vol. 8, issue 3, pp. 266-279.

25. Самохвалов Н.Ю., Хайрулин В.Т., Тихонов А.С. Верификация расчетных трехмерных моделей образования вторичных вихревых течений в межлопаточных каналах турбин газотурбинных двигателей по данным испытаний тестового профиля т106 // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. №2 (49).

26. Langston L.S. Crossflows in a Turbine Cascade Passage. Journal of Engineering for Power. 80-GT-5, V. 102, N 4, pp. 866-874, 1980.

27. Sharma O.P., Butler T.L. Prediction of endwall losses and secondary flows in axial flow turbine cascade. ASME J. Turbomachinery, 109, pp. 229-236,

1987.

28. Marchal Ph., Sieverding C.H. Secondary flows within turbomachinery bladings. AGARD-CP-24, 1977, 11 p.

29. Goldstein R.J., Spores R.A. Turbulent transport on the endwall in the region between adjacent turbine blades. ASME, J. Heat Transfer, 110, pp. 862-869.

1988.

30. Ingram G.L. Endwall profiling for the reduction of secondary flow in turbines. Doctoral thesis, Duhram University, 2003, 214 p.

31. H.P. Wang, S.J. Olson, R.J. Goldstein, E.R.G. Eckert Flow visualization in a linear turbine cascade of high performance turbine blades. Journal of Turbomachinery, 1997, vol. 119, no. 1, pp. 1-8.

32. Bindon, J.P., 1987. Pressure distribution in the tip clearance region of an unshrouded axial turbine as affecting the problem of tip burnout. In: Proc. of International Gas Turbine Conference, Anaheim, California, USA, 87-GT-230.

33. Гуленков М.Б., Черников В.А., Семакина Е.Ю., Оптимальный радиальный зазор рабочего колеса в блоке с выходным диффузором, SUSE-2021, 2021, Казань.

34. Kluß, D, Wiedermann, A, & Volgmann, W. Impact of Gas Turbine Outflow on Diffuser Performance: A Numerical Study. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2004: Power for Land, Sea, and Air. Volume 5: Turbo Expo 2004, Parts A and B. Vienna, Austria, 2004. pp. 111-119.

35. Opilat, V, & Seume, JR. The Effect of the Operating Conditions of the Last Turbine Stage on the Performance of an Axial Exhaust Diffuser. Proceedings of the ASME 2011 Turbo Expo: Turbine Technical Conference and Exposition. Volume 7: Turbomachinery, Parts A, B, and C. Vancouver, British Columbia, Canada, 2011. pp. 695-704.

36. В.В. Вятков, Д.В. Карелин, С.А. Ковалёв, Т.В. Томилина, Разработка конструктивных мероприятий, обеспечивающих снижение вторичных потерь в венцах газовой турбины

37. Qi Lei, Zou Zhengping, Wang Peng, Cao Teng, Liu Huoxing, Control of secondary flow loss in turbine cascade by streamwise vortex, Computers & Fluids 54(2012)45-55

38. Ananthakrishnan, K.; Govardhan, M. Influence of fillet shapes on secondary flow field in a transonic axial flow turbine stage. Aerosp. Sci. Technol. 2018, 82, 425-437

39. Венедиктов В.Д., Руденко С.В., Колесов А.Н., Экспериментальное исследование сопловых решеток с криволинейными лопатками, Теплоэнергетика № 11 2005

40. С.В. Караджи, Р.З. Тумашев, Сравнение аэродинамических характеристик лопаточных венцов с различной формой оси лопатки, Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2012 5) 245-257

41. Филиппов Г.А., Аветисян А.Р., Пути повышения экономичности ступеней турбин большой веерности, Теплоэнергетика № 2 2009

42. Холщевников К.В. Теория и расчёт авиационных лопаточных машин. - Из-во «Машиностроение». М. 1970 - С.612.

43. Самойленко Н.А., Попова Д.Д., Попов Д.А. Обзор систем активного управления радиальными зазорами турбин, применяемых в авиационном двигателестроении. Направления и перспективы развития // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2021. №65.

44. Тисарев, А. Ю. Управление радиальными зазорами в турбине авиационного двигателя / А. Ю. Тисарев // Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. - 2013. - № 2(25). - С. 83-88. - EDN RTVSAJ.

45. Takayuki Matsunuma, Takehiko Segawa, Vortex structure for reducing tip leakage flow of linear turbine cascade using dielectric barrier discharge plasma actuator, Aerospace Science and Technology Volume 136, May 2023, 108215

46. Ding, B, Xu, L, Yang, J, Yang, R, & Dai, Y. The Effect of Stage-Diffuser Interaction on the Aerodynamic Performance and Design of LP Steam Turbine Exhaust Systems. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Expo-sition. Volume 8: Microturbines, Turbochargers, and Small Turbomachines; Steam Turbines. Oslo, Norway, 2018.

47. Белозерова, А. Д. Потери теплоты с веерностью в ступенях турбин / А. Д. Белозерова, В. С. Баянкова // Актуальные проблемы энергетики - 2021 : Материалы студенческой научно-технической конференции, Минск, 25-29 октября 2021 года. - Минск: Белорусский национальный технический университет, 2021. - С. 652-656.

48. Akeel, S & Najjar, Yousef. (2013). Comparison of free-and forced-vortex designs for computation of mass flux in an axial gas turbine stage. Energy, Education, Science and Technology. 31. 55-66.

49. И.И. Кириллов, Теория турбомашин, 1974.

50. Слабченко О.Н., Фролов Б.И., Немерцов В.А., Проектирование предотборных ступеней теплофикационных паровых турбин, Теплоэнергетика. 1992. № 6. С. 47-49

51. Мамаев Б.И., Печенкин А.Н., Шуверова Т.И., Расчётно -экспериментальное исследование пространственного потока в сопловом аппарате турбины, Теплоэнергетика. 1992. № 6. С. 33-37

52. 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.

53. Х. Шенк, Теория инженерного эксперимента, 1972

54. Черкасова, М. Г. Численное моделирование течения газа в затурбинном диффузоре на переменных режимах с верификацией по эксперименту / М. Г. Черкасова, В. А. Черников, Е. Ю. Семакина // XIII Всероссийский Съезд по теоретической и прикладной механике: Сборник тезисов докладов. В 4-х томах, Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 года. -Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2023. - С. 474-476.