Совершенствование выходных диффузоров стационарных газовых турбин на основе физического эксперимента и численного моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Петросов, Константин Вадимович

• Петросов, Константин Вадимович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петросов, Константин Вадимович

ВВЕДЕНИЕ.

1 ГАЗОДИНАМИКА ВЫХОДНЫХ ДИФФУЗОРОВ ТУРБИН.

1.1 Классифинация диффузоров.

1.2 Газодинамические характеристики выходных диффузоров.

1.3 Влияние геометрических параметров на характеристики диффузоров.

1.4 Влияние режимных параметров на характеристики диффузоров.

1.5 Влияние входного профиля скорости на характеристики диффузоров.

1.6 Влияние закрутки входного потока на характеристики диффузоров.

1.7 Совместная работа диффузора и ступени турбомашины.

2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Построение модели турбомашины.

2.1.1 Геометрическое подобие.

2.1.2 Кинематическое подобие.

2.1.3 Динамическое подобие.

2.2 Опытный стенд.

2.3 Конструктивные особенности модели "ступень-диффузор".

2.4 Система сбора и обработки информации.

2.5 Векторные пятиканальные зонды: конструкция, характеристики.

2.6 Обработка результатов экспериментов.

2.6.1 Определение расхода рабочего тела.

2.6.2 Методология осреднения результатов траверсирования.

2.6.3 Определение коэффициента восстановления давления.

2.7 Оценка погрешностей результатов экспериментов.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

3.1 Основные уравнения газовой динамики.

3.1.1 Уравнения сохранения массы.

3.1.2 Уравнение энергии.

3.1.3 Уравнения Навье-Стокса.

3.1.4 Модель сжимаемой жидкости.

3.2 Метод контрольных объемов.

3.3 Моделирование турбулентного потока.

3.4 Моделирование потока вблизи твердых стенок.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

4.1 Результаты физических экспериментов.

4.1.1 Исследование влияния режима работы ступени на эффективность диффузора.

4.1.2 Влияние силовых ребер на течение в диффузоре.

4.1.3 Оценка неравномерности потока на выходе из диффузора.

4.2 Численное моделирование потока в диффузорах турбомашин.

4.2.1 Расчетная модель.

4.2.2 Сравнение результатов расчетов и физических экспериментов.

4.2.3 Исследование обтекания симметричных ребер и их влияния на структуру течения в диффузоре на основе численного моделирования.

4.2.4 Исследование влияния турбинной ступени на характеристики диффузора на основе численного моделирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование выходных диффузоров стационарных газовых турбин на основе физического эксперимента и численного моделирования»

Актуальность темы. В последние 10.15 лет стационарное газотурбостроение получило стремительное развитие. Это связано с тем, что в указанный период в мировой практике наиболее перспективным решением для выработки электрической и тепловой энергии явилось использование комбинированных газопаровых установок (ГПУ). Для существенного повышения эффективности энергетического оборудования электрических станций при нынешнем состоянии технологии в энергомашиностроении стала возможной широкая практическая реализация комбинированного цикла с применением газотурбинной и паротурбинной установок. Коэффициент полезного действия таких установок достигает высоких значений по сравнению с другими типами тепловых станций, работающих на органическом топливе (рис. 1 [55]). Центральными агрегатами ГПУ являются газотурбинные установки (ГТУ) большой мощности. Создание современных, надежных и высокоэффективных ГТУ с большим ресурсом работы представляет собой важнейшее звено в новейшей концепции развития энергетической техники. Достигнутая в настоящее время высокая степень совершенства лопаточного аппарата ГТУ не оставляет значительных резервов для дальнейшего увеличение КПД. В то же время выходные диффузоры и тракты, в которых имеются необратимые потери давления, характеризуются значительными резервами повышения эффективности.

Широко применяемой аэродинамической характеристикой эффективности выходных устройств, является коэффициент восстановления давления, который определяют из соотношения

65 7.г.

