Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий обзор литературных данных по предмету проводимых исследований 15
1.1 Диффузоры в системе отвода рабочих сред из паровых и газовых турбин, как естественный способ увеличения их экономичности и мощности 15
1.2 Влияние режимных параметров на характеристики диффузоров...22
1.3 Влияние геометрических параметров на характеристики диффузоров 31
1.4 Влияние начальной неравномерности поля скоростей на входе в диффузор 44
1.5 Возможные пути повышения эффективности диффузоров и возможные способы снижения динамических нагрузок на их стенки..55
1.6 Влияние геометрических параметров плоских диффузоров на величину динамических нагрузок, действующих на их стенки, и пути снижения этих нагрузок 67
Глава 2. Описание экспериментального стенда, методика и погрешность испытаний 84
2.1. Описание экспериментального стенда 84
2.2 Описание объектов и модели исследования, системы измерений 88
2.3 Методика экспериментальной оценки аэродинамических характеристик диффузорных 96
2.4 Оценка погрешности измерений 101
Глава 3. Исследование влияния характера течения в кольцевых диффузорах на их аэродинамические и вибрационные характеристики ... 108
3.1 Влияние геометрических параметров на аэродинамические и виб
рационные характеристики диффузорных кольцевых каналов 108
3.2 Влияние угла закрутки потока на аэродинамические и вибрационные характеристики диффузорных кольцевых каналов 116
3.3 Влияние радиальной неравномерности потока на входе на аэродинамические и вибрационные характеристики диффузорных кольцевых каналов 127
Выводы по третьей главе 134
4. Пути снижения динамических нагрузок на стенки кольцевых диффузоров 135
4.1 Исследования вибрационного состояния кольцевых диффузоров с продольным оребрением 136
4.1.1 Влияние формы оребрения на аэродинамические и вибрационные характеристики диффузоров при начальной закрутке потока на входе 141
4.1.2 Влияние формы оребрения на аэродинамические и вибрационные характеристики диффузоров при радиальной неравномерности потока на входе 166
4.2 Исследования кольцевых диффузоров с перфорированным экраном 171
4.2.1 Аэродинамические и вибрационные характеристики диффузоров с перфорированным экраном при равномерном поле скоростей на входе 171
4.2.2 Влияние закрутки потока на аэродинамические и вибрационные характеристики кольцевых диффузоров с перфорированным экраном 175
4.2.3 Влияние радиальной периферийной струи на аэродинамические и вибрационные характеристики кольцевых диффузоров с перфорированным экраном 184
Выводы по четвертой главе 187
5. Численное исследование течения в диффузорных каналах 189
5.1 Моделирование течения в диффузорах 189
5.2 Результаты моделирования картин течения в проточных частях кольцевых диффузоров 198
5.3 Влияние входной закрутки потока на течение в проточной части исследуемых широкоугольных диффузоров 201
5.4 Влияние радиальной неравномерности потока на течение в проточной части исследуемых широкоугольных диффузоров 210
Выводы по пятой главе 217
6. Практическое применение оребренных диффузоров и диффузоров с при стеночными перфорированными экранами 219
6.1 Кольцевые диффузоры газовых турбин 219
6.1.1 Концепция создания высокоэкономичных диффузоров газовых турбин с низким уровнем вибрации 225
6.1.2 Пример нового кольцевого диффузора газовой турбины 229
6.2. Применение кольцевых диффузоров в выхлопных патрубках паровых турбин 238
6.3 Использование широкоугольных диффузоров в защитной и регулирующей энергетической арматуре 242
Заключение 245
Список использованной литературы
- Влияние геометрических параметров на характеристики диффузоров
- Методика экспериментальной оценки аэродинамических характеристик диффузорных
- Влияние угла закрутки потока на аэродинамические и вибрационные характеристики диффузорных кольцевых каналов
- Исследования кольцевых диффузоров с перфорированным экраном
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение показателей эффективности и надежности энергетического оборудования является актуальной задачей не только при создании нового оборудования, но и при его модернизации.
