Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий литературный обзор , 10
1.1. Возникновение отрыва потока , 10
1.2. Факторы, влияющие на эффективность диффузоров с безотрывным и отрывным характером течения ,, IV
1.2.1. Влияние входных условий на характеристики диффузоров 19
1.2.2. Влияние степени турбулентности 23
1.2.3. Влияние закрутки потока 25
1.3. Методы увеличения зоны безотрывного течения, не тре
бующие затрат энергии от внешнего источника 26
1.3.1. Профилирование стенок диффузора . 28
1.3.2. Влияние поперечного оребрения стенок диффузора . 31
1.3.3. Использование ребер, направляющих лопаток . 32
1.4. Методы увеличения зоны безотрывного течения с исполь зованием энергии от внешнего источника 36
1.4.1. Отсос пограничного слоя ,,. 36
1.4.2. Вдув активной струи в пристеночную зону 41
1.5. Отрывные режимы течения в элементах проточной части турбин 44
1.5.1. Течение в каналах с отводящим диффузором 47
1.5.2. Особенности течения потока в диффузорных выхлопных патрубках турбин 49
2. Методика проведения эксперимента, описание моделей . 55
2.1. Описание конструкции воздушного экспериментального стенда и характеристика испытанных моделей 55
2.2. Установка для проведения структурных измерений в пограничном слое , 62
2.3. Описание модели плоского диффузора с поворотом потока 64
2.4. Аэродинамические характеристики для оценки эффективности диффузорных каналов .., 65
2.5. Визуальное определение положения отрыва потока 73
2.6. Измерение параметров потока и погрешности измерений 76
2.7. Измерение уровня шума, генерируемого потоком в канале 81
3. Расчетное исследование течения в диффузорном канале при наличии отрыва потока 86
3.1. Модель течения, основные допущения #..., 86
3.2. Выбор интегральной методики расчета 91
3.3. Вывод основных расчетных соотношений 93
3.4. Определение формпараметра Н , 98
3.5. Критерии для определения зоны безотрывного течения. Возможность их применения для диффузоров 102
3.6. Погрешности при применении различных критериев отрыва турбулентного пограничного слоя к расчету положения безотрывной зоны течения в диффузоре 112
3.7. Расчетное исследование влияния геометрических параметров на характеристики диффузоров ИЗ
3.8. Анализ условий возникновения отрыва 120
4. Экспериментальное исследование течения при положитель ном градиенте давления 128
4.1. Развитие отрыва потока в плоском диффузорном канале
4.2. Влияние внешних воздействий на характеристики потока при отрывном режиме течения в канале 141
4.3. Факторы, влияющие на эффективность восстановления давления в диффузорном канале с естественным вдувом 149
4.3.1. Влияние нарушения плавности обводов 150
4.3.2. Влияние скорости вдуваемой струи на характеристики канала 156
4.4. Влияние продольных пазов на эффективность диффузорных каналов ТАТ
4,5, Влияние режима течения на шум, излучаемый потоком ., 174
5, Оптимизация элементов проточной части турбомашины 178
5.1 Повышение эффективности диффузорных клапанных систем турбомашины . 178
5.1.1, Влияние условий входа рабочего тела в клапанную коробку на потери в клапане . 180
5.1.2, Влияние геометрических характеристик клапана на потери в системе .... 182
5.1.3, Влияние конструкции клапана на излучаемый уровень шума 187
5.2, Оптимизация условий поворота потока в плоских диффузорах 191
5.3, Описание конструкции клапана для паровой турбины 199
Выводы . 202
Список использованных источников
- Факторы, влияющие на эффективность диффузоров с безотрывным и отрывным характером течения
- Описание конструкции воздушного экспериментального стенда и характеристика испытанных моделей
- Модель течения, основные допущения
- Влияние внешних воздействий на характеристики потока при отрывном режиме течения в канале
Введение к работе
Вопрос повышения экономичности основного и вспомогательного оборудования электричнских станций приобрел в последнее время особую остроту, обусловленную постоянным увеличением потребления электроэнергии и ограниченностью топливных ресурсов, на базе которых эта энергия вырабатывается. Для турбинных установок с ростом единичной мощности проблема повышения экономичности становится особенно важной, т.к. возрастает абсолютная значимость каждой доли процента к.п.д. Экономичность турбины во многом определяется совершенством систем подвода и отвода рабочего тела, одним из основных элементов проточной части которых является диффузор. Таким образом, оптимизация диффузоров, как элементов проточной части турбомашин, непосредственно связана с повышением эффективности всей турбоустановки.
