Совершенствование системы «ступень-диффузор» на основе расчетно-экспериментального исследования в пределах полного диапазона нагрузки ГТУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Черкасова Марина Геннадьевна

• Черкасова Марина Геннадьевна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Черкасова Марина Геннадьевна

Введение

1 Обзор и анализ состояния вопроса

2 Методика расчетно-экспериментального исследования и научно-техническое оборудование

2.1 Моделирование натурной геометрии на параметры стенда ЭТ-4 и воздуходувной станции лаборатории турбиностроения СПбПУ

2.1.1 Выбор масштаба моделирования

2.1.2 Критерии подобия и моделирование базового режима испытаний

2.2 Универсальный опытный стенд ЭТ-4 лаборатории турбиностроения СПбПУ

2.2.1 Особенности конструкции стенда ЭТ-4

2.2.2 Основные агрегаты стенда и специфика их конструкции применительно к модели системы «ПС - Д» стационарной ГТУ

2.2.3 Схема измерений

2.2.4 Схема измерений системы имитации дополнительного подвода воздуха от компрессора

2.2.5 Измерительная система силовых стоек

2.2.6 Измерительная техника

2.3 Методика численного исследования системы «ПС - Д»

2.3.1 Особенности расчетной геометрической и сеточной моделей

2.3.2 Постановка задачи численного моделирования

2.4 Математический аппарат по обработке опытных данных

2.4.1 Интегральные характеристики ступени

2.4.2 Интегральные характеристики диффузора

2.4.3 Интегральные характеристики системы «ПС - Д»

3 Исследование базовой геометрии на различных режимах

3.1 Базовая геометрия с двумя рядами стоек

3.1.1 Экспериментальное исследование аэродинамики потока с двумя рядами стоек

3.1.2 Численное исследование аэродинамики потока с двумя рядами стоек

3.1.3 Анализ результатов по базовой геометрии с двумя рядами стоек

3.2 Базовая геометрия с одним рядом стоек

3.2.1 Численное моделирование аэродинамики потока с одним рядом стоек

3.2.2 Экспериментальные исследования в диапазоне режимов работы ГТУ от 75 до 115% нагрузки

3.2.3 Сопоставление эксперимента и расчёта

4 Исследование промежуточной геометрии системы «ПС-Д» в широком диапазоне режимов

4.1 Изменение геометрии

4.2 Результаты исследования промежуточной геометрии системы «ПС - Д»

5 Исследование модернизированной геометрии системы «ПС - Д» во всем диапазоне режимов нагрузки ГТУ

5.1 Изменение геометрии

5.2 Результаты исследования модернизированной геометрии

5.3 Моделирование переброса воздуха из-за компрессора в диффузор

6 Сравнительный анализ исследованных систем «ПС - Д»

7 Исследование пульсаций давления в модернизированной геометрии системы «ПС - Д» при различных режимах нагрузки ГТУ

7.1 Особенности аэродинамики потока в диффузоре в условиях срывного характера обтекания силовых стоек на режимах низкой нагрузки

7.2 Система измерений пульсаций давления

7.3 Методика обработки опытных данных

7.4 Результаты измерений нестационарных характеристик потока в диффузоре

7.4.1 Результаты измерений пульсаций давления в кольцевом диффузоре

7.4.2 Нестационарные аэродинамические нагрузки на втулке и обтекателях

силовых стоек модельной системы «ПС - Д»

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстрированного материала

Приложение А. Тарировочные характеристики системы 3D-Ц-зонд иБ

Приложение Б. Результаты переменных режимов базовой геометрии

Приложение В. Результаты траверсирования переменных режимов модернизированной

геометрии

Приложение Г. Контуры распределения параметров потока в диффузоре

модернизированной геометрии

Приложение Д. Влияние геометрии деталей диффузора на его эффективность

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование системы «ступень-диффузор» на основе расчетно-экспериментального исследования в пределах полного диапазона нагрузки ГТУ»

