Влияние тангенциального наклона лопаточных венцов на характеристики и структуру потока осевой турбинной ступени тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат наук Нгуен Ан Куанг

• Нгуен Ан Куанг
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Ан Куанг

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Цель и задачи работы

Научная новизна

Теоретическая и практическая значимость работы

Метод исследования

Личный вклад автора

Положения, выносимые на защиту

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Апробация результатов работы

Публикации

Структура и объем диссертации

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО НАКЛОНА ЛОПАТОЧНЫХ ВЕНЦОВ В ОСЕВОЙ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ

1.1. Цели снижения градиента степени реактивности

1.2. Преимущества и недостатки ступени со сниженным градиентом ступени реактивности

1.3. Способы снижения градиента степени реактивности

1.3.1. Проектирование меридианных обводов проточных частей ступени

1.3.2. Обратная закрутка направляющих лопаток

1.3.3. Тангенциальный наклон направляющих лопаток

1.4. Тангенциальный наклон рабочих лопаток

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. ТЕСТИРОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНОГО СТЕНДА

2.1. Аэродинамический пакет АКБУБ СБХ

2.2. Краткое описание экспериментальной воздушной турбины ЛПИ

2.3. Тестирование 3Э проверочных аэродинамических расчетов программы АКБУБ СБХ для турбинной ступени с отрицательным градиентом степени реактивности на результатах эксперимента

ВЫВОД ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. СПОСОБЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСЕВОЙ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ С ТННЛ

3.1. Физическая картина течения газа в турбинных ступенях с отрицательным за счет применения ТННЛ градиентом степени реактивности

3.2. Способы рационального проектирования ТННЛ

3.2.1. Модели осевых турбинных ступеней с различными способами проектирования ТННЛ

3.2.2. Характеристики и структура потока в осевых турбинных ступенях с различными способами рационального проектирования ТННЛ

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСЕВЫХ ТУРБИННЫХ СТУПЕНЕЙ С

ТНРЛ

4.1. Модели осевых турбинных ступеней с ТНРЛ

4.2. Характеристики и структура потока осевых турбинных ступеней с ТНРЛ

4.3. Влияние тангенциального наклона на напряжения в рабочих лопатках осевой турбинной ступени

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние тангенциального наклона лопаточных венцов на характеристики и структуру потока осевой турбинной ступени»

Актуальность работы

В условиях острой конкуренции на рынках энергетического оборудования главная проблема при проектировании тепловых (паровых и газовых) турбин -суметь добиться повышения их эффективности и надежности. Для решения указанной проблемы необходимо совершенствовать способы проектирования проточных частей турбин. В последнее время с этой целью широко применяется тангенциальный наклон лопаточных венцов турбинной ступени. Тангенциальный наклон направляющих лопаток (ТННЛ) в некоторых случаях позволяет повысить экономичность турбинной ступени за счет снижения градиента степени реактивности. Тангенциальный наклон рабочих лопаток (ТНРЛ) применяется по соображениям прочности для повышения надежности их работы, позволяя компенсировать изгибные напряжения, которые действуют на РЛ со стороны потока или газа.

Программные комплексы вычислительной гидродинамики позволяют по сравнению с экспериментальными исследованиями позволяют быстрее и с минимальными трудозатратами определить характеристики и структуру потока турбинной ступени. Прежде чем использовать программные комплексы вычислительной гидродинамики для усовершенствования процесса проектирования, следует убедиться, что локальные и интегральные характеристики турбинных ступеней вычисляются с достаточной для инженерных расчетов точностью. Поэтому необходимо проводить настройку используемого программного комплекса путем сравнения результатов расчетов с результатами качественных экспериментов, проведенных на модельных и натурных турбинных ступенях. АКБУБ - один из самых распространенных универсальных вычислительных комплексов. Поэтому представляется актуальным исследование влияния тангенциального наклона лопаточных венцов

на характеристики и структуру потока осевой турбинной ступени с помощью вычислительного комплекса ANSYS.

Цель и задачи работы

Целью работы является изучение влияния ТННЛ и ТНРЛ на характеристики, структуру потока и градиент степени реактивности осевой турбинной ступени, исследование влияния ТНРЛ на напряжения в рабочих лопатках (РЛ) осевой турбинной ступени и создание оптимальной (в рамках выполненных исследований) турбинной ступени с ТННЛ.

Задачи исследования:

1) Проведение 3D проверочных газодинамических расчетов для осевых турбинных ступеней с отрицательным за счет применения ТННЛ градиентом степени реактивности, определение их характеристик и структуры потока с помощью программы ANSYS CFX, используемой в качестве виртуального стенда.

2) Изучение физической картины течения потока газа в турбинной ступени с отрицательным за счет применения ТННЛ градиентом степени реактивности.

3) Разработка способов рационального проектирования осевой турбинной ступени с отрицательным за счет применения ТННЛ градиентом степени реактивности.

4) Исследование влияния ТНРЛ на характеристики, структуру потока и градиент степени реактивности в осевой турбинной ступени.

5) Изучение влияния ТНРЛ на напряжения в РЛ осевой турбинной ступени c помощью программ Fluent и Static Structural, входящих в вычислительный комплекс ANSYS.

6) Анализ полученных результатов и разработка рекомендаций по их практическому применению.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Впервые изучена 3D физическая картина течения в турбинных ступенях со значительным (Sc = 230) ТННЛ не только в меридианной (r-z), но также и в тангенциальной (r-u) плоскостях.