Возможность повышения эффективности диффузоров, т.е. их способности восстановления давления, как правило, ограничивается возникновением отрыва потока. Отрывной характер движения жидкости достаточно часто встречается практически во всех аэродинамических устройствах, аппаратах и машинах, Несмотря на исключительное многообразие каналов и различных конструктивных элементов, в которых наблюдается отрыв потока от стенок, общим признаком его возникновения является резкое увеличение аэродинамических потерь. Увеличение объемных расходов пара, характерное для развития современных мощных паровых турбин, приводит к увеличению скорости потока на входе в диффузорные элементы, сопровождаемое ростом входной неравномерности параметров потока и, как следствие, под действием этих факторов снижается восстановительная способ-
ность диффузора, увеличивается вероятность отрыва потока. Отрыв потока приводит также к появлению нестационарного изменения параметров и дополнительных усилий, действующих на конструкцию. Таким образом, отрывной режим течения снижает не только эффективность, но и надежность работы турбомашини. Как следствие, явления поломки штоков и выпрессовки диффузоров в конструкциях регулирующих клапанов паровых турбин.
Режим течения в диффузоре особенно важен для выхлопных патрубков турбин. При возникновении отрыва потока в кольцевом диффузоре выхлопного патрубка турбины происходит увеличение окружной неравномерности параметров непосредственно за последней ступенью. В паровых турбинах, для которых характерен несимметричный односторонний подвод пара в конденсатор, указанная неравномерность проявляется более сильно. Разница гидравлических сопротивлений на пути пара из верхней и нижней половин усиливается вследствие отрыва потока на участках поворота и, возникающая неравномерность распределения параметров отрицательно влияет на работу как последней ступени, так и выхлопного патрубка.
Применение диффузора во впускном патрубке перед компрессором позволяет повысить давление рабочего тела перед первой ступенью и снизить необходимую степень сжатия, однако, требует решения проблема стабилизации течения, т.е. полного исключения возможности отрыва потока.
Существующие методы предотвращения отрыва в конструкциях турбомашин не нашли широкого применения. Одной из причин являются технологические трудности, с другой стороны, эти методы не всегда оказываются эффективными и в настоящее время ведется непрерывное их усовершенствование. Борьба с отрывными течениями, как правило, сводится к снижению поло-
жительного градиента давления в канале, т.е. к уменьшению угла раскрытия и степени расширения. Уменьшение положительного градиента давления за счет уменьшения угла раскрытия в проточной части - увеличивает металлоемкость конструкции и не всегда возможно из-за габаритных ограничений. Несмотря на достигнутые успехи по снижению потерь в органах паровпус-ка выхлопных системах турбин, эти элементы конструкции тур-бомашины имеют значительные резервы для повышения их эффективности.
Задачей предлагаемой работы является решение некоторых вопросов, связанных с расчетом и увеличением зоны безотрывного течения в диффузорных каналах турбомашин.
Решение поставленной задачи начинается с краткого литературного обзора (глава I), где на основе имеющихся данных рассмотрена физическая картина возникновения отрыва пограничного слоя и показано, что методы повышения эффективности восстановления давления неэффективны в диапазоне углов раскрытия ~8'< сС< 20, т.е. в области перехода от безотрывного к отрывному режиму течения.
В главе 2 описаны экспериментальные установки и рассмотрены методики исследования и оценки эффективности диффузоров, как элементов реальной проточной части входных и выходных устройств турбины, особенностям исследования течения с отрывом потока, показана аналитическая связь потерь в диф-фузорном канале с его расходной характеристикой, описана методика оценки уровня шума, излучаемого потоком.