ВВЕДЕНИЕ

Турбинные диффузоры, являясь неотъемлемой частью любой ГТУ, предназначены для осуществления двух основных функций аэродинамического характера - транспортировка потока газа, покидающего последнюю ступень турбины, и преобразование кинетической энергии этого потока в поле сил давления. В соответствии с уравнением сохранения энергии — это преобразование сопровождается повышением давления по потоку до заранее заданной величины: например - до давления в потоке перед котлом-утилизатором, если ГТУ работает по комбинированному циклу. В результате давление за последней ступенью турбины будет ниже, чем давление за ГТУ, и перепад энтальпий на турбину возрастет. Это увеличение теплоперепада тем больше, чем эффективнее аэродинамический процесс восстановления давления в диффузоре. Так как все стационарные ГТУ предназначены для работы в переменной части графика нагрузки сети (от перегрузочных режимов до режимов холостого хода), то определяющее влияние на аэродинамические процессы в диффузоре оказывает структура потока за последней ступенью.

Данная диссертация посвящена изучению аэродинамических качеств турбинного диффузора во всем диапазоне изменения режимов стационарной ГТУ большой единичной мощности, поскольку сведений по этой проблеме явно недостаточно.

Газовые турбины являются основным агрегатом в комбинированном цикле ПГУ, где рабочее тело после газовой турбины поступает в котел-утилизатор для генерации пара. Для эффективной работы котла, газ на входе в него должен обладать определенными характеристиками, в частности, невысокой скоростью потока (около 50 м/с) и равномерностью распределения по поперечному сечению. Данные свойства поток приобретает в качественно спроектированном выходном тракте затурбинного диффузора.

Актуальность темы исследования определяется необходимостью спроектировать выходной затурбинный диффузор ГТЭ-65 для обеспечения устойчивой, эффективной и надежной работы ГТУ в широком диапазоне нагрузки. В настоящее время ГТУ вынуждены длительно работать на режимах частичной нагрузки для удовлетворения спроса потребителя. Имеющиеся исследования на тему затурбинного диффузора на частичных режимах работы установки, как правило, покрывают режимы более 70% нагрузки или, исследуют работу диффузора без предвключённой ступени [1, 2]. Далее в работе показано, что на режимах ниже 50% нагрузки генерируются отрывы на силовых стойках диффузора, которые имеют пульсационный характер и не могут быть правдоподобно смоделированы в нестационарном расчете в URANS постановке. Поэтому, необходимо расширить базу знаний по характристикам потока во всем диапазоне переменных режимов. Обеспечение высокоэффективной работы

диффузора при различных входных параметрах является актуальной задачей, решение которой позволит выйти на качественно новый уровень их проектирования.

Потери давления в диффузоре определяют величину давления за турбиной, а значит и теплоперепад на последнюю ступень. Для корректной оценки мощности, которую можно получить на режимах частичной нагрузки необходимо понимание имеющегося теплоперепада на турбину на всех режимах нагрузки вплоть до холостого хода, что подтверждает актуальность исследования системы «ПС - Д» во всем диапазоне нагрузки ГТУ.

Для некоторых газотурбинных установок, в частности, для ГТЭ-65 в силу особенностей работы камеры сгорания, воздух, нагнетаемый компрессором на режимах малой нагрузки ГТУ, является избыточным. Это приводит к необходимости сброса части воздуха от компрессора в обход камеры сгорания в турбинный диффузор. Одним из вариантов является переброс закомпрессорного воздуха в диффузор. Трубы переброса воздуха стыкуются с корпусом диффузора на его периферии, что приводит к тому, что значительное влияние дополнительного подвода воздуха будет оказывать именно на периферийные слои течения в диффузоре. На режимах низкой нагрузки, как правило, центральная часть диффузора занимается вихрем, образующимся после резкого обрыва втулки, и основное восстановление давления в диффузоре происходит на среднем и периферийном радиусах. Поэтому дополнительное возмущение в периферийные слои течения нельзя оставлять без внимания. Влияние дополнительного воздуха, сбрасываемого в диффузор, на характер течения в нем не изучено, поэтому данное направление исследования является актуальной и важной задачей.

