Совершенствование одноступенчатой газовой турбины

Размещено на http://www.allbest.ru

ISBN 5-89838-227-5 Вестник Брянского государственного технического университета. 2006. № 1 (9)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

В.Т. Буглаев, И.Г. Гоголев, А.М. Дроконов, А.Д. Николаев

Представлены результаты экспериментальных исследований совместной работы турбинной ступени и прилегающих патрубков. Показаны способы аэродинамического совершенствования их проточной части.

турбинный ступень патрубок тракт

В настоящее время остаются недостаточно исследованными условия совместной работы турбинной ступени с входным и выхлопным патрубками, что затрудняет процесс оптимизации конструкции проточной части при проектировании и модернизации турбомашин. С целью изучения взаимного влияния ступени и прилегающих к ней патрубков была исследована одноступенчатая турбина, состоящая из осевой ступени, газовпускного и выходного патрубков различной конструкции, на оборудовании и по методике БГТУ [1].

Объектом испытаний служила модель газовой турбины агрегата наддува мощного судового дизеля, безбандажная турбинная ступень которой имела следующие параметры: d/l=7,0, углы решеток на среднем диаметре и , степень реакции . Исследования проводились на воздушном стенде при числах и Re. Конструкции газовпускного и выхлопного трактов обеспечивали поворот рабочего тела на (рис. 1). Выходной патрубок простейшей конструкции включал осерадиальный диффузор со степенью расширения и корпус, компоновка которого позволяла проводить испытания с различными значениями выходных площадей . Характеристики потока регистрировались аэродинамическими зондами в контрольных сечениях 0'-0', 0-0, 1-1, 2-2, 3-3 и 4-4 проточной части. Испытания проводились в широком диапазоне режимов работы установки. Определялись технические характеристики турбинной ступени, газовпускного и выхлопного трактов при их различном конструктивном исполнении.

Рис. 1. Схема проточной части турбинного отсека: 1 - входной патрубок; 2 - направляющий аппарат; 3 - рабочее колесо; 4 - диффузорный выходной патрубок; 5 - дефлектор; 6 - решетка;

0' - 0', 0 - 0, 1 - 1, 2 - 2, 3 - 3, 4 - 4 - измерительные сечения

Влияние входного патрубка. Первый этап программы испытаний охватывал автономные исследования входных патрубков и ступени турбоагрегата. Изучение аэродинамических характеристик газовпускного устройства на специальном испытательном стенде позволило определить благоприятные контуры ограничивающих поверхностей, обеспечивающие минимальные энергетические потери. При этом установлено оптимальное отношение площадей между выходным и входным сечениями патрубка - .

По результатам исследований спроектирован газоподводящий тракт (рис. 2а), обладающий существенно меньшими в сравнении с исходным потерями энергии. При дальнейшей его модернизации были дополнительно сокращены практически вдвое потери напора (рис. 2б), составившие в этой конструкции при . Одновременно снизился (в сравнении с моделью I) градиент изменения углов выхода потока из тракта газовпуска (сечение 0-0).

Рис. 2. Модернизация проточной части входного патрубка:

а- модель I; б- модель II

При исследовании отсека «входной патрубок - ступень» была проведена его конструктивная модернизация. Изучалось влияние формы меридионального обвода направляющего аппарата (НА) турбинной ступени средней верности на экономичность работы агрегата. Было испытано 8 вариантов моделей ступени, угол раскрытия проточной части которых изменялся в диапазоне в корневом и периферийном сечениях (рис.3) при коническом очертании этих поверхностей. Градиент изменения проходных площадей формировался благодаря соотношению углов и . Установлено, что любой наклон внутреннего контура направляющей решетки интенсифицировал радиальные перетекания энергоносителя, ухудшающие процесс его течения в корневой области лопаточного аппарата, а потому этот обвод следует формировать с ограничивающей поверхностью цилиндрического вида. При этом обнаружено, что некоторая конфузорность периферийной меридиональной поверхности (в пределах ) позволяет повысить экономичность ступени приблизительно на 1 % (рис. 3). Обеспечение в средней части сопловых каналов линий тока, характерных для выходных сечений НА, благоприятно влияет на структуру течения теплоносителя, что улучшает преобразование энергии в ступени [2].