2) Впервые предложена и численно исследована рекомендация (нарастающий вдоль радиуса эффективный угол а1эф решёток профилей),

позволяющая в турбинной ступени со значительным (Sc = 230) ТННЛ добиться выполнения условия а1 = const вдоль радиуса за НЛ.

3) Впервые систематически численно исследовано влияние ТНРЛ на характеристики, структуру потока и градиент степени реактивности осевой турбинной ступени.

4) Впервые доказано, что ТНРЛ, как и ТННЛ, также является одним из способов воздействия на градиент степени реактивности в турбинной ступени.

5) Разработана и численно реализована методика, позволяющая в пакете ANSYS определять напряжения, возникающие в корневом сечении РЛ как без учета аэродинамических нагрузок, так и с учетом аэродинамических нагрузок.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что в диссертации доказана возможность и целесообразность использования программы ANSYS CFX в качестве виртуального стенда. Его применение позволило:

- изучить 3D картину течения в 9-ти турбинных ступенях, в том числе в 4-х - с отрицательным градиентом степени реактивности, полученным за счет

применения значительного (дс = 230) ТННЛ, из них в 2-х ступенях не только в меридианной (г-г), но также и тангенциальной (г-и) плоскостях, разработать рациональные способы проектирования таких ступеней;

- исследовать в 5-ти ступенях обычного типа, без ТННЛ, влияние ТНРЛ на характеристики, структуру потока, градиент степени реактивности и напряжения в РЛ;

Метод исследования. Работа была проведена с использованием численно-экспериментального (вычислительная газодинамика) метода, тестируемого на качественном эксперименте, полученном на воздушной турбине. Расчетные модели исследуемых осевых турбинных ступеней построены с помощью программных средств вычислительного комплекса ANSYS.

Личный вклад автора состоит в следующем:

1) Анализ публикаций по применению тангенциального наклона лопаточных венцов в осевой турбинной ступени.

2) Создание трехмерных расчетных моделей 9-ти турбинных ступеней и проведение на них численных экспериментов с помощью программы ANSYS CFX.

3) Разработка методики вычисления напряжений, возникающих в корневом сечении РЛ под влиянием ТНРЛ и аэродинамических нагрузок при использовании вычислительного комплекса ANSYS.

4) Анализ, обобщение и публикация полученных результатов, рекомендации по их практическому применению, написание диссертации.

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующее:

1) Обоснование возможности и целесообразности применения программы АКБУБ СБХ в качестве виртуального стенда.

2) Результаты численных исследований суммарных характеристик (КПД и степени реактивности) на разных режимах работы и траверсирования (на оптимальных режимах) параметров потока по высоте лопатки в осевых турбинных ступенях с тангенциальным наклоном лопаточных венцов.

3) Измерение напряжений, возникающих в корневом сечении РЛ под влиянием ТНРЛ и аэродинамических нагрузок.

4) Рекомендации по применению тангенциального наклона лопаточных венцов в осевой турбинной ступени.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена тестированием и настройкой программы АКБУБ СБХ, применяемой в диссертации в качестве виртуального стенда, за счет использования результатов качественного эксперимента, полученного на воздушной турбине.

Апробация результатов работы

Ключевые результаты работы обсуждались на следующих конференциях:

1) ХЬШ Научно-практическая конференция с международным участием «Неделя науки СПбПУ», Санкт-Петербург, СПбПУ, 1 - 6 декабря 2014 г., тема доклада: «Применение аэродинамического пакета АКБУБ СБХ для определения характеристик турбинной ступени с отрицательным градиентом степени реактивности».

2) ХЬУ Научно-практическая конференция с международным участием «Неделя науки СПбПУ», Санкт-Петербург, СПбПУ, 14 - 19 ноября 2016 г., тема доклада: «Влияние тангенциального наклона рабочих лопаток на характеристики осевой турбинной ступени».

3) ХЬУП Научно-практическая конференция с международным участием «Неделя науки СПбПУ», Санкт-Петербург, СПбПУ, 19 - 24 ноября 2018 г., тема доклада: «Влияние тангенциального наклона на напряжения в рабочих лопатках осевой турбинной ступени».

Публикации

По результатам исследования опубликовано 7 печатных работ, 4 из которых входят в перечень ВАК:

1) Нгуен, А. К. Характеристики и структура потока турбинной ступени с отрицательным градиентом степени реактивности / А. К. Нгуен, К. Л. Лапшин // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2016. № 2. С. 163 - 173. 001: 10.58627JEST.243.17. (Перечень ВАК)

2) Нгуен, А. К. Влияние тангенциального наклона рабочих лопаток на потери кинетической энергии / А. К. Нгуен, К. Л. Лапшин // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные. 2017. Т. 23, №2 4. С. 66 - 73. Б01: 10.18721^Т.23.4.6. (Перечень ВАК)

3) Нгуен, А. К. К вопросу о рациональном проектировании турбинных ступеней с тангенциальным наклоном направляющих лопаток / А. К. Нгуен, К. Л. Лапшин // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 24. № 3. С. 114 - 125. Б01: 10.18721^Т.24.3.10. (Перечень ВАК)

4) Нгуен, А. К. Структура течения газа в осевой турбинной ступени с отрицательным градиентом степени реактивности / А. К. Нгуен, К. Л. Лапшин // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25. № 2. С. 118 - 131. БОТ: 10.18721^Т.25209. (Перечень ВАК)

5) Нгуен, А. К. Применение аэродинамического пакета АКБУБ СБХ для определения характеристик турбинной ступени с отрицательным градиентом степени реактивности / А. К. Нгуен, К. Л. Лапшин // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием, 1 - 6 декабря 2014 года. Институт энергетики и транспортных систем. Ч. I. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. С. 93 - 95.