Для обеспечения надежности конструкции на режимах низкой нагрузки в условиях пульсационных срывов потока на стойках диффузора, выполнен спектральный анализ нестационарных процессов в потоке путем замера пульсации давления на поверхностях стойки и втулки диффузора малоинерционными датчиками давления. Исследование нестационарных процессов необходимо для оценки их влияния на вибрационную надежность конструкции выходного диффузора, в частности консольно закрепленной втулки и её крышки. Надежность конструкции, безусловно, является актуальной задачей при проектировании.

Степень разработанности. Исследование и совершенствование работы затурбинного диффузора длится уже более 50 лет. За это время изучением вопроса занимались различные ученые, работы которых рассмотрены в разделе 1: Черников В.А., Семакина Е.Ю., Мигай В.К., Гудков Э.И., Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Кириллов И.И., Кириллов А.И., Галаев С.А., Васильев В.А., Дыскин Л.М., Богатырев А.Г., Farokhi S., Bauer M., Hummel S., Seume J.R., Kluss D., Stoff H., Hirschmann A., Volkmer S. и др.

Основными направлениями фундаментальных исследований было снижение потерь и уменьшение степени неравномерности потока в диффузорах с различными углами раскрытия, при этом, обычно, диффузор рассматривался как отдельная единица [1, 2]. Далее было отмечено, что одним из основных факторов, влияющих на течение в диффузоре является закрутка потока на входе в него [3, 4], и диффузоры стали исследовать совместно с последней ступенью турбины [5, 6, 7]. С развитием численных методов, их стали активно использовать в дополнение или даже вместо экспериментальных исследований, что позволило визуализировать и лучше понять процессы, протекающие в проточной части диффузора.

Тем не менее, ранее проведенные исследования обычно ограничены своей зоной применимости и недостаточно универсальны по охвату режимов работы турбины. Исследований, проведенных в широком диапазоне нагрузки ГТУ совершенно недостаточно, что делает тему исследования весьма актуальной и требует дальнейшего наращивания научной базы.

Данные по изменению параметров потока в турбине и в диффузоре при наличии переброса воздуха из-за компрессора в диффузор в открытой литературе отсутствуют, что говорит об актуальности разработки вопроса в этом направлении.

Цели и задачи. Целью диссертации является создание проточной части системы «ПС - Д» имеющей высокие показатели экономичности в области номинальных режимов и надежности в пределах полного диапазона нагрузки ГТУ на основе расчетно-экспериментального исследования и выработка рекомендаций по конструированию идентичных блоков.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработана методика расчетно-экспериментального исследования системы «ПС - Д» во всем диапазоне нагрузки ГТУ;

- проведено экспериментальное исследование базовой системы «ПС - Д» для оценки ее основных характеристик и определения показателей экономичности ступени и системы «ПС - Д» в широком диапазоне нагрузки;

- разработана численная модель конструкции системы «ПС - Д», верифицированная по эксперименту;

- расчетно-экспериментальными методами исследовано влияние ступени и диффузора на работу системы «ПС - Д»;

- разработана конструкция системы «ПС - Д», имеющая высокие показатели эффективности в широком диапазоне нагрузки ГТУ, которые подтверждены экспериментальными данными;

- для подтверждения надежности конструкции, был определен уровень пульсаций давления в выходном диффузоре в условиях срывного обтекания силовых стоек на режимах низкой нагрузки;

- исследовано влияние дополнительного подвода воздуха на режимах частичной нагрузки

ГТУ.

Научная новизна данного исследования заключается в восполнении недостающих знаний по характеристикам потока в системе «ПС - Д» во всем диапазоне нагрузки ГТУ, в частности на режиме низкой нагрузки вплоть до холостого хода. Режимы низкой частичной нагрузки не являются сдаточными при приемке ГТУ, поэтому их эффективности не уделяется достаточно внимания и имеющихся исследовательских данных для указанных режимов не хватает. Данное обстоятельство затрудняет или даже делает невозможной оценку характеристик системы «ПС - Д» во всем диапазоне нагрузки ГТУ.