Сравнение аэродинамических характеристик элементов рассматриваемого отсека в изолированных условиях с характеристиками, полученными в результате исследований в комбинации «входной патрубок - ступень», позволило оценить взаимное влияние последних в условиях совместной работы и наметить конкретные пути конструктивного совершенствования. Так, исследование характера течения рабочего тела перед сопловой решеткой показало значительную неравномерность его параметров (полей полного и статического давлений, углов входа потока в НА). Как видно из рис.4а, за моделью I патрубка в соплах, расположенных в зоне А (рис. 1), где согласуются направления движения газа и вращения диска, наблюдаются отрицательные углы атаки потока. На дуге

В подачи газа углы атаки преимущественно положительные [2].

Рис. 3. Зависимость max=f(п) при (u/C0)opt

Рис. 4. Аэродинамические характеристики отсека «входной патрубок - ступень» (с моделью I патрубка):

а- углы входа потока в сопловой аппарат в окружном направлении; б- потери энергии с в сопловом аппарате

Окружное распределение потерь напора в сопловых каналах (рис. 4б) подтверждает неравномерность параметров газа в межвенцевом зазоре. Траверсирование потока за ступенью показало, что в этом сечении его неравномерность существенно сокращается, т.е. в рабочем колесе (РК) значительно снижается деформация течений, привнесенная входным патрубком.

КПД комбинации «входной патрубок - ступень» при оптимальном режиме эксплуатации на 2,5 % ниже эффективности изолированной ступени из-за аэродинамических потерь непосредственно в каналах газовпускного тракта и потерь, обусловленных влиянием последнего на преобразование энергии в ступени вследствие подачи теплоносителя со значительной неравномерностью распределения параметров в окружном и радиальном направлениях (рис. 5, кривые 2 и 3).

Рис. 5. Зависимости КПД различных вариантов отсека от числа u/C0 и n: 1-отдельная ступень с полным использованием выходной кинетической энергии; 2 - отдельная ступень без использования выходной кинетической энергии; 3 - комбинация «входной патрубок - ступень»; 4 - комбинация «ступень - диффузор»; 5 - комбинация «ступень - выходной диффузорный патрубок» с отношением площадей n=2,5; 6-комбинация «ступень -выходной диффузорный патрубок» с отношением площадей n=2,2; 7 - турбина с выходным патрубком n=2,5

Конструктивное совершенствование газоподводящего тракта (рис. 2б) и профилирование направляющих лопаток турбинной ступени для условий безударного натекания рабочего тела (согласно кинематике выхода потока из соответствующей зоны газовпускного устройства, рис. 4а) способствовали повышению экономичности отсека «входной патрубок - ступень» и обеспечивали снижение вибрационной нагрузки на лопаточный венец РК.

Установлено, что большое влияние на уровень потерь энергии в безбандажных турбинных ступенях оказывают утечки теплоносителя через радиальный зазор над РК. Некоторое их снижение может быть достигнуто посредством создания у периферии ступени за НА положительной перекрыши, оптимальные размеры которой для отдельных групп ступеней устанавливаются опытным путем.

Другим перспективным направлением, способствующим снижению утечек энергоносителя через радиальный зазор, является создание на внешнем обводе над РК винтовых профильных канавок, обеспечивающих эффект «запирания» потока в периферийной области. Так, канавки полукруглой формы (рис. 6), расположенные под углом к оси машины, в турбинной ступени с d/l=7,0 при радиальном зазоре мм обеспечивают повышение КПД приблизительно на 1 % в сравнении с КПД ступени с гладким периферийным кольцом.

Рис. 6. Периферийное уплотнение с винтовыми канавками на внешнем обводе над РК

Влияние осерадиального диффузора. Как показали исследования, эффективность диффузора в значительной степени зависит от структуры входящего потока. Наименьшие потери напора наблюдаются при равномерном поле скоростей и давлений рабочего тела. Движение газа в канале диффузора при этом становится близким к осесимметричному, наблюдается достаточно равномерное распределение параметров потока вдоль радиуса и малая степень турбулентности. Коэффициент затрат энергии в патрубке, определяемый по формуле (здесь и - величины статического давления на участках входа и выхода модели соответственно, - кинетическая энергия), составил в рассматриваемом случае (рис. 7, точка 1).