6) Нгуен, А. К. Влияние тангенциального наклона рабочих лопаток на характеристики осевой турбинной ступени / Нгуен Ан Куанг, К. Л. Лапшин // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием, 14 - 19 ноября 2016 года. Лучшие доклады. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. С. 12 - 15.

7) Нгуен, А. К. Влияние тангенциального наклона на напряжения в рабочих лопатках осевой турбинной ступени / А. К. Нгуен, К. Л. Лапшин // Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием, 19 - 24 ноября 2018 года. Институт энергетики и транспортных систем. Ч. I. - СПб. ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2018. С. 167 - 170.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Текст диссертации изложен на 113 страницах, содержит 53 рисунков, 5 таблиц, список литературы, включающий 68 наименований.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО НАКЛОНА ЛОПАТОЧНЫХ ВЕНЦОВ В ОСЕВОЙ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ

1.1. Цели снижения градиента степени реактивности

В настоящее время при проектировании тепловых турбин практическое применение получают ступени со сниженным градиентом степени реактивности [1-4, 11-14, 19-21, 29, 37, 49, 50, 52, 61, 63, 67, 68], так как возможность управления изменением термодинамической степенью реактивности вдоль радиуса считается одним из действенных способов повышения эффективности турбинной ступени.

Следуя [36], рассмотрим, почему турбинная ступень со сниженным градиентом степени реактивности внедряется в практику турбиностроения. Изобразим процесс расширения газа в ступени в И^ диаграмме.

Рисунок 1.1. 1. Процесс расширения газа в И-б диаграмме.

Термодинамической степенью реактивности называется отношение изоэнтропийного перепада энтальпий в РК к изоэнтропийному перепаду

энтальпий от параметров торможения на входе в ступень до давления в потоке на выходе из ступени. Степень реактивности вычисляется следующей формулой:

Рт -

Н2 Н 0 " Н1

Нл

Нл

(1.1. 1)

в которой Н - изоэнтропийный перепад энтальпий от параметров торможения на входе в ступень до давления в потоке на выходе из ступени, Н* -изоэнтропийный перепад энтальпий от параметров торможения на входе в ступень до давления в потоке на выходе из НА Н2 - изоэнтропийный перепад энтальпий между давлениями в потоке на входе в РК и на выходе из ступени.

Для совершенного газа пренебрегаем изменением теплоемкости в пределах ступени, тогда все изоэнтропийные перепады в (1.1. 1) определяются следующими формулами:

Н0 - СрР

Н* - СрТО

1 - р 1 р*

г»

1 - р 1 р

* п

к-1

к-1

(1.1. 2)

(1.1. 3)

С учетом (1.1. 2 - 1.1. 3), формулу (1.1. 1) преобразуем в вид:

Рт -

ГРЛ р

V р 0

к-1 к

Гр\ р 2

V р 0

к-1 к

1 -

к-1

(11. 4)

Р

V Ро

В формуле (1.1. 4) показано, что степень реактивности только зависит от следующих параметров пара (газа): Р* - давления торможения на входе в ступень; р, р - давлений в потоке перед и за РК и к - коэффициента изоэнтропы. На номинальном режиме давления торможения р* на входе в ступень практически

к

к

к

постоянно по высоте лопатки. В практике проектирования турбин выход потока из ступени обычно близок к осевому, т.е. С2и « 0. в этом случае давления в потоке за ступенью мало меняется вдоль радиуса р « const. Давление р в потоке перед РК, напротив, обычно существенно увеличивается вдоль радиуса. Поэтому степень реактивности, в основноом, зависит только от давления P в потоке перед РК и также увеличивается от корня к периферии турбинной ступени.

Градиент степени реактивности приближенно определяется так:

_dPT „ *Рт „ Рт-рт ■ п л

gradpT- — - ---— , (U.

где pT и pp соответствуют термодинамической степени реактивности у корня и на периферии ступени, 1Х - высота НЛ.

Изобразим меридианные обводы проточной части турбинной ступени.

Рисунок 1.1. 2. Меридианные обводы проточной части турбинной ступени.

В турбинной ступени неизбежны утечки рабочего тела через уплотнение диафрагмы и бандажные полки над РЛ. Эти утечки приводят к снижению КПД турбинной ступени. С целью уменьшения утечек устанавливаются лабиринтовые уплотнения под диафрагмой и над бандажными полками РЛ. Утечки определяются по следующим формулам:

где и - утечки рабочего тела через уплотнение диафрагмы и бандажные полки РЛ;

¡л, ¡и - коэффициенты расхода под диафрагменным уплотнением и над бандажными полками РЛ;

Р, Р' - кольцевые площади для прохода рабочего тела через уплотнение диафрагмы и бандажные полки РЛ;

р; р - давления перед и за турбинной ступенью; р , р - давления перед и за гребнем уплотнения;

уо, у\ - удельные объемы перед гребнем диафрагменного уплотнения и перед бандажными полками РЛ;

г , г" - число гребней в диафрагменном уплотнении и бандажных полках РЛ.