Так как существуют ГТУ с наличием переброса воздуха из-за компрессора в диффузор на пусковых режимах и режимах низкой нагрузки, то понимание аэродинамики течения в системе «ПС - Д» с учетом влияния дополнительного воздуха является актуальной, но не исследованной задачей. Научной новизной данного исследования является расширение области знаний в данном направлении.

Безусловно новыми являются характеристики вибрационной надежности элементов выходного тракта на режимах низкой нагрузки. Необходимость оценки вибрационной надежности возникает в связи с наличием пульсационных срывов потока от силовых стоек диффузора.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая ценность работы заключается в определении наиболее значимых аэродинамических и геометрических параметров системы «ПС - Д» с точки зрения экономичности для номинального режима работы и режимов, близких к номинальному. С точки зрения надежности системы при работе на частичных режимах, в особенности на режиме «холостого хода» ГТУ, выполнен спектральный анализ нестационарных процессов в потоке, связанных с отрывными явлениями при обтекании силовых стоек под большими углами атаки. Даны рекомендации по совершенствованию конструкции системы «ПС - Д», а также определены границы режимов нагрузки, в пределах которых возможно достоверное численное моделирование течения в системе.

Практическая ценность работы заключается в создании конструкции системы «ПС - Д», имеющей высокие показатели эффективности в широком диапазоне нагрузки ГТУ, которая применена и применяется при создании ГТУ стационарного типа производства АО «Силовые машины».

Методология и методы исследования. Исследования системы «ПС - Д» проводились экспериментальным и численным методами. Экспериментально исследованная система «ПС - Д» представляла собой модельную конструкцию, выполненную в уменьшенном масштабе 1:4,6. На основании прототипа ГТУ большой единичной мощности была построена и испытана экспериментальная модель системы. Результаты экспериментального исследования были использованы для верификации численной модели, которая повторяла геометрию и условия экспериментальной системы «ПС - Д». С помощью верифицированной модели была модернизирована конструкция системы «ПС - Д» и экспериментально подтверждены ее высокие показатели.

Положения, выносимые на защиту:

1. Режимные аэродинамические характеристики системы «ПС - Д» ГТУ большой единичной мощности, полученные на основе сочетания расчетных и экспериментальных исследований.

2. Методика опытного исследования системы «ПС - Д».

3. Методика численного исследования системы «ПС - Д».

4. Методика исследования пульсаций давления в системе «ПС - Д».

5. Практические рекомендации по проектированию системы «ПС - Д».

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность исследования была достигнута несколькими способами. Для проведения экспериментов использовался стенд ЭТ-4, на котором было проведено большое количество идентичных экспериментальных исследований, результаты которых использованы при конструировании затурбинных диффузоров компании Siemens AG. Результаты, полученные в ходе численного исследования, были верифицированы по результатам экспериментов, проведенных при тех же граничных условиях.

Апробация результатов была проведена путем представления и обсуждения на следующих научно-технических конференциях: «Международная научно-техническая конференция Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2021) - диплом за лучший доклад на секции; «Международная научно-практическая конференция "Энергетика. Экология. Энергосбережение"» (Калуга, 2021); «IX российская конференция Вычислительный эксперимент в аэроакустике и аэродинамике» (Светлогорск, 2022); «LXIX научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин» (Санкт-Петербург, 2022); «Международный форум научно-технического конгресса по двигателестроению (НТКД-2022)» (Москва, 2022); «LXX научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин «Научно-технические проблемы дальнейшего развития, полной локализации производства и технического обслуживания стационарных газотурбинных установок в РФ» (Санкт-Петербург, 2023); «XIII всероссийский съезд по

теоретической и прикладной механике» (Санкт-Петербург, 2023); «Международная научно-техническая конференция им. Кузнецова. Перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2023).

Личный вклад автора: участие в разработке методики и проведении испытаний, создание численных моделей, модернизация затурбинного диффузора, анализ полученных экспериментальных и расчетных данных.