Однако, например, повышение КПД паровых и газовых турбин представляет исключительно сложную задачу, традиционные пути повышения экономичности и надежности указанных турбин практически себя исчерпали, т.к. КПД их проточных частей вплотную приблизился к теоретически возможным величинам.
В этой связи наиболее перспективными, с точки зрения повышения внутреннего относительного КПД турбины, являются работы, связанные со снижением безвозвратных потерь кинетической энергии потока рабочих тел, покидающих последние ступени паровых и газовых турбин.
Все турбостроительные фирмы мира проблеме снижения указанных потерь энергии уделяют особое внимание, пытаясь использовать кинетическую энергию уходящего потока для создания за последней ступенью пониженного давления за счет установки последующего геометрического диффузора.
При этом, однако, возникают серьезные проблемы с обеспечением вибрационной надежности диффузоров, обусловленные очень большими амплитудами пульсаций давления в их проточных частях. В результате приходится существенно ограничивать значения углов раскрытия их проточных частей, что при сохранении разумной длины диффузора, приводит к существенному снижению экономичности всей установки.
Для гашения вибраций кольцевых диффузоров в газотурбинных установках используются в основном пассивные методы, состоящие в установке дополнительных опор, использовании внешних гидравлических демпферов и некоторых других мер. То есть, в основу решения вибрационной надежности диффузоров положена борьба со следствием, а не с причиной возникновения вибрации, которая прямо связана с характером движения рабочих сред непосредственно у обтекаемых стенок диффузора.
Отмеченные обстоятельства определяют актуальность решений, призванных стабилизировать течение в широкоугольных кольцевых диффузорах (угол раскры-3
тия внешней образующей 15 и более) выхлопных патрубков и за счет увеличения степени расширения без увеличения осевой длины снизить потери энергии и уровень вибрации рассматриваемых устройств.
Объекты исследования. Объектами исследования являются: кольцевые диффузоры с прямолинейными образующими и следующими углами раскрытия и степенями расширения: Таблица 1. Геометрические характеристики рассматриваемых диффузоров
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка и изучение влияния систем стабилизации течения в условиях неравномерных входных полях скоростей рабочей среды на вибрационное состояние и экономичность широкоугольных кольцевых диффузоров. Для достижения поставленной задачи необходимо:
провести анализ влияния характера течения в кольцевых диффузорах на вибрационные и аэродинамические характеристики в условиях неравномерных начальных полей скоростей, свойственных течениям за турбинной ступенью;
разработать аэродинамические способы снижения (внутреннее оребрение, перфорированные экраны) уровня вибрации в кольцевых диффузорах без заметного снижения степени восстановления энергии;
провести сравнительные исследования эффективности использования оребрения и перфорированного экрана в условиях закрученного и радиально неравномерного полей скоростей;
разработать возможность использования полученных решений для повышения эффективности и надежности диффузоров в газовых турбинах.
Методы исследований и достоверность полученных результатов.
При выполнении работы широко использовались общепризнанные методы
проведения физических экспериментов, численные исследования выполнялись с
использованием лицензированного инженерного пакета Ansys CFX .
Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современной измерительной техникой, повторяемостью опытных данных, апробированными методиками обработки опытных данных и хорошим совпадением результатов модельных и численных исследований. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
проведены комплексные экспериментально- расчетных исследования серии кольцевых диффузоров по определению влияния особенностей течения в этих каналах при начальных неравномерных полях скоростей потока на аэродинамические характеристики диффузоров и показатели вибрации их стенок;
доказано, что дозвуковая периферийная высокоскоростная струя на входе в кольцевые диффузоры с прямолинейными образующими не мешает расширению рабочего тела в направлении раскрытия стенок диффузора;
разработана и оптимизирована система внутреннего продольного оребрения обтекаемых поверхностей кольцевых диффузоров, позволяющая снизить уровень вибрации на стенках диффузоров без роста потерь энергии;
показано, что введение внутреннего оребрения обводов диффузора не приводит в условиях неравномерного потока рабочей среды (начальная закрутка, радиальная неравномерность) к общему росту потерь энергии в диффузоре;
- экспериментально показана возможность использования перфорированных
экранов в любых геометрических диффузорах для снижения величины пульсаций
потока вблизи защищаемой стенки без существенного роста потерь в диффузоре.