В практике турбостроения задача создания эффективных уплотнений по смыслу обратна задаче проектирования проточной части турбинной ступени, т.к. нужно создать максимально возможное сопротивление и завихрение на пути потока протечки. При этом количество гребней в уплотнении для уменьшения

(11. 6)

расхода протечек нельзя наращивать произвольно. Следует руководствоваться рекомендациями по оптимальному проектированию лабиринтовых уплотнений. Утечки рабочего тела приводят к существенному снижению КПД и мощности турбинной ступени и определяются по следующим эмпирическим формулам:

г

^ «(1ДЛ5)^; (1.1. 8)

- ^; (1.1. 9)

0

Поэтому желательно уменьшать расходы утечек. Уменьшение утечек можно добиться следующими способами:

Первый - Следует совершенствовать конструкции лабиринтовых уплотнений и уменьшать радиальный зазор в них, что очевидно.

Второй - Увеличение размеров диафрагм паровых турбин с целью уменьшения диаметра уплотнений позволяет уменьшить кольцевую площадь диафрагменного уплотнения и, тем самым, утечки пара, что очевидно.

Третий - Снижение градиента степени реактивности в турбинной ступени.

Этот пункт требует пояснения. Рассмотрим схематично конфигурацию меридианной линии тока в такой ступени.

В турбинной ступени со сниженным градиентом степени реактивности линии тока искривлены выпуклостью к корневому сечению в осевом зазоре между НЛ и РЛ (рис. 1.1. 3) [2,38]. При этом возникает дополнительная сила инерции при движении рабочего тела по криволинейной траектории.

Проекция этой силы на оси г уменьшает центробежную силу ^, возникающую

в результате закрутки потока в межвенцовом зазоре между НЛ и РЛ относительно оси Такой эффект вызывает снижение градиента степени реактивности.

Рисунок 1.1. 3. Меридианная линия тока в турбинной ступени со сниженным

градиентом степени реактивности.

1.2. Преимущества и недостатки ступени со сниженным градиентом ступени реактивности

В [36] показаны преимущества и недостатки применения ступени со сниженным градиентом степени реактивности. Выполнено сравнение между двумя турбинными ступенями, имеющими одинаковые меридианные обводы проточной части и одинаковые параметры, скорости и углы потока на среднем радиусе, но разные законы закрутки потока вдоль радиуса.

Ступень 1 - турбинная ступень обычного типа, закрученного по закону потенциального вихря Си r = const.

Ступень 2 - турбинная ступень со сниженным градиентом степени

Рисунок 1.2. 1. Изменение степени реактивности вдоль радиуса в двух ступенях.

По сравнению с турбинной ступенью 1, ступень 2 имеет следующие преимущества:

1. В ступени 2, по сравнению со ступенью 1, степень реактивности у корня рт больше и у периферии рт меньше, т.е. Р1(2)> Р1(1) и р(2)< р(1). При этом в

ступени 2 уменьшаются утечки оут и &ут, определяемые формулами (1.1. 6 - 1.1. 7), по сравнению со ступенью 1, так как уменьшаться перепады давлений на лабиринтовые уплотнения под диафрагмой и над бандажными полками РЛ. За счет уменьшения утечек под диафрагмой и над бандажными полками РЛ можно ожидать увеличения внутреннего КПД ступени 2 по сравнению со ступенью 1.

2. За счет увеличения давления р в ступени 2 по сравнению со ступенью, увеличивается перепад давления на рабочую решетку в корневой зоне. Это

реактивности.

Г

1

Рт

благоприятно сказывается на увеличении конфузорности течения в корневой зоне РЛ, что обычно уменьшает там профильные и вторичные потери. Снижение потерь в рабочей решетке приводит к росту внутреннего КПД и мощности турбинной ступени 2 по сравнению со ступенью 1.

3. При прочих равных условиях скорости газа у корня за НЛ С\ и у периферии за РЛ ж2" в ступени 2 меньше, чем в ступени 1. При этом числа Маха по этим скоростям в ступени 2 меньше, чем в ступени 1. Может даже получится, что в ступени 1 числа Маха по этим скоростям сверхзвуковые, а в ступени 2 -дозвуковые. В этом случае потери кинетической энергии в лопаточных венцах в ступени 2 заметно меньше, чем в ступени 1, т.е. внутренний КПД и мощность ступени 2 будет больше, чем в ступени 1.

4. Градиент степени реактивности в ступени 2 меньше, чем в ступени 1. Это значит, что закрутка РЛ в ступени 2 меньше, чем в ступени 1. Иногда в практике турбиностроения применяются РЛ, имеющие постоянные профили вдоль радиуса. Применение таких РЛ очень важно для интенсивно охлаждаемых РЛ первых ступеней газовых турбин, так как упрощает технологию их изготовления по сравнению со ступенью 1 с закрученными РЛ.