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

Для повышения мощности газотурбинной установки за турбиной применяется диффузор. Выходной турбинный диффузор предназначен для транспортировки потока (отвод от ступени и/или подвод к котлу-утилизатору) [1, 2, 8, 9, 10, 11, 12]. За счет своей расширяющейся формы, он уменьшает статическое давление за турбиной до значений ниже заданного за ГТУ в целом, тем самым увеличивая перепад энтальпий на турбину и, как следствие, её мощность. В диффузоре происходит снижение кинетической энергии потока газа перед котлом-утилизатором в газопаровом цикле, что обеспечивает снижение его аэродинамического сопротивления.

Стационарные газотурбинные установки (ГТУ) на электростанциях работают в широком диапазоне нагрузки, который может варьироваться от 10% до 110% от номинальной мощности. Проектирование стационарных ГТУ, как правило, выполняется для номинального режима работы, что обуславливает безотрывное течение с низкими потерями давления в затурбинном диффузоре для данного режима. На частичных режимах нагрузки течение начинает носить отрывной характер вследствие наличия углов атаки на стойках диффузора, которые могут достигать 60°. Исследование таких режимов необходимо для контроля уровня потерь полного давления по тракту диффузора, которые напрямую влияют на срабатываем перепад энтальпий последней ступени турбины, а, следовательно, её мощность.

Одной из геометрических особенностей выходных диффузоров энергетических газовых турбин является наличие силовых стоек в его проточной части. Они служат опорой для заднего опорно-упорного подшипника ГТУ, а также, содержат в себе элементы маслосистемы для обеспечения работы подшипника. На газодинамические свойства потока стойки оказывают негативный эффект внося возмущения и дополнительные потери давления, а следственно, и мощности. Особенно значительны эти потери на частичных режимах нагрузки двигателя, когда на стойки поток натекает со значительными углами атаки.

Большое количество ранее проведенных работ были направлены на исследование влияние геометрии диффузора на его эффективность при равномерном подводе рабочей среды. Было исследовано влияние наличия силовых стоек на работу осевого диффузора [13, 14, 16, 17, 18, 21, 22, 23]. Наличие силовых стоек уменьшает площадь проходного сечения, увеличивает потери кинетической энергии потока, связанные с их обтеканием и уменьшает эффективность диффузора. ALSTOM исследовал диффузор с двумя рядами ребер и предварительным направляющим аппаратом перед первым рядом для имитации последней ступени и изменения угла закрутки потока на входе в диффузор [12, 24, 25, 26, 27]. В ходе экспериментальных и численных испытаний, варьировались такие параметры как число Маха и угол установки ПНА.

Результаты показали, что изменение числа Маха на входе в диффузор оказывает слабое влияние на восстановление давления, в то время как закрутка потока наоборот, значительно влияет на эффективность диффузора. Для оптимальной работы диффузора с новой турбиной, были перепрофилированы силовые стойки для уменьшения угла атаки, вызванного изменением рабочей точки ГТУ, на номинальном режиме [28, 29, 30].

Проведенные ранее численные и экспериментальные исследования показали, что течение в диффузоре и его эффективность сильно зависят от параметров входного потока, который формируется последней ступенью турбины [3, 4, 5, 6, 7]. Так, при наличии положительной радиальной составляющей скорости вблизи втулки велика вероятность отрыва потока от центрального тела диффузора, что значительно снижает его эффективность. Поэтому закон закрутки последней ступени имеет большое значение для качественной работы диффузора. Особенности работы диффузора со ступенями с различной закруткой приведены в [31, 32, 33]. Ранее проведенные исследования по влиянию радиального зазора последней рабочей лопатки на эффективность системы «последняя ступень - диффузор» показали, что при увеличении зазора до определенной величины эффективность системы возрастает [12, 13, 15, 34, 35, 36, 37], и что классическое правило по минимизации радиального зазора над рабочей лопаткой не актуально для последней ступени турбины, за которой располагается диффузор. В работах [38, 39, 40] показано, что в потоке за последней рабочей лопаткой создаются интенсивные вихревые струи вторичных течений из-за перечки потока в радиальном зазоре рабочей лопатки, которые благоприятно сказываются на предотвращении отрыва потока от корпуса диффузора.