Практическая ценность работы. Полученные результаты позволяют использовать
в системах выхлопных патрубков паровых и газовых турбин широкоугольные
диффузоры (с углом раскрытия 1520 и степенью расширения 4) с высоким
аэродинамическим совершенством и низким уровнем вибрации стенок канала.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты переданы филиалу ОАО
«Интер РАО» «Ивановские ПГУ» для модернизации существующих блоков паро
газовых установок.
Личный вклад автора. Участие автора выразилось в: - проведении обзора литературы и анализе опубликованных данных;
проектирование и изготовление экспериментального стенда, моделей кольцевых диффузоров;
проведении экспериментальных исследований на серии кольцевых диффузоров;
разработке и исследовании кольцевых диффузоров с новыми методами снижения вибрации их стенок;
проведении численного моделирования течений в кольцевых диффузорах с гладкими стенками и с системами продольного оребрения;
проведении анализа полученных экспериментальных и расчетных данных;
проектировании новых кольцевых диффузоров для газовых турбин. Апробация работы. Основные результаты обсуждались и докладывались на:
XVI Международной научно-техической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения). – Иваново: ИГЭУ, 2011 г.;
VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чте-ния».– Казань: КГЭУ, 26 апреля 2012 г.;
Второй Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности электрических станций и энергетических систем-ЭНЕРГО-2012» . – М.: МЭИ (ТУ), 4-6 июня 2012 г.;
19-й Международной науч.-практ. конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» . – М.: МЭИ (ТУ), март, 2013 г.;
10-й Европейской конференции «10th European conference on Turbomachinery fluid dynamics and thermodynamics».– Финляндия: Лаппеэнранта, 16 апреля, 2013г.;
7-м Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах». – Санкт-Петербург: СПбГПУ, 17 октября 2013 г.;
12-ой международной научно-технической конференции “Power System Engineering Thermodynamics & Fluid Flow”. – Чехия: Пльзень, 18 июня 2013 г.;
- Газодинамическом семинаре кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. –
Москва: МЭИ, июнь, 2013 г.;
- Общественном обсуждении работы «Инновационные методы повышения мощ
ности, надежности и экономичности газотурбинных установок и паротурбинных
блоков АЭС», выдвинутой на соискание премии правительства РФ в области науки и техники для молодых ученых за 2013 г. – М.: ОАО ВТИ, октябрь, 2013;
Заседании кафедры Паровых и газовых турбин. – М.: МЭИ 25 февраля, 2014 г.
Заседании кафедры Турбины, гидромашины и авиационные двигатели. – СПб.: СПбГПУ, 4 марта, 2014 г.
Публикации. По результатам работы опубликованы 10 научных работ, в том числе 3 публикации в изданиях из перечня рекомендуемого ВАК, 2 статьи в зарубежных изданиях. Автор защищает:
результаты исследования воздействия начально неравномерного поля скоростей (закрутка, радиальная неравномерность) потока на вибрационное состояние кольцевых диффузоров с прямолинейными образующими;
результаты исследования влияния систем внутреннего продольного оребрения на вибрационное состояние диффузоров с оценкой аэродинамического совершенства, так же и в условиях неравномерных потоков рабочей среды.
методику оценки изменения высоты ребер по длине диффузора с целью предотвращения отрыва потока в диффузорном канале.
- результаты исследования эффективности системы пристеночного перфорированного экранирования стенки диффузора от пульсирующего потока рабочей среды при сохранении на высоком уровне диффузорной способности канала. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения по работе, списка используемой литературы, включающей 132 наименований. Работа изложена на 258 страницах машинописного текста, иллюстрируется 127 рисунками на 89 страницах, содержит список литературы, изложенный на 13 страницах, и содержит 4 таблицы.