5. В ступенях ЦНД паровых турбин наблюдается значительная эрозия периферийных сечений РЛ. Эрозия в периферийной зоне РЛ появляется за счет движения частичек влаги медленнее, чем поток пара. Поэтому частички влаги натекают на РЛ с большими отрицательными углами атаки и вызывают их эрозию (рис. 1.2. 2). Для уменьшения эрозии в периферийной зоне РЛ, необходимо интенсивно разгонять частички влаги в осевом зазоре между НЛ и РЛ у периферии. Этого можно добиться за счет увеличения скорости пара С у периферии и в ступени 2 выполнено такое условие за счет снижения степени реактивности в этой зоне. Таким образом, одним из способов борьбы с эрозией

РЛ является применение турбинной ступени со сниженным градиентом степени реактивности.

Рисунок 1.2. 2. Треугольники скоростей пара и влаги, натекающих на профиль

РЛ у периферии.

6. В паровых турбинах ТЭС мощностью 300 МВт и более существует проблема низкочастотной вибрации роторов. Вибрация возникает в основном в ЦВД и во многом связана с протечками пара над бандажными полками РЛ. Из -за неравномерности радиальных зазоров над бандажом по окружности возникают так называемые «неуравновешенные бандажные силы» в верхней и нижней части ЦВД. Эти силы возбуждают низкочастотные колебания ротора, которые могут привести к аварии турбин. Уменьшение протечек пара на бандажными полками РЛ в ступени 2 по сравнению ступенью 1 благоприятно скажется на уменьшении уровня бандажных сил.

Однако, по сравнению со ступенью 1, ступень 2 со сниженным градиентом степени реактивности имеет следующие недостатки:

1. Ступень 1, закрученная по закону потенциального вихря, теоретически способна иметь в сечении 2 - 2 за ступенью осевой выход потока на всех радиусах, причем С'2 = С2с = С2. В этой ступени также обеспечивается постоянство удельной мощности вдоль радиуса #и = const, тогда энтальпия торможения за

ступенью постоянна вдоль радиуса. В противном случае, вследствие разности энтальпий торможения по радиусу, возникает энергообмен между струйками газа за ступенью, что вызывает дополнительные потери.

Примем, что в ступенях 1 и 2 осевые скорости C2z на всех радиусах одинаковые С2г = С2гс = С2 г. Если пренебречь изменением плотности газа р2 вдоль радиуса, то ступени 1 и 2 будут пропускать тогда одинаковый массовый расход газа в сечении 2 - 2. Удельная мощность в ступени 2 такая же, как в ступени 1 и также постоянна вдоль радиуса #и = const.

Рассмотрим треугольники скорости на корневом, среднем и периферийном радиусе в сечении 2 - 2 в ступени 2.

На среднем радиусе треугольники скоростей при принятых условиях сравнения в ступенях 1 и 2 будут одинаковы, с осевым выходом потока. В отличие от ступени 1, в ступени 2 в корневых сечениях появится отрицательная закрутка потока С'2и < 0, а в периферийных сечениях - положительная закрутка потока С"2и > 0. Это объясняется тем, что в корневых сечениях ступени степень реактивности РТ(2)>Р(1), и, наоборот, в периферийных сечениях Рф)<Рт(1). В

соответствии с изменением выходной скорости на рис 1.2. 3, интегральные потери кинетической энергии с выходной скоростью в ступени 2 будут больше, чем в ступени 1. Таким образом, чем сильнее поток отличается от закона потенциального вихря, тем больше потери кинетической энергии с выходной скоростью. Увеличение интегральных потерь с выходной скоростью в ступени 2 по сравнению со ступенью 1 при одинаковом располагаемом перепаде энтальпий

Н0 на ступень приводит к уменьшению ее мощности и снижению внутреннего КПД. При одинаковой мощности для ступени 2 потребуется больший перепад энтальпий Н. Следовательно, стремясь реализовать преимущества ступени 2, неизбежно будем получать и этот негативный результат.

Рисунок 1.2. 3. Треугольники скоростей на корневом, среднем и периферийном радиусе в сечении 2 - 2 в ступени 2 и изменение выходной скорости вдоль

радиуса в ступенях 1 и 2.

В конечном счете, необходимо проектировать ступень 2 таким образом, чтобы получить максимальный эффект от ее положительных свойств. Естественно, эту оптимизационную задачу, связанную с анализом большого числа вариантов, следует решать с помощью компьютера [29].

2. Как известно, НЛ следующей ступени в проточной части турбины проектируются таким образом, чтобы избежать появление углов атаки на входе, т.е. асл = аг1_х. Приходим к выводу, что НЛ ступени, следующей после ступени 2,

приобретают закрутку пера. Ранее отмечалось, что РЛ ступени 2 менее закручены вдоль радиуса, чем у ступени 1. Но зато НЛ следующей ступени закручены более существенно, чем за ступенью 1.

Из - за отмеченных недостатков по сравнению со ступенью 1, трудно дать конкретные рекомендации по применению ступени 2 со сниженным градиентом степени реактивности на все реальные случаи проектирования. Необходимо каждый раз искать такой вариант ступени 2, для которого её положительные свойства максимально перевешивают негативные [29].

1.3. Способы снижения градиента степени реактивности

В силу указанных выше достоинств ступени 2 исследователи, работающие в области турбиностроения, уделяют значительное внимание разработке способов закрутки потока, позволяющих добиться снижения градиента степени реактивности. Для снижения градиента степени реактивности применяют следующие способы [2, 27]:

- Специальное проектирование меридианных обводов проточной части ступени.

- Применение НЛ с увеличивающимся к корню ступени углом а, так называемая обратная закрутка НЛ.