Результаты расчетно-теоретического анализа изложены в главе 3. Результаты, полученные с помощью различных интегральных методов расчета, сопоставляются с экспериментальными данными. На основе выбранного метода проведены расчеты пограничного слоя и сравниваются различные критерии
отрыва с точки зрения их применимости для оценки зоны безотрывного течения в диффузоре. Введено понятие "устойчивости" критерия отрыва потока, определяющее влияние изменения предельного значения критерия на расчетное положение сечения отрыва и проанализировано влияние геометрических параметров на аэродинамические характеристики диффузоров.
Экспериментальное подтверждение основных результатов расчета приведено в главе 4. Показаны необходимость учета обратного влияния пограничного слоя при расчете канала с положительным градиентом давления и резкое ухудшение расходной характеристики канала, связанное с ростом потерь в диффузорах при возникновении отрыва потока. Зафиксировано резкое увеличение низкочастотных составляющих звукового давления, излучаемых, потоком при переходе от безотрывного к отрывному режиму течения, а также заметное уменьшение этих составляющих при увеличении зоны безотрывного течения в канале.
Рассмотрены методы увеличения зоны безотрывного течения в канале, не требующие подвода энергии от внешнего источника.
Факторы, влияющие на эффективность диффузоров с безотрывным и отрывным характером течения
Увеличение степени турбулентности основного потока приводит к снижению неравномерности продольных профилей скорости, пристеночной т.к. улучшается энергообмен междуУїїоной и ядром. Весьма существенное влияние степени турбулентности зафиксировано в работе / 5"/ для диффузора с углом раскрытия оС = 30. Здесь под влиянием увеличенной турбулентности происходит уменьшение потерь с выходной скоростью, что с избытком компенсирует некоторый рост внутренних потерь (рис.1.II).
Для диффузоров с малыми углами раскрытия увеличение турбулентности на входном участке ведет к увеличению внутренних потерь и уменьшению восстановительной способности диффузора /2 Z8/ (рис.1.12). По мере увеличения угла раскрытия диффузора начинает проявляться положительное влияние степени турбулентности. Если под действием возрастающего вдоль потока давления степень наполнения профиля скорости падает, то с увеличением степени турбулентности этот процесс замедляется, и отрыв потока от стенки либо не происходит совсем, либо смещается вниз по потоку. В результате, несмотря на рост внутренних потерь, коэффициент полных потерь в предотрывных и отрывных диффузорах снижается. Степень этого снижения зависит от глубины тех изменений, которые происходят под действием рассматриваемого фактора в потоке.
Закрутка потока на входе в диффузорный канал, расположенный в проточной части турбины, является весьма распространенньм явлением и возникает вследствие отклонения от осевого направления скорости выхода из рабочего колеса. Возникающие в закрученном потоке центробежные силы прижимают поток к внешним обводам канала, вызывают вторичные течения, приводят к некоторому увеличению площади обтекаемой поверхности. Эти факторы оказывают различное влияние на потери.
При безотрывном режиме течения потери в диффузорном канале растут при появлении закрутки потока. Это хорошо видно на рис.І.13. Для диффузоров с отрывным характером течения превалирует положительное влияние центробежной силы, прижимающей поток к поверхности наружнего обвода и увеличивающей зону безотрывного течения. На кривой изменения 7? диффузора появляется максимум, т.е. проявляется оптимальное значение величины закрутки потока Ь , причем, чем больше угол раскрытия, тем больше Ь . Авторы /29/ пришли к выводу, что оптимальный угол закрутки А приблизительно равен углу раскрытия диффузора. Однако, эти данные противоречат некоторым работам, в частности, /30/, где оптимальные значения углов р выше, чем значение угла раскрытия диффузора. Положительное влияние закрутки потока на восстановление давления диффузора с отрывным режимом течения объясняется увеличением зоны безотрывного течения /i, 20,3 32 /, На рис.I.14 показаны результаты изменения коэффициента 5 = = (Рг Рі) 9 1 /2 ( 2, f статические давления в входном и выходном сечениях; Ц - скорость в входном сечении) с увеличением угла закрутки. Монотонное возрастание f" объясняется тем, что авторы не достигли оптимального значения угла закрутки fi . Сравнение линий "Т -const для диффузора с закруткой и без закрутки позволяет сделать вывод об уменьшении необходимых размеров диффузорного канала с закруткой потока на входе, т.е. заданное восстановление давления может быть достигнуто при меньшей относительной длине диффузора (рис.1.15).