Исследования влияния следов за рабочими лопатками последней ступени турбины [41, 42, 43, 44] на отрывы потока от стенок диффузора и на степень восстановления давления, проведенные в том числе и в Ганноверском университете им. Лейбница [45, 46], подтвердили наличие влияния этих следов и вторичных течений на эффективность диффузора. Исследована возможность оптимизации работы диффузора за счет изменения формы стоек и периферийных обводов [47, 48]. Индийский технологический институт в г. Бомбей пробовал использовать в своих работах втулку эллиптической формы [49]. В Геттингенском институте двигателестроения экспериментальным и численным способами оценивали эффективность диффузора с различной геометрией втулки - эллиптической, конической, полым цилиндром и глухим цилиндром [50]. Эллиптическая и полая цилиндрическая втулки показали наилучшие значения по восстановлению статического давления в диффузоре. Преимуществом полой втулки является наименьшая из рассматриваемых вариантов зона циркуляции потока за втулкой. При этом, данная геометрия является довольно ненадежной с точки зрения отрыва полого цилиндра вследствие пульсаций вихревого нестационарного потока. Штутгартский университет, также,

исследовал влияние геометрии втулки на работу диффузора [51, 52, 53, 54], и экспериментальным и численным путями подтвердил влияние распределения полного давления на входе в диффузор на эффективность самого диффузора, исследовав различные варианты распределения полного давления на входе в диффузор - равномерное распределение давления на входе, переменное давление с ростом к корневому обводу и переменное распределение давления с ростом к периферийному обводу [55, 56].

Вышеперечисленные факторы и исследования говорят о том, что последняя ступень турбины оказывает непосредственное и значительное влияние на аэродинамику диффузора и подтверждают необходимость исследования диффузора совместно со ступенью.

Как правило, при проектировании ГТУ, рассматривается номинальный режим работы. На этом режиме стараются выдержать осевой выход потока из турбины, для уменьшения потерь с выходной скоростью. Осевой вход в диффузор является оптимальным, так как в таком случае отсутствуют углы атаки на обтекателях силовых стоек, которые являются неотъемлемой частью диффузора, где располагается задняя подшипниковая опора ротора турбины. Тем не менее, в ходе эксплуатации ГТУ, установка работает как на номинальном, так и на переменных режимах. Переменные режимы характеризуются значительными углами атаки на обтекателях, что приводит к отрыву потока и значительному увеличению потерь в диффузоре [36, 57, 58, 59, 60, 61, 62]. Работа [57] посвящена исследованию трех режимов нагрузки ГТУ - номинальному при а2 равном 0°, частичному при а2 - минус 60° и перегрузочному с а2 равном 20°. Показано, что силовые стойки оказывают сильно влияние на течение в диффузоре при различных углах выхода потока из турбины. Отмечена необходимость принятия мер по снижению потерь давления в диффузоре на нерасчетных режимах работы.

В работе [58] проводится экспериментальное исследование диффузора на семи различных режимах нагрузки, характеризуемых относительным расходом от 0,23 до 0,65, где 0,55 соответствует номинальному режиму. Сравнение параметров проводится в основном в зависимости от относительного расхода, что затрудняет перенос данных на другую ГТУ. Вместо турбинной ступени перед диффузором использовался аппарат закрутки. Исследование отмечает сильное влияние условий на входе в диффузор на его производительность. Вторыми по влиянию на течение в диффузоре являются силовые стойки, на которых образуются отрывы потока при значительных углах атаки. Отмечена важность равномерного распределения сила Маха на входе в диффузор.

В работе [60] рассмотрен диапазон режимов, которым соответствует коэффициент расхода на входе в диффузор от 0,45 до 1,2, при этом экспериментальные значения были получены только в диапазоне от 0,7 до 1,2, а остальные значения определены экстраполяцией. В работе нет

привязки к углам выхода потока, что затрудняет использование результатов исследования для идентичных блоков. Диффузор исследовался отдельно, без предвключенной турбинной ступени. Рассматривалась модификация диффузора с радиальными разделителями в передней части диффузора и отсутствием второго ряда стоек. Такая модификая диффузора не принесла заметного улучшения в эффективности диффузора, при этом ухудшила параметры на расчетном режиме.