- Применение ТННЛ.

- Комбинации обратной закрутки и ТННЛ.

1.3.1. Проектирование меридианных обводов проточных частей ступени

Теория и рекомендации по созданию турбинных ступеней со снижением градиентом степени реактивности, в том числе турбинной ступени с постоянной степенью реактивности, разработаны в [20, 42, 44]. В этих работах решена стационарная задача для осесимметричного потока идеальной несжимаемой жидкости. При отсутствии градиента статического давления в осевой зазоре, получены следующие решения из уравнений движения Эйлера, уравнения Бернулли и уравнения неразрывности:

дс = 0; (1.3.1. 1)

дт

дС

dz д{Сгт )

= о; (1.3.1. 2)

= 0; (1.3.1. 3)

дт

С = const; (1.3.1. 4)

Геометрия НА и форма меридианных обводов проточной части турбинной ступени определены формулами (1.3.1. 1 - 1.3.1. 4). Но эти формулы не дают рекомендаций по проектированию РЛ, и это недостаток такого метода снижения градиента степени реактивности. В [42] автор показал достаточную эффективность ступени с постоянной степенью реактивность с точки зрения снижения градиента степени реактивности, но не сравнил экономичность ступени такого типа со ступенью обычного типа. В работе [45] проведено

исследование турбинной ступени малой веерности = 9,5 c меридианным

проектированием проточной части и сравнение ее со ступенью с незакрученными лопатками (и направляющими, и рабочими) в цилиндрических обводах проточной части. В обеих турбинных ступенях РЛ одинаковы. В турбинной

ступени с меридианным проектированием практически обнулился градиент статического давления р в осевом зазоре между лопаточными венцами. В обеих турбинных ступенях максимальные КПД имеют одинаковые значения, но в ступень с меридианным проектированием имеет более пологую зависимость

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Ан Куанг, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев О.Н., Кириллов А. И., Лапшин К. Л., Черников В. А. Исследования турбинных ступеней с навалом сопловых лопаток. Труды ЛПИ.Л.1969. №310. с.35-40.

2. Афанасьева Н. Н., Бусурин Б. Н., Гоголев И. Г. и другие. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин. Под общ. ред. В. А. Черникова. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1980. -263с, ил.

3. Батурин О. В., Матвеев В. Н. Расчетное исследование влияния тангенциального наклона сопловых лопаток на газодинамическую эффективность ступени осевой турбины. Вестник Самарского государственного аэродинамического университета. № 3. 2008. с. 114118.

4. Гаев В. Д. Разработка и модернизация проточных частей для повышения эффективности и функциональности паровых турбин. Дисс. ...докт. тех. наук. Санкт-Петербург. 2018. 280 с.

5. Гоголев И. Г., Дьяченко П. И. и др. Результаты испытаний моделей осевой турбинной ступени с радиальным навалом направляющих лопаток. Энергомашиностроение. 1968. № 9. с. 19 - 21.

6. Гудков Н. Н., Диденко С. И., Бак С. Н. Возможности модернизации энергетического оборудования Украины. Компрессорное и энергетическое машиностроение. 2009. № 4. с. 3-7.

7. Дейч М. Е., Филиппов Г. А. К расчету турбинных ступеней с длинными лопатками переменного профиля. Теплоэнергетика. 1961. № 9.

8. Дейч М. Е., Губарев А. В., Филиппов Г. А., Ван Чжун-ци. Новый метод профилирования направляющих решёток ступеней с малыми ё/1. Теплоэнергетика. 1962. № 8. с. 42—47.

9. Дейч М. Е., Трояновский Б. М. Исследования и расчеты ступеней осевых турбин. М.: Машиностроение. 1964. - с. 295 -314.

10. Епифанов А. А., Кириллов А. И., Рассохин В. А. Расчет трехмерного течения в ступенях малорасходных турбин. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование. СПб. Изд-во Политехнического университета. 2012. №1. С. 65-70.

11.Ершов С. В., Русанов А. В., Яковлев В. А. Повышение КПД проточной части цилиндра высокого давления паровой турбины на основе расчетов трехмерного вязкого течения. Наука и инновации. 2006. Т 2. № 6. с. 3948.

12. Ершов С. В., Яковлев В. А. Аэродинамическая оптимизация лопаточных аппаратов турбин: подходы, методы и результаты. Проблемы машиностроения. 2012. Т. 15. № 2. с. 3-13.

13.Ершов С. В., Яковлев В. А. Аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопаток паровых и газовых турбин. Авиационно - космическая техника и технология. Национальный аэродинамический университет им. Н.Е. Жуковского ХАИ. Харьков. 2008. № 7. с. 66-70.

14.Ершов С. В., Яковлев В. А. Многорежимная аэродинамическая оптимизация пространственной формы лопаточных аппаратов турбин. Авиационно-космическая техника и технология. 2010. № 9. с. 29-33.

15. Жирицкий Г. С, Стункин В. А. Конструкция и расчет на прочность деталей паровых и газовых турбин. Машиностроение, М., 1968. 520 с.

16. Иноземцев А. А., Сандрацский В. Л. Газотурбинные двигатели. Пермь. 2006. 1204 с.

17.Канарский Д. Ю., Римашевская Е. Д., Качан С. А. Совершенствование проточной части паровых турбин. Актуальные проблемы энергетики: материалы 69-й научно-технической конференции студентов и

аспирантов. Белорусский национальный технический университет, Энергетический факультет. Секция 4: Тепловые электрические станции. - Минск: БНТУ, 2014. - С. 148-150.