Влияние геометрических параметров на характеристики диффузоров
Безразмерные скорости М1 или \ характеризуют влияние сжимаемости на процесс развития течения в диффузорном канале. Если рассматривать зависимости коэффициентов потерь Сп и С от указанных величин, то согласно формуле (1.3) эта зависимость проявляется в изменении отношения плотностей pjp2 и интегральных относительных площадей вытеснения Д2 и потери энергии Л 2 . Влияние числа 1 на них оказывается в основном косвенным образом, так как при увеличении чисел М1 существенно меняется продольный градиент скорости. Для примера на рисунке 1.3 показано распределение скоростей М=f(х)в коническом диффузоре с углом раскрытия 10 при М}=0,3 и м&0,56, полученных на основе дренажных измерений давлений вдоль его стенки в работе [25].
Основной особенностью приведенного распределения является резкое увеличение продольных градиентов скоростей и давлений вблизи входного сечения, причем с увеличением числа М1 нарастает не только аэродинамическая диффузорность в расширяющейся части канала, но растет и конфузор-ность в его суживающейся части.
Отметим, что в данном случае речь идет не о средних градиентах скорости, определяемых проходными сечениями канала, а о локальных величинах вблизи стенки. В осесимметричных каналах скорости за пределами пограничного слоя в поперечном сечении (в ядре потока) не меняются. Однако в области большой кривизны локальные скорости около стенки могут заметно превышать скорости в центре потока.
При сопряжении конфузорного или цилиндрического участка с диффузором в минимальном сечении канала неизбежно реализуется именно такая ситуация. Более того, часто в результате указанного сопряжения возникает их излом (угловая точка в меридиональном сечении).
В окрестности угловой точки согласно теории идеальной жидкости скорость терпит разрыв непрерывности. Вязкость потока сглаживает этот разрыв, если угловой излом небольшой и жидкость несжимаемая. В противном случае происходит нарушение картины течения, и возникает отрыв, ликвидирующий «избыточные» градиенты скорости в окрестности минимального сечения.
При анализе влияния сжимаемости на аэродинамические коэффициенты диффузоров необходимо в первую очередь иметь в виду возможные структурные изменения, происходящие вблизи входного сечения с ростом безразмерных скоростей.
Как уже отмечалось, с увеличением числа M1 происходит обострение локальных продольных градиентов давления именно в области минимального сечения, и существует вполне определенный предел этого обострения, после которого возникает отрыв потока. Непосредственно во входном сечении и далее в канале имеет место струйное течение. Следовательно, с ростом скоростей в диффузорах можно ожидать кризисного увеличения полных потерь и падения их эффективности. Именно такое явление часто фиксируется на практике. Типичная зависимость коэффициентов полных потерь от числа 1 при фиксированных числах Рейнольдса приведена на рисунке 1.4 ([25]).
Вначале рост скорости 1 приводит к заметному снижению потерь, а затем имеет место их резкое (кризисное) увеличение. Область кризисных чисел 1 при фиксированном угле существенно зависит от числа Рейнольдса. Чем выше величина Re, тем дальше по числу 1 отодвигается зона кризисного увеличения потерь. Связь отмеченного явления с числом Рейнольдса указывает, что при больших скоростях происходят серьезные структурные изменения в пределах пограничного слоя, причем область этих изменений рас 28 полагается там, где происходит наибольшее изменение продольного градиента скорости, т.е. в области входного сечения.
Экспериментальные исследования полностью подтверждают сказанное. На рисунке 1.5 приведены профили скорости в пределах пограничного слоя, снятые в непосредственной близости от входного сечения диффузора при различных значениях безразмерной скорости Л1.
Вначале увеличение скорости А1 приводит к очевидной деформации исходного профиля скорости, увеличивая его полноту. Однако, в дальнейшем, степень полноты профиля скорости резко уменьшается, несмотря на продолжающийся рост локальной конфузорности на входной части рассмат л А У 1 риваемого канала. Полученная зависимость А1 = f характерна для ламинарного профиля скорости.