В работе [62] рассматривается диапазон углов выхода потока из турбины от 60° до 100°. Акцент в работе сделан на характеристике системы «ступень-диффузор» при установке симметричной и профилированной силовой стойки диффузора. Показано, что использование профилированной стойки целесообразно только при работе на расчетном режиме. При отклонении от расчетного режима, параметры системы существенно ухудшаются из-за отрывных явлений в потоке вызванных углами атаки при обтекании профилированных стоек. Симметричные стойки менее чувствительны к смене режима.

Рассмотренные выше литературные источники исследуют отдельные аспекты работы системы «ПС - Д» преимущественно на режимах нагрузки ГТУ выше 50%. Данная работа направлена на расширение области знаний о характеристиках системы «ПС - Д» посредством рассмотрения комплекса аспектов во всем диапазоне нагрузки ГТУ. Исследование проводилось расчетно-экспериментальным методом, где для экспериментов использовался стенд, моделирующий систему «ПС-Д» в масштабе 1:4,6. В данной диссертации приведены результаты для модельного стенда.

2 МЕТОДИКА РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

2.1 Моделирование натурной геометрии на параметры стенда ЭТ-4 и воздуходувной станции лаборатории турбиностроения СПбПУ

Диффузор натурной ГТУ, располагающийся за последней ступенью турбины, состоит из двух частей - выходного диффузора и промежуточного (Рисунок 2.1). Выходной диффузор начинается за последними рабочими лопатками турбины. За выходным диффузором следует промежуточный, который соединяет газовую турбину с котлом утилизатором в цикле ПГУ.

Рисунок 2.1 - Выходной и промежуточный диффузор на модельном стенде ЭТ-4 лаборатории

турбиностроения СПбПУ

Для исследования имеющейся системы «ПС - Д» и последующей ее модернизации конструкция была уменьшена для возможности проведения экспериментальных исследований на стенде ЭТ-4 Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) [12, 19, 20]. Уменьшение конструкции требует проведения моделирования всех параметров системы, поэтому в ходе данной работы были решены следующие задачи:

• выбор масштаба моделирования;

• создание 3D моделей деталей и сборки модельной системы «ПС - Д»;

• изготовление деталей модельной системы «ПС - Д»;

• создание численной модели течения в модельной системе «ПС - Д»;

• предварительный расчет течения в модельной системе «ПС - Д»;

• разработка методики экспериментальных исследований;

• планирование объемов и порядка измерений при траверсировании полей параметров потока в контрольных сечениях модельной системы.

2.1.1 Выбор масштаба моделирования

Процесс выбора масштаба моделирования системы «ПС - Д» натурной газотурбинной установки применительно к экспериментальному стенду ЭТ-4 Лаборатории турбиностроения СПбПУ должен учитывать целый ряд факторов, чтобы обеспечить наиболее точное моделирование натурного процесса оригинальной турбины в модельном отсеке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Черкасова Марина Геннадьевна, 2024 год

/ щ

V

' ] у

1

1' 1. /

1/ 1/ ♦ и..

1—н Г 11_ —М»

Нормированные компоненты числа Маха

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. КОНТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА В ДИФФУЗОРЕ МОДЕРНИЗИРОВАННОМ

ГЕОМЕТРИИ

Ргеэдиг* 1Рв1

Ргвзвиге Не)

Тс** Ргвздиг® |Рв|

ИI

\4jtacrv |гп*М|

I)

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ ДЕТАЛЕЙ ДИФФУЗОРА НА ЕГО

ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Влияние толщины обтекателя силовой стойки на эффективность диффузора

Было рассмотрено влияние толщины обтекателя силовой стойки. Все размеры, кроме толщины, были сохранены. Толщина узкой стойки на 26% меньше толщины широкой (Рисунок

Д. 1).

Рисунок Д. 1 - Геометрия обтекателей силовой стойки диффузора

Коэффициент восстановления давления в диффузоре, приведенный к Ср на выходе из диффузора с узкими стойками, изображен на Рисунке Д. 2.

Потери давления, коэффициент восстановления давления и КПД 4-й ступени вычисленный по формуле:

N.