18. Кириллов А. И., Рис В. В., Смирнов Е. М. Опыт решения методических и практических задач численного моделирования течений и теплообмена в турбомашинах. Справочник. Инженерный журнал. Приложение «Методы совершенствования энергетических установок». Изд-во Машиностроение. Москва. 2004. № 10. С. 13-19.

19. Кириллов А. И., Сироткин Я. А., Лапшин К. Л. Особенности расчета турбинных ступеней с тангенциальным наклоном направляющих лопаток. Энергомашиностроение. 1984. № 7. с.2-5.

20.Кириллов И. И. Теория турбомашин. Л., Машиностроение, 1972 - 533 с.

21. Кириллов И. И., Агафонов Б. Н., Афанасьева Н. Н., Кириллов А. И., Проскуряков Г. В., Черников В. А., Шварцман О. А. Исследование и отработка ступеней для высокотемпературных газовых турбин. Теплоэнергетика.1983. №3. с.50-55.

22. Кириллов И. И, Кириллов А. И. Теория турбомашин. Примеры и задачи. Учебное пособие для вузов. Л., «Машиностроение» (Ленинград. отд-ние), 1974, 320 с.

23.Кириллов И. И., Лапшин К. Л. и др. Авторское свидетельство № 985328. Сопловой аппарат [Текст]. 1982.

24.Ключников Г. М. Исследование влияния степени реактивности на рабочий процесс ступени газовой турбины. Автореф. канд. дисс. Казанск. авиац. ин-т. Казань. 1967.

25.Ключников Г. М. Об одном методе проектирования турбинной ступени. Сборник докладов молодых ученых. Казань. 1965.

26.Костюк А. Г. Динамика и прочность турбомашин: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 476 с.: ил.

27.Лапшин К. Л. Исследование турбинных ступеней со сниженным градиентом степени реактивности. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Л-д, ЛИИ, 1969. - 188 с.

28. Лапшин К. Л. К расчету турбинных ступеней с навалом направляющих лопаток. Известия ВУЗ. Энергетика. 1969. КЗ. с. 15-18.

29. Лапшин К. Л. Компьютерная оптимизация паровых и газовых турбин. СИб. 2018. Режимы доступа: http://elib.spbstu.ru/dl/2/s 18-1.pdf

30. Лапшин К. Л. Математические модели проточных частей в проектировочных газодинамических расчетах осевых тепловых турбин на ЭВМ [Электронный ресурс]: Учебное пособие. СИб., 2013. Режим доступа: http ://elib.spbstu. ru/dl/ 1919.pdf

31. Лапшин К. Л. Оптимизация проточных частей осевых тепловых турбин: энциклопедия. М.: Машиностроение, том 4-19. глава 1.4. -2015. -С.49-75.

32. Лапшин К. Л. Оптимизация проточных частей паровых и газовых турбин. - СИб.: Изд-во Иолитехн. ун-та, 2011. - 177 с.

33.Лапшин К. Л. Оптимизация проточных частей паровых турбин с применением «интегральных» сопловых лопаток. Научно-технические ведомости СИбГИУ, 2013. №1, с.61-66.

34. Лапшин К. Л. Основы теории осевых тепловых турбомашин. СИб., Изд-ИУ. 2016.-103 с.

35. Лапшин К. Л. Развитие одномерной теории осевых тепловых турбомашин. СИб., Изд-во СИбИУ. 2018. 50 с.

36.Лапшин К. Л. Теория оптимального проектирования тепловых турбомашин [Электронный ресурс]. СИбИУ Иетра Великого. Конспект лекций. СИб. 2018. 136 с. Режим доступа: http://elib. spbstu.ru/dl/2/s 17-205.pdf

37.Лапшин К. Л., Панкратов М. С. Трехмерный газодинамический расчет потока в ступени осевой турбины со сниженным градиентом степени реактивности. Энергомашиностроение. 2006. № 2. С. 57-60.

38.Лапшин К. Л., Фомин В. С., Аврутов Е. А., Кириллов В. И. Влияние тангенциального наклона направляющих лопаток на структуру потока и характеристики осевой турбинной ступени. Изв. ВУЗов. Энергетика.1985. № 7. С.76-80.

39. Левина М. Е., Гребцев В. К. Влияние геометрических характеристик турбинной ступени на радиальный градиент реактивности. Теплоэнергетика. 1966. № 1.

40.Левина М. Е., Гребцев В. К. Влияние радиального градиента реактивности на распределение потерь в турбинной ступени. Теплоэнергетика. 1966. №4.

41. Левина М.Е., Зайцев М. В., Слабченко О. Н. Исследование кинематики потока и коэффициента расхода сопловых решеток в ступенях с различным градиентом реактивности при М=19. Энергомашиностроение. Респ. межвед. Научно-техн. Сб., 1966, вып. 3.

42.Левина М. Е., Слободянюк П. И. Ступень турбины с постоянной реакцией. Теплоэнергетика. 1965. № 9.

43.Митюшкин Ю. И. К вопросу пространственного течения невязкой сжимаемой жидкости в сопловом венце осевой турбомашины. -Труды ЛКИ, вып. 23. 1959. с.43-52.