Таким образом, с приближением к скорости звука в турбулентном пограничном слое входного участка диффузора происходит так называемая ла-минаризация потока. В ее основе лежит резкое увеличение локальной конфузорности с приближением рабочей среды к входному сечению диффузора, что и подавляет механизм турбулентного переноса жидкости в поперечном направлении. В результате происходит отмеченное снижение полноты профиля скорости в пристеночной области течения.
Механизм «обратного перехода» наиболее ярко проявляется при значительном отклонении локальных градиентов скорости от их среднего значения. Максимальное отклонение этих величин, как уже отмечалось, имеет место в области угловых точек. На рисунке 1.6 показана связь местной скорости Аmax на внешней границе пограничного слоя в области угловой точки со среднерасходной скоростью А [25]. Видно, что уже при средних скоростях порядка А « 0,8 локальные максимальные скорости могут достичь звуковых и сверхзвуковых значений.
Методика экспериментальной оценки аэродинамических характеристик диффузорных
Сравнивая эти два возможные случая, можно сделать вывод, что отрыв от внутренней поверхности сказывается менее неблагоприятно на аэродинамические характеристики диффузора в силу того, что большая массовая доля потока всё же проходит вблизи внешней поверхности канала.
Не менее интересны результаты, полученные в работе [70]. Автором исследовано течение в коническом диффузоре при равномерном, выпуклом и вогнутом профилях скоростей. Результаты работы могут быть полезны (с некоторой оговоркой) для понимания течения в кольцевом диффузоре. Профили скоростей представлены на рисунке 1.17. Из всех рассмотренных профилей скоростей, наибольший интерес представляет профиль вогнутый в центре, т.к. происходит своего рода имитация поля скоростей за ступенью турбины имеющей периферийные протечки. Как отмечается в работе, при таком профиле скоростей вероятность отрыва потока от стенок диффузорного канала существенно снижается. Однако при большой входной неравномерности наблюдается увеличение потерь на трение, это обстоятельство объясняется большим поперечным градиентом скоростей вдоль всего диффузора и как следствие к большим турбулентным напряжениям в потоке. Для безотрывных диффузоров и вогнутый и выпуклый профили скоростей ведут к увеличению потерь. Для широкоугольных диффузоров, течение в которых при равномерном профиле скоростей происходит с отрывом потока от стенок, вогнутый профиль позволяет снизить потери примерно на 4%.
Влияние закрутки входного потока на течение в кольцевом диффузоре. Как уже отмечалось выше, при испытаниях модельных диффузоров выхлопных патрубков необходимо учитывать пространственный характер течения. В расчетном режиме большинство последних ступеней работают с углом выхода абсолютной скорости близком к 900. При нерасчетных режимах работы появляется значительная окружная составляющая с2u .
Все авторы единодушны в том, что незначительная закрутка потока на входе в диффузорный кольцевой патрубок ведет к некоторому уменьшению потерь в диффузоре, либо существенно не влияет на них. Особенно большой выигрыш в случае с закруткой потока получается на диффузорах имевших отрыв потока при входящей закрутки. В работе [25] представлены некоторые обобщенные результаты исследований (рисунок 1.18).
Наиболее подробное объяснение эффекта уменьшения потерь от закрутки дано в работе [50]:«Положительное в целом влияние закрутки потока на экономичность диффузоров связано с тем, что развитие течения в зоне положительных градиентов давления происходит в поле центробежных сил, препятствующих возникновению отрыва потока от наружной стенки диффузора,-» и о негативном влиянии,-«… у кольцевых диффузоров одновременно со стабилизацией течения на внешней поверхности происходит ухудшение течения на внутренней поверхности».
Например, в работе [50] автором были проведены исследования диффузоров переходных каналов газовых турбин, оказалось, что отрыв потока от внутренней стенки в диффузоре с n=1,6 наблюдается при закрутке потока на входе =300, при n=1,9- =250, n=2,2- =200.