Положительное влияние закрутки потока наблюдается для каналов cd 30. Применение закрутки в диффузорах с о 30 не дало положительного результата.
Для осерадиального, кольцевого диффузоров / ЗО, Зі, 33 / влияние закрутки аналогично. Однако, центробежная сила, улучшающая характеристики течения у внешнего обвода, ухудшает их у внутреннего. Этим объясняется заметное снижение потерь при j6 20 и более заметен их рост при6 20 (рис.1.16).
Описание конструкции воздушного экспериментального стенда и характеристика испытанных моделей
Испытания проводились на аэродинамической трубе открытого типа, работающей в режиме нагнетания. Схема установки приведена на рис.2.I. Воздуходувка ТВ-4.2-1,4 подает воздух по трубопроводу в успокоительный ресивер диаметром / 550 мм, на фланце которого крепится испытываемая рабочая часть модели. Внутри ресивера закреплены два ряда сеток для выравнивания параметров потока в выходном сечении. Расход и давление рабочего тела регулируется вентилем В-2 перед установкой и вентилем B-I на байпасном трубопроводе. Выхлоп из рабочей части осуществлялся в помещение лаборатории.
На фланце ресивера крепится координатник, перемещающий зонд вдоль наклонной стенки, и по оси диффузора, что дает возможность снимать поля скоростей в любом сечении по длине диффузора.
Конструктивная схема плоского диффузорного канала приведена на рис.2.2. Плавный вход в исследуемый диффузор образован двумя цилиндрическими поверхностями, переходящими в плоские направляющие стенки, которые могут поворачиваться вокруг осей цилиндров и изменять степень расширения диффузора при практически идентичных входных условиях. Площадь узкого сечения во всем диапазоне изменения угла раскрытия остается постоянной. Вход в диффузор гладкий,без выступов и зазоров между цилиндрической поверхностью и пластиной. По боковым сторонам пла тины сделаны продольные пазы для резиновых прокладок, которые обеспечивают ее плотное прилегание к плоским прозрачным щекам, стянутыми винтами.
Для измерения профиля скорости по длине диффузора применялась пластина со сквозным пазом в среднем сечении. На рис. 2.3 приведен график, из которого следует, что паз, выполненный в стенке диффузора без уплотнения сильно искажает распределение скорости вдоль диффузора, ухудшает восстановление давления. Однако паз, с внутренней стороны уплотненный поролоном, практически не влияет на характер течения у исследуемой стенки диффузора. При исследовании роли входных возмущений перед диффузором устанавливался плоский клапан и клапанные коробки. Чашку клапана моделировал цилиндр, который соединялся тягами с микрометрическим винтом, изменявшим высоту подъема до /1 2jPr , где Лр - гидравлический диаметр горла диффузора. Условия входа также изменялись при установке различных клапанных коробок, основные геометрические размеры которых приведены в таблице. Клапанные коробки имели центральный или боковой подвод рабочего тела.
В процессе проведения эксперимента степень расширения диффузора определялась изменением расстояния между направляющими стенками с точностью Д = 0,05 мм. По поверхности направляющих пластин были сделаны дренажи с шагом 10 мм. Дренажи были размещены и по окружности на фланце ресивера перед диффузором, а также в горле канала. Давление полного торможения измерялось в ресивере, в клапанной коробке и в горле диффузора. Затенение зондом полного напора входного сечения диффузора составляло меньше 1%. пластин, а также чертеж пластины для исследования выравнивающего действия плоских камер. Пластина с щелевым выходом системы вдува воздуха в направлении течения рабочего тела приведена в разделе Ц. 3 .
Конструкция модели позволяла изменять входные условия в диффузоре установкой профилированных стоек, сеток, заменой чашки клапана, изменением положения чашки относительно горла.