44.Митюшкин Ю. И. К вопросу теории турбинной ступени с отсутствием радиального градиента статического давления в осевом зазоре. Известия вузов СССР. Сер. Энергетика. 1958. № 10.

45.Митюшкин Ю. И. Некоторые результаты экспериментальных исследований турбинных ступеней и кольцевых решеток. Извести вузов СССР. Сер. Энергетика. 1959. № 11.

46.Нгуен А. К., Лапшин К. Л. Влияние тангенциального наклона на напряжения в рабочих лопатках осевой турбинной ступени. Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием, 19 - 24 ноября 2018 года. Институт энергетики и транспортных систем. Ч. I. - СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2018. С. 167 - 170.

47.Нгуен А. К., Лапшин К. Л. Влияние тангенциального наклона рабочих лопаток на потери кинетической энергии в осевой турбинной ступени. Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2017. Т. 23. № 4. с. 66-73. В01:10.18721/ДЕ8Т.230406.

48.Нгуен А. К., Лапшин К. Л. Влияние тангенциального наклона рабочих лопаток на характеристики осевой турбинной ступени. Неделя науки СПбПУ. Материалы научной конференции с международным участием.14-19 ноября 2016 года. Лучшие доклады. с.12-15.

49.Нгуен А. К., Лапшин К. Л. К вопросу о рациональном проектировании турбинных ступеней с тангенциальным наклоном направляющих лопаток. Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 4. № 3. с. 114-125. В01:10.18721/Ш8Т.240310.

50.Нгуен А. К., Лапшин К. Л. Применение аэродинамического пакета ЛК8У8 СБ8Х для определения характеристик турбинной ступени с отрицательным градиентом степени реактивности. Неделя науки СПбПУ: материалы научной конференции с международным участием, 1 - 6 декабря 2014 года. Институт энергетики и транспортных систем. Ч. I. -СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. С. 93 - 95.

51.Нгуен А. К., Лапшин К. Л. Структура течения газа в осевой турбинной ступени с отрицательным градиентом степени реактивности. Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25. № 2. С. 118 - 131. Б01: 10.18721/1Е8Т.25209.

52.Нгуен А. К., Лапшин К. Л. Характеристики и структура потока турбинной ступени с отрицательным градиентом степени реактивности. Научно-технические ведомости СПбГПУ. СПб. Изд-во Политехнического университета. 2016. №2. с. 163-173.

53.Немцов А. Д., Юкевич Ю. З., Гольман В. И. и др. Влияние наклона сопловых лопаток на КПД ступени среднего давления. Энергомашиностроение. 1968. № 12. с.42-43.

54. Осипов А. В., Анисин А. К. Теория и расчет одноступенчатой газовой турбины. Брянск, БГТУ, 2013. - 73 с.

55.Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М. «Машиностроение», 1974 г, 520 с.

56. Смирнов Е. М., Кириллов А. И., Рис В. В. Опыт численного анализа пространственных турбулентных течений в турбомашинах. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Изд-во Политехнического университета. 2004. № 1. с. 56-70.

57.Степанов Г. Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. М., 1962. 512 с.

58.Талерин А. А., Антипцев Ю. П., Аннопольская И. Е., Борисов Н. А. Малозатратная модернизация цилиндра низкого давления турбины К-300-240 с учетом переменного режима функционирования турбоагрегата. Наука и инновации. 2006. Т 2. № 6. с. 49-58.

59. Техническая информация по второй половине I этапа темы №464/127-62. БИТМ. Брянск. 1967.

60.Топунов А. М., Тихомиров В. А. Управление потоком в тепловых турбинах. Л., 1979. -151 с.

61.Тюхтяев А. М., Ласкин А. С., Захаров А. В. Потери кинетической энергии потока по высоте направляющего аппарата последней ступени мощных паровых турбин. Электронный журнал «Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана». 2014. № 6. с. 66-81.

62.Щегляев А. В. Паровые турбины. М.,1976. -368 с.

63.Яковлев В. А., Ершов С. В. Многорежимная оптимизация последней ступени ЦНД паровой турбины. Вестник Нац. техн. ун-та "ХПИ": сб. науч. тр. Темат. вып.: Энергетические и теплотехнические процессы и оборудование. - Харьков: НТУ "ХПИ". - 2010. - № 2. - С. 32-38.

64.Denton J. D., Xu L. The exploitation of three-dimensional flow in turbomachinery design. Proc. IMechE Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 1998. Vol. 213(2). pp. 125 - 137.

65.Hill J. M., Lewis R. I. Experimental investigations of strongly swept turbine cascades with low speed flow. Journal Mechanical Engineering Science. 1974. Vol. 16(1). pp. 32 - 40.

66.Lewis R. I., Hill J. M. The influence of sweep and dihedral in turbomachinery blade rows. Journal Mechanical Engineering Science. 1971. Vol. 13(4). pp. 266 - 285.

67.Shieh T. Н. Aerothermodynamic Effect and Modeling of the Tangential Curvature of Guide Vanes in an Axial Turbine Stage. International Journal of Rotating Machinery. Vol. 2017. Article ID 3806356, 16 pp. <URL: https://doi.org/10.1155/2017/3806356>

68.Woft R., Romanov K. Steam Turbine: Siemens Reactive Blading - Designed for Highest Efficiency and Minimal Performance Degradation. 2014. Russia Power 2014. pp. 1-19.