Рис. 7. Зависимость потерь энергии в выходных элементах турбины от угла входа потока 2:

1 - диффузор в изолированных условиях (с равномерным подводом газа); 2 - комбинация «ступень - диффузор»; 3 - выходной диффузорный патрубок в изолированных условиях с n=2,5; 4 - комбинация «ступень - выходной диффузорный патрубок» с n=2,5

При совместной работе диффузора и турбинной ступени последняя оказывает воздействие на течение в диффузоре: набегающий поток становится нестационарным и высокотурбулентным. В пери-ферийной области диффузора в широком диапазоне режимов работы ступени наблюдается положительная закрутка потока (в направлении вращения РК) и с увеличением u/Co возрастает протяженность области закру- ченного течения внутри ка- нала.

Для снижения отмеченного отрицательного воздействия целесообразно создание положительной перекрыши на внешнем обводе входного участка диффузора, соответствующей примерно 10 % высоты рабочей лопатки ().

В этой области на внутреннем обводе диффузора поток при малых отношениях u/Co имеет противоположное винтовое движение, а при больших оно совпадает с направлением вращения РК.

Создание ступенью высокодеформированного потока на входе в диффузор приводит к росту путевых потерь на его обводах. Условия эксплуатации, при которых закрутка потока имеет положительное направление по всей высоте рабочей лопатки, обусловливают увеличение потерь напора в диффузорном канале. И напротив, создание некоторого отрицательного винтового течения приводит даже к некоторому повышению его КПД (рис. 7, кривая 2).

Расположение диффузора за РК позволяет в определенной мере использовать выходную кинетическую энергию. Так, КПД max комбинации «ступень - диффузор» увеличился на 1,8 % в сравнении с КПД max отдельной ступени (рис. 5, кривые 2 и 4).

Создание на внешнем обводе входного участка диффузора положительной перекрыши и отсос пограничного слоя в зоне отрыва от поверхности обвода путем рециркуляции потока (рис.8) позволяют повысить эффективность работы рассматриваемого отсека на 1,0…1,5 %, а также снизить его виброактивность и уровень излучаемого звукового давления.

Рис. 8. Конструктивное исполнение усовершенствованного диффузора

Влияние диффузорного выходного патрубка. Практика проектирования входных и выходных устройств ГТУ показала, что аэродинамическое сопротивление входных патрубков () существенно меньше, чем выхлопных(). Поэтому, снижение сопротивления выходного отсека турбомашины позволит получить значительный прирост мощности. Для реализации этой задачи была проведена конструктивная модернизация последнего.

При расположении за ступенью турбины патрубка с односторонним выходом в проточной части турбины возникают определенная асимметрия и неравномерность течений, зависящие от конструктивных особенностей выходного тракта и режима работы предвключенной ступени.

Как и на предыдущих этапах исследований, были выполнены испытания диффузорного выходного патрубка в изолированных условиях на статическом стенде. При этом установлены его оптимальные геометрические параметры: форма контура поворота потока в закрытой области патрубка, обеспечивающая его плавное направление в зону выхлопа, а также расстояние между выходным кольцевым сечением диффузора и ограничивающими боковыми стенками корпуса ().

С целью стабилизации течений энергоносителя в каналах выхлопного отсека в области внешнего обвода диффузора устанавливался стационарный широкорежимный дефлектор, посредством которого высокоскоростная периферийная часть потока, ускоряясь на выходном участке внешней поверхности, создавала эжектирующий эффект, содействуя безотрывному течению(рис. 1, п.5).

В части патрубка, прилегающей к выходному сечению, целесообразно устанавливать противовихревые решетки, ориентированные вдоль оси турбины (рис. 1, п. 6), что способствует снижению сопротивления корпуса и уровня его вибрации.

В диффузоре, работающем в системе выходного тракта со степенью расширения , коэффициент потерь энергии составил (рис.7, п.3).

Турбулентность и неравномерность потока, обусловленные ступенью турбины (рис. 9), вызывают рост энергетических потерь в каналах выхлопного отсека, причем величина их зависит от угла входа рабочего тела в диффузор 2 (рис. 7, кривая 4). Наименьшая величина потерь напора в патрубке наблюдалась на режиме с , т.е. отрицательная закрутка обеспечивает наиболее благоприятные условия течения энергоносителя.