КПД,% I ^^^^ консервативный прогноз

55--------1

50--------

45--/------

40 -I-------1

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Год ввода ГПУ в эксплуатацию

Рис. 1. Рост эффективности ГПУ за последние 25 лет и дальнейшие перспективы развития [55]

Для оценки степени влияния Ср на характеристики современных ГТУ с учетом всех факторов, оказывающих воздействие на эффективность теплового цикла, в рамках настоящей работы были рассмотрены две энергетические установки: ГТУ V84.3A(2) [39] и ГТУ НК-16. Тестовые расчеты режимов работы установок проводились при помощи программы GTP [30], разработанной на кафедре "Турбинные двигатели и установки" (ТДУ) СПбГПУ. кпд.% оптимис прог . тичный НОЗ консерватиЕ прогноз !НЫЙ <

X X 1 / /

Jp & /

Таблица 1. Зависимость эффективности ГТУ от коэффициента восстановления давления в диффузоре

Ср Tie

ГТУ V84.3A(2)

0 0.298

0.2 0.312

0.4 0.325

0.6 0.338

0.8 0.351

0.968 0.363

ПУ НК-16

0.2 0.214

0.4 0.236

0.6 0.252

0.8 0.265

0.968 0.274

Ср

ГТУ VB4.3A(2) —А—ГТУ НК-16

Рис. 2. Зависимость эффективности ГТУ от коэффициента восстановления давления в диффузоре

В табл. 1 представлены зависимости эффективности установок (эффективный КПД) от степени восстановления давления, полученные расчетным путем по программе GTP, а на рис. 2 приведена их графическая интерпретация.

Можно отметить практически линейный характер зависимостей т]е = /(Ся). Увеличение Ср для ГТУ V84.3A на 10% приводит к приросту rje приблизительно на 2.5%. Для установки ГТУ НК-16 выигрыш от использования диффузора еще больше. Здесь при возрастании Ср на 10% прирост rje составляет приблизительно 4%.

Аналогичные оценки влияния восстановительной эффективности выходного диффузора на характеристики ГТУ выполнены в работе [52], где показано, что эффективность установки линейно возрастает с увеличением коэффициента восстановления давления.

Полученные результаты убедительно доказывают необходимость применения в мощных ГТУ высоко эффективных диффузоров с максимально достижимыми восстановительными характеристиками. Создание таких диффузоров невозможно без глубокого всестороннего изучения механизма их работы и четкого представления протекающих в них физических процессов. Несмотря на огромное количество работ, посвященных газодинамике диффузоров, исследований этих устройств с предвключенной турбиной совершенно недостаточно. Настоящая диссертация посвящена исследованию совместной работы выходного диффузора и предвключенной турбинной ступени. Этим объясняется актуальность и реальная практическая польза работы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка и апробация методики исследования выходных диффузоров турбин, базирующейся на прямых измерениях параметров трехмерного потока и численном моделировании турбулентного течения. Цель работы состоит также в том, чтобы на основе предложенной методики изучить механизм работы диффузоров современных мощных ГТУ для их последующей оптимизации.

Основные задачи исследования состоят в нижеследующем:

- получение экспериментальных данных по газодинамическому исследованию выходных диффузоров мощных газовых турбин с предвключенной турбинной ступенью;

- выбор и апробация математической расчетной модели для моделирования течения в выходных диффузорах газовых турбин;

- детальный анализ и сопоставление результатов экспериментальной и расчетной методик;

- изучение особенностей совместной работы последней ступени ГТУ и выходного диффузора.

Объектом исследования являются выходные диффузоры мощных стационарных ГТУ.

Предмет исследования - газодинамические характеристики вязкого турбулентного потока сжимаемого газа в проточных частях выходных диффузоров.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- предложен комбинированный метод исследования потока в выходных диффузорах турбин с входной закруткой потока, основанный на сочетании физического и численного моделирования течения. При этом граничные условия для численного моделирования (сложное пространственное распределение параметров потока на входе в диффузор) принимаются из соответствующих экспериментов;

- получены характеристики диффузоров (эффективность, неравномерность потока на выходе), работающих при наличии предвключенной турбинной ступени, с учетом сложного взаимного влияния выходного устройства и последней ступени;

- изучена структура трехмерного потока и причины изменения эффективности типичных выходных диффузоров стационарных газовых турбин в широком диапазоне режимов работы;

- показано влияние режима работы ступени турбины на неравномерность потока в выходном сечении диффузора.

Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов расчетов с экспериментами, совпадением в сопоставимых условиях результатов настоящего исследования с результатами других авторов. Практическое значение полученных результатов:

- разработанная методология исследования позволяет более глубоко изучить физику процессов в выходных диффузорах ГТУ и на этой основе реализовать поиск оптимальной конструкции;

- выполненное в работе детальное тестирование существующих моделей турбулентности и параметров сеточных моделей позволяет рекомендовать их к использованию в расчетах диффузоров турбин;

- выявленная степень влияния режимных параметров работы ступени на эффективность выходных диффузоров показывает на необходимость ее учета в практике эксплуатации ГТУ.

Личный вклад соискателя состоит в следующем: ~ участие в проектировании, монтаже опытных моделей и проведении экспериментальных исследований;

- разработка программы тарировки векторных зондов для системы автоматического сбора и обработки информации стенда ЭТ-4;

- выбор математической вычислительной модели, тестирование и выбор моделей турбулентности и параметров расчетной сетки;

- обработка и анализ данных исследования газодинамики выходных диффузоров стационарных ГТУ.

Автор защищает:

- методику проведения экспериментальных исследований выходных диффузоров турбин;

- расчетную модель выходного диффузора и разработанную на базе этой модели методику расчета;

- результаты расчетно-экспериментапьных исследований.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации доложены на IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы "Фундаментальные исследования в технических университетах", май 2005г.

Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 8 статьях.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Петросов, Константин Вадимович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Достигнутые на сегодняшний день восстановительные характеристики выходных диффузоров мощных энергетических ГТУ на режиме номинальной нагрузки составляют 60.65%. Дальнейшее повышение эффективности выходных устройств является чрезвычайно важной и актуальной для промышленности задачей, требующей тщательного изучения механизма их работы и физики процессов, имеющих место в проточных частях диффузоров и газовых турбин. Для выполнения указанных задач требуются новые подходы к исследованию трехмерного потока. При этом важно помнить, что особенности функционирования диффузоров ГТУ делают невозможной оптимизацию этих устройств в отрыве от остальной установки. Необходимо решение комплексной задачи оптимизации, в которой рассматривается газовая турбина и выходной диффузор, а в случае ГПУ, еще и котел-утилизатор. По этой причине в данной диссертации исследования выходных диффузоров проводились только при наличии предвключенной ступени турбины, позволяющей наиболее точно смоделировать реальные входные граничные условия для диффузора, а также учесть сложное взаимное влияние ступени и выходного устройства.

Реализованный в работе подход, сочетающий экспериментальное исследование и численное моделирование, позволяет более глубоко изучить характер течения в выходных диффузорах турбин. Проведенные по методике траверсирования измерения трехмерного потока предоставляют достаточный объем информации, позволяющей наметить пути дальнейшей оптимизации проточных частей установок. Выполненное в работе численное CFD-моделирование дополняет физические эксперименты и значительно расширяет возможности исследования.

Следующим этапом развития методики исследований следует считать переход к изучению нестационарных явлений в диффузорах. Этот необычайно важный и сложный вопрос потребует применения нового измерительного оборудования, например, такого как лазерные лучи LDV [78], [48], [49]. Полученные в ходе таких экспериментов результаты в последствии могут быть использованы в качестве граничных условий для численного моделирования нестационарных задач.

Сформулируем основные научные и практические результаы выполненной работы:

1. В результате выполненных исследований показано, что применение в современных мощных ГТУ высокоэффективных выходных диффузоров позволяет существенно повысить КПД всей установки. С увеличением мощности ГТУ выигрыш в КПД возрастает. Например, увеличение коэффициента восстановления давления диффузора ГТУ V84.3A на 10% приводит к приросту эффективного КПД установки приблизительно на 2.5%, а для ГТУ НК-16 в аналогичных условиях выигрыш составляет 4%.

2. Анализ рабочего процесса в выходных диффузорах показал, что эти устройства работают в условиях значительной пространственной неравномерности входящего потока, зависящей от конструктивных особенностей последней ступени турбины и режима ее работы. В проведенных исследованиях коэффициент неравномерности х на входе в диффузор достигал 0.35. Поэтому экспериментальные исследования диффузоров целесообразно проводить только при наличии предвключенной ступени.