V

ступени

ит:

к - 1 вх4

к-1л

(Рвыхдиф\ к

РВх 4 )

где Гв*х4, рВх4 - полные температура и давление на входе в 4-ю ступень, рвых диф - статическое давление на выходе из диффузора, представлены в Таблице Д. 1.

Таблица Д. 1 - Влияние толщины стойки на эффективность диффузора

Широкая стойка Узкая стойка

Ср приведенный 0,984 1,0

% 13,19 13,47

ДР* в диффузоре, Па 2986 2784

0.9 0.8 0.7 0.6

& 0.5

0.4 0.3 0.2 0.1 0

8 10 12 Длина диффузора, м

-широкая узкая

14

16

Рисунок Д. 2 - Приведенный Ср широкой и узкой стоек

Влияние осевого смещения обтекателя силовой стойки на эффективность диффузора

Смещение обтекателя силовой стойки в осевом направлении (Рисунок Д. 3: пунктирной линией - исходный обтекатель, сплошной линией - смещенный обтекатель) в сторону по потоку оказывает положительный эффект на потери и восстановление давления в диффузоре.

4

6

Рисунок Д. 3 - Смещение стойки в осевом направлении

0.9 0.8 0.7 0.6

& 0.5

0.4 0.3 0.2 0.1 0

8 10 12 Длина диффузора, м

14

исходная сдвинутая

16

Рисунок Д. 4 - Приведенный Ср исходной и сдвинутой по оси стоек

Таблица Д. 2 - Влияние осевого положения стойки на эффективность диффузора

4

6

Исходная стойка Сдвинутая стойка

Ср приведенный 0,98 1

Д^+Д, % 12,12 12,36

ДР* в диффузоре, Па 3076 2830

Осевое смещение стойки на У хорды в сторону по потоку ведет к снижению потерь давления на 7% и росту восстановительной способности диффузора на 2%.

Влияние меридиональных обводов диффузора на его эффективность

Последняя ступень турбины на номинальном режиме работы ГТУ имеет отклонение угла выхода потока от осевого направления на периферии более 10 градусов, что ведет к углам атаки на периферии обтекателя силовой стойки. Это приводит к локальным отрывам на периферии обтекателя. Для ликвидации отрыва периферийный обвод над обтекателем стойки выполнен цилиндрическим, что обеспечивает поджатие потока. Так как в остальном течение на периферии благоприятное, других изменений в верхний обвод внесено не было.

Втулочный обвод требовал модернизации, так как был убран второй ряд стоек, что привело к консольному закреплению втулки.

На Рисунке Д. 5 представлены рассмотренные варианты меридиональных обводов: а) -исходный периферийный и втулочный обводы; б) - над стойкой периферийный обвод выполнен в виде цилиндрического участка; в) - втулка укорочена на 600 мм для натурной конструкции;

г) - втулка укорочена на 600 мм и уменьшен выходной радиус для уменьшения массы консольной части втулки; д) - втулка укорочена на 1270 мм. Сравнение интегральных параметров системы «ПС - Д» представлено в Таблице Д. 3. Сравнение распределения коэффициента восстановления давления вдоль диффузора приведено на Рисунке Д. 6.

а)

б)

в)

г)

д)

Рисунок Д. 5 - Варианты меридиональных обводов диффузора Таблица Д. 3 - Сравнение параметров системы «ПС - Д» при различных меридиональных

обводах

Параметр Варианты конструкции

а б в г д

Ср приведенный 0.9465 0.9903 0.9929 1.0000 0.9641

ДР* в диффузоре, Па 3076 2783 2758 2558 3212

^ % 12.12 13.29 13.34 13.50 12.76

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

8 10 12 Длина диффузора, м

14

16

а)

б)

в)

г) -д)

Рисунок Д. 6 - Приведенный Ср для вариантов меридионального обвода диффузора

4

6

На основании полученных данных, можно сделать вывод, что существует определенная оптимальная длина втулки, которая определяется для каждой системы «ПС - Д» индивидуально. В данном случае оптимальным вариантом, вошедшим в модернизированный вариант конструкции, является вариант «г».