Рис. 9. Влияние угла выхода потока ?2 на распределение скоростей за ступенью С2 по высоте лопатки : 1, 2, 3, 4 - соответствуют различным u/Co

На рис. 5 представлены зависимости КПД комбинаций «ступень-выходные патрубки» при степени расширения последних и (кривые 5 и 6) от режима работы предвключенной ступени. Как видно, установка корпуса патрубка снижает эффективность использования выходной кинетической энергии за ступенью, причем с уменьшением площади выхода исследуемого варианта патрубка величина этих потерь энергии возрастает.

Следует отметить, что эффективность собственно ступени, работающей совместно с выхлопным отсеком, мало отличается от КПД ступени в изолированных условиях, что можно объяснить незначительными изменениями условий течения газа в лопаточных каналах, в то время как входной патрубок снижает ее эффективность примерно на 1 %.

Наличие патрубков практически не оказывает влияние на осредненную по ометаемой площади степень реакции ступени, хотя перераспределение статического давления в окружном направлении и по высоте каналов остается, то есть уровень осевого усилия на РК сохраняется почти неизменным.

Комбинация «входной патрубок - ступень турбины - выходной патрубок». Практический интерес представляет анализ условий работы турбоагрегата, проточная часть которого состоит из ступени и прилегающих входного и выходного патрубков. Зависимость эффективности этого отсека при от параметра u/Co представлена кривой 7 на рис.5. При оптимальном режиме работы общий КПД установки оказался примерно на 2,5 % ниже, чем КПД отдельной ступени, причем эта разность несколько уменьшается при снижении u/Co. Диффузор в турбине также положительно воздействует на процесс преобразования энергии, а потому КПД турбоагрегата на частичных нагрузках превосходит эффективность комбинации «входной патрубок - ступень».

Определенное влияние на КПД турбины оказывает взаимное расположение сечений входа и выхода рабочего тела, формирующих его течение и определяющих потери энергии в каждом из элементов проточной части. Установлено, что потери энергии достигают минимальной величины, если подача газа в турбину и его отвод происходят на одной стороне агрегата.

Исследования позволяют заключить, что при определении прочностных характеристик ступени, работающей совместно с патрубками, необходимо учитывать влияние последних, так как создаваемая в этих условиях окружная неравномерность параметров потока существенно влияет на диск и лопаточный венец РК, повышая их виброактивность. Кроме того, при смещении центра осредненного осевого давления газа от оси вращения на ротор воздействует изгибающий момент, достигающий 10…15 % крутящего момента ступени.

Таким образом, выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

Работа турбинной ступени совместно с входными и выходными устройствами несколько отличается от ее работы в изолированных условиях в основном под влиянием входного патрубка.

Существенное влияние на КПД отсека «ступень - выхлопной патрубок» оказывает площадь выходного сечения последнего. При использовании выхлопных устройств простейшей конструкции следует их проектировать со степенью расширения .

Осерадиальный диффузор обладает наибольшей эффективностью при наличии на входе в него (за рабочим колесом) некоторой отрицательной закрутки потока и оборудовании его периферийным уступом на входе, а также при оснащении широкорежимным дефлектором;

Экономичность ступени средней верности можно повысить путем незначительного сужения каналов в области периферийного обвода направляющего аппарата.

Эффективность работы входного отсека газовой турбины, оборудованного кольцевым газовпускным патрубком, можно существенно увеличить при проектировании сопловых сегментов с учетом места их расположения в выходном сечении последнего, т.е. обеспечивая безударное натекание потока на НА.

Применение на внешнем обводе над безбандажным РК винтовых уплотнительных канавок способствует повышению КПД ступени.

Список литературы

1. Афанасьева, Н.Н. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин / Н.Н. Афанасьева, В.Н. Бусурин, И.Г. Гоголев [и др.]; под ред. В.А. Черникова. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. - 263с.

2. Гоголев, И.Г. Аэродинамические характеристики ступеней и патрубков тепловых турбин / И.Г. Гоголев, А.М. Дроконов. - Брянск: Грани, 1995. - 258с.

Размещено на Allbest.ru