На воздушном стенде с рассматриваемой моделью проводились следующие эксперименты: 1. Испытание диффузора с равномерным полем скоростей. 2. Испытание диффузора с различными предвключенными клапанными коробками. 3. Испытание плоской модели клапана при различных геометрических размерах клапанной коробки и отводящего диффузора. 4. Исследовалась эффективность применения методов управления пограничным слоем в плоском диффузоре.
Модель течения, основные допущения
Погрешности при обработке экспериментальных данных были сведены к минимуму использованием общепринятой методики определения энергетических характеристик диффузорных каналов, а также применением микрокалькулятора БЗ-2І с составлением программ обработки экспериментальных данных.
Определим величину случайной погрешности для измерений дав ления в соответствии с F0GT 8»207-76. Принимаем нормальный за кон изменения случайных величин и уровень доверительной веро ятности Р в 0,95, Среднеквадратичное отклонение оцениваем по формуле / іІІРі-Р) где п-Ь - результат наблюдения, Р-г Pi - среднеарифмети а is/ ческое результатов наблюдения, /I - число наблюдений. В эксперименте выполнялось 8-12 наблюдений из-за ограниченного времени проведения эксперимента.
Границы доверительного интервала равны: где І - коэффициент Стьюдента в зависимости от доверительной вероятности Р и числа наблюдений /i.
Границу неисключенной систематической погрешности оцениваем по соотношению t Д Р р , где А Р - погрешность измерения давления, Р - значение измеряемого давления. Для водяного дифференциального манометра д Р « 20 Па. В соответствии с ГОСТ 8.207-76, так как выполняется условие $ 0,8 5у/3у, пренебрегаем неисключенной систематической погрешностью и принимаем, что граница погрешности результата Д » . Обрабатывая по приведенной методике значения избыточного давления Р0 для десяти наблюдений, получаем р в 167,12 Па, S(p} 0,183, t « 2,262, Л = в 0,456. В соответствии с ГОСТ 8,011-72 результат представим в виде; 167,12 Па і 0,456; Р = 0,95. - 80 Оценим погрешность результата косвенных измерений коэффициента полных потерь в диффузоре для течения несжимаемой жидкости ( /j 0,35), Рої-Рг Ріг Рої - Р{ Р і где Ру , Ри - разности давлений, измеренные дифференциальными водяными манометрами. Среднеквадратичное отклонение относительной погрешности результата косвенного измерения оцениваем по соотношению: /— І Граница погрешности результата косвенного измерения р определяется по соотношению а = s((f„)t.
Проведенные расчеты показали, что в рассматриваемом диапазоне скоростей погрешность результата измерения коэффициента Й не превышает 1% с доверительной вероятностью Р - 0,95. Так для диффузора с /] = 2,56и/ 0,318 можно записать значение "G в виде 0,275 І 0,0027; Р « 0,95.
Достаточно малая величина погрешности объясняется отработкой измерительной схемы и методики эксперимента, которая также проводилась и авторами работ /22,56/. По оценкам раб#ты /22/ погрешность измерения для данной системы измерений в диапазоне скоростей J 0,85 также не превышает 1%.
Измерения характеристик прямого звукового поля, излучаемого при течении в диффузоре, проводилось на воздушном экспериментальном стенде, описанном выше, точным импульсным шумо-мером фирмы RFT PST 202 с октавными фильтрами OF - 101. Основные технические данные прибора: частотный дипазон 20 20 000 Гц частотные кривые ...... А,В,С динамический диапазон по кривой А ........... 24 140 дБ среднегеометрические частоты октавных фильтров в Гц
Влияние внешних воздействий на характеристики потока при отрывном режиме течения в канале
Расчетное и экспериментальное исследование течения в диффузоре показали, что максимальное значение градиента давления в диффузоре с тонким пограничным слоем на входе ( 5 = 0,001) наблюдается вблизи входного участка.
В. зоне максимального градиента давления происходит и максимальная деформация эпюры скорости пограничного слоя (рис.4.7), причем основные изменения наблюдаеются вблизи стенки при 0,1 у «с 0,5. В области (у 0,6 профиль резко отличается от канонического закона изменения скорости в турбулентном погра-ничном слое U У" .в зоне 0,1 гУ 0,4 фиксировались mm заметные колебания скорости &U ZOfo. Значение коэффициента О 0, т.к. с/и/а О. В таком состоянии эпюра скоростей сохраняется на протяжении " 15 мм, а затем вследствие уменьшения продольного градиента скорости потока,становится более наполненной (кривая 4, см.рис.4.7).