3. Траверсирование потока позволило установить механизм работы выходных диффузоров ГТУ, обладающих входной закруткой потока. Показано, что отрыв потока в диффузорах может определяться вторичными течениями, возникающими при обтекании лопаток рабочего колеса последней ступени, сложным взаимным влиянием ступени и силовых ребер, а также смещением ядра потока в направлении к периферийной поверхности на некоторых режимах работы.

4. Применение в кольцевом диффузоре силовых ребер симметричного профиля оказывает несущественное влияние на восстановительные свойства выходного устройства, характеризуемые коэффициентом восстановления давления Ср, при изменении угла а2 от 60 до 110°.

5. Поле скорости потока в выходном сечении диффузора с силовыми ребрами обладает большой пространственной неравномерностью, зависящей от режима работы ступени турбины. Изменение закрутки входящего потока на 10° приводит к изменению коэффициентов неравномерности х на выходе из диффузора в периферийных и корневых сечениях на 80%.

6. Выполненный в работе комплекс экспериментальных исследований трехмерного неравномерного потока в диффузорах, обладающих входной закруткой, позволил уточнить и протестировать математическую модель для численного моделирования с использование коммерческого кода Fluent.

7. Предложенная математическая модель может использоваться для качественного анализа структуры потока и для оценки эффективности диффузоров. Использованные в ходе численных расчетов модели турбулентности семейства k-s и сетки с параметром у1"=10.100 позволяют предсказать значения коэффициентов восстановления давления в диффузоре с точностью до 2.5.3.5%. В то же время наличие в трактах выходных диффузоров ГТУ крупномасштабной турбулентности дает основание для перехода к нестационарной постановке задачи.

8. В работе установлено, что только в сочетании экспериментальных исследований и численного моделирования могут быть получены надежные результаты с достаточной для практики точностью, необходимые при конструировании высокоэффективных выходных диффузоров современных мощных газовых турбин.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петросов, Константин Вадимович, 2005 год

1. Афанасьева Н.Н, Бусурин В.Н., Гоголев И.Г. и др.; Под общ. ред. В.А. Черникова. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1980. -263с., ил.

2. Веревкин Н.Н., Лашков Л.О. О способах уменьшения потерь давления в диффузорах с большими углами раскрытия // Промышленная аэродинамика. 1956, вып. 7.

3. Воинов А.П., Зайцев В.А., Куперман Л.И., Сидельковский Л.Н. Котлы-утилизаторы и энерготехнологические агрегаты. Под ред. Л.Н. Сидельковского. -М.: Энергоатомиздат, 1989. 272с.: ил.

4. Вольф, Джонсон. Влияние неравномерности входного профиля скоростей на режимы течения и характеристики плоских диффузоров. Пер. с англ. // Тр. амер. об-ва инж.-мех. Теоретические основы инж. расчетов 1969, №3. - С. 141-156.

5. Врублевская В.А., К вопросу о влиянии турбулентности внешнего потока на турбулентный пограничный слой // Изв. вузов, "Энергетика" -1960, №7.

6. Газотурбинные установки: Атлас конструкций и схем/ Под ред. Л.А. Шубенко-Шубина. М.: Машиностроение, 1976. - 164с.

7. Галаев С.А. Опыт использования программного комплекса SINF для расчета обтекания и профильных потерь в турбинных решетках.// Краткое сообщение, СПбГТУ. Зс.

8. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения (методы и приборы). М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1964г. - 720с., ил.

9. Гудков Э.И., Басов В.А., Ласенко К.М. Аэродинамическое исследование выхлопного патрубка газовой турбины с имитацией реальных условий потока на входе. // Краткое сообщение. 8с.

10. Гукасова Е.А., Жуковский М.И., Завадовский A.M., Зысина-Моложен Л.М., Скнарь И.А., Тырышкин В.Г., Аэродинамическое совершенствование лопаточных аппаратов паровых и газовых турбин. -Госэнергоиздат, 1960.

11. Гуревич Д.В, Экспериментальное исследование диффузорных выпускных трактов вертолетных ТВД. Сб. "Силовые установки вертолетов". Оборонгиз, 1959.

12. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Исследование ступеней турбин с кольцевыми диффузорами // Теплоэнергетика. 1963, №10.

13. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. М.: "Энергия", 1970 - 384с., ил.

14. Довжик С.А., Морозов А.И. Исследование кольцевых диффузоров осевых турбомашин. Промышленная аэродинамика, 1961, вып. 20.15