Таким образом, основная деформация профиля скорости происходит на начальном участке. Следует отметить, что поток отрывался от стенки, противоположной той, на которой сняты представленные на рис.4.7 эпюры скоростей и их распределение. Полученные результаты позволяют рассматривать начальный участок канала, как место эффективного внешнего воздействия на поток с целью увеличения зоны безотрывного течения.
Визуализация картины течения при ft, - 3,5, полученная с помощью нанесения масляной пленки на стенки канала, показало существенную неравномерность параметров по боковым щекам канала. На рис.4.8а хорошо видна развитая отрывная зона с вихревым характером течения. Однако, фотография противоположной стороны дает равномерное безотрывное течение с развитым погра ничным слоем. Таким образом,отрывная зона несимметрична, хотя формируется она в симметричном канале. Визуализация течения вдоль обтекаемой пластины с помощью "метелки" дает положение точки отрыва в среднем сечении плоской пластины Х= 0,3 0,4. У другой пластины течение безотрывное. Результаты визуализации, распределение скорости по обводам и поле скоростей в выходном сечении (см.рис.4.1 и 4.5) свидетельствуют о сложном пространственном характере течения, в котором осуществляется взаимодействие основного потока, отрывной зоны и вторичных течений. Такой сложный, асимметричный характер течения с отрывом потока от стенок имеет место в плоском диффузоре с симметричными входными условиями.
Любое возмущение потока в зоне безотрывного течения для диффузора с отрывным или предотрывным состоянием потока (степень расширения /I 2,5) может привести к резкому изменению всех характеристик течения. Для внесения в предотрывную зону локального возмущения в боковой стенке было выполнено сквозное отверстие j 5 мм, сообщающее проточную часть канала с атмосфе расстоянии рой. Отверстие располагалось на б мм от горла канала по направлению течения жидкости. Поперечные размеры канала в этом сечении для степени расширения /7 = 3,5 составляли 25х4;7мм.
Введение в поток через отверстие зонда полного торможения в виде цилиндрической трубки I мм привело к некоторому уменьшению шума в области высоких частот, хотя практически не изменило характеристики канала (рис.4.II, кривые 3 и 2).
Была предпринята попытка улучшить характеристики канала с помощью местного поджатия потока, которое осуществлялось с помощью цилиндра 5 мм, закрепленного в отверстии. Таким образом, цилиндр находился на границе безотрывного течениями при обтекании цилиндра поток ускорялся и получал составляющую скорости, направленную к стенке. Однако, картина течения резко ухудшилась из-за крупномасштабной вихревой структуры, образующейся за обтекаемым цилиндром, (рис.4.9). Причина ухудшения -местное расширение канале, возникающее в донной части обтекаемого цилиндра, и вихревой след за цилиндром.
Характер течения принципиально меняется в случае открытого бокового отверстия. В этом случае, согласно фотографиям на рис. 4.10а и визуализации с помощью "метелки" отрыв смещается по потоку, а за отверстием образуется двухвихревая структура с устойчивой зоной разрежения (на рис.4.10а место скопления красителя).
Струя, вдуваемая перпендикулярно основному потоку находится под действием сил .давления, которые вызывают ее изгиб и обусловливают формирование двухвихревой структуры. На расстоянии у = 0,25 « ( у - координата по направлении вдува, d - диаметр отверстия) скорость в передней половине струи снижается более, чем на 30% относительно средней скорости вдува, а течение в задней части ускоряется, причем происходит некоторое расширение струи для пропуска дополнительного количества вдуваемой жидкости и одновременный поворот в сторону течения основного потока в диффузоре /100 /. Наличие более низкого давления по сравнению с передней частью струи подтверждается возвратным характером течения на этом участке канала. Местное ускорение потока у заднего края инжекционнои струи создает зону разрежения, в которой скапливается краситель (черные каплеобразные структуры на рис. 4.10а).