Исследования А. А. Макдональда, Р. Б. Фокса [65] показали, что при безотрывном осевом течении или наличии незначительных областей отрыва закрутка потока практически не изменяет характеристик конического диффузора, а в некоторых случаях приводит к незначительному их ухудшению. При наличии больших отрывных областей закрутка потока способствует улучшению характеристик диффузора. ,град -10 0 10 20 40 50 60 Рисунок 1.18. Изменение коэффициента полных потерь в зависимости от угла закрутки потока в различных диффузорах: 1-конический диффузор (=250), 2-осерадиальный диффузор [18], 3- осерадиальный диффузор [2], 4- опыты МЭИ. Рисунок 1.19. Изменение коэффициента восстановления давления в зависимости от угла наклона наружной стенки и угла закрутки потока на входе Y. Senoo, N. Kawaguchi, Т. Kojima, М.Nishi [90] провели испытания в закрученном потоке трех осекольцевых диффузоров с одной степенью расширения q=4,7 и несколькими углами наклона наружной стенки. Авторы установили, что увеличение угла 1 требует более интенсивного вращения потока для предотвращения отрыва от наружной стенки. Для диффузоров с углами наклона наружной стенки 4, 6 и 8 оптимальными, с точки зрения улучшения восстановления давления, являются углы закрутки соответственно 10, 15 и 20 (рисунок 1.19).
Результаты работы Левина Е.М., Захарчука Г.И. [64] дают представление о картине течения в кольцевых диффузорах при закрученном потоке на входе. Была исследована серия кольцевых диффузоров на динамическом стенде, закрутка потока осуществлялась с помощью двухступенчатого вентилятора встречного вращения, изменение величины закруток потока достигалось изменением частоты вращения второго рабочего колеса. В частности представлены зависимости изменения полей скоростей вдоль радиусов на входе и выходе диффузора рисунок 1.20 а) и б). В качестве параметра характеризующего степень закрутки потока было выбрано соотношение сu/ca0, на входе в диффузор где са0- среднерасходная скорость.
Видно, что при одинаковом относительном входном поле скоростей, в зависимости от степени закрутки получаются, различные профиля скоростей на выходе. Максимумы скоростей при незначительной закрутке потока до сu/ca0=0,08 располагаются вблизи внутренней втулки, значительная закрутка ведет к поджатию потока к внешней стенке.
Влияние угла закрутки потока на аэродинамические и вибрационные характеристики диффузорных кольцевых каналов
На начальном этапе исследований аэродинамические и вибрационные характеристики указанных диффузоров определялись при отсутствии радиальной неравномерности и нулевой закрутке потока на входе, при фиксированной скорости (М2=0,29), с целью получения исходной базы для последующего анализа результатов проведенных исследований. Полученные при этом базовые значения коэффициентов полных потерь энергии оказались следующие.
Коэффициент полных потерь п для диффузоров со степенью расширения n=2 с углом раскрытия 1=7 оказался равным п=0,386, а для диффузора с углом 1=15 – п=0,3895. При увеличении степени расширения до n=4 для диффузора с углом 1=15 величина п снизилась до п=0,254.
Полученные нами коэффициенты полных потерь п практически полностью совпадают с теми значениями этих коэффициентов, которые приведены в [27].
Для наглядности на рисунке 3.1 приведена зависимость п=f(n,) из указанной работы и на эту зависимость нанесены наши опытные значения коэффициента полных потерь п.
Полученное совпадение свидетельствует о достоверности наших измерений всех величин необходимых для последующих оценок коэффициента п.
Примерное равенство коэффициентов полных давлений для диффузоров с углами 1 7 и 15 градусов при степени расширения n=2 подробно объяснено в [25]. С одной стороны, в диффузоре с углом 1=15 поток в меньшей степени взаимодействует со стенками канала ввиду малости длины, что ведет к уменьшению потерь на трение, с другой стороны в таком канале увеличивается доля потерь, связанных с интенсивной деформацией профилей скоростей в пределах пограничного слоя и увеличением его толщины. Для диффузорного канала с углом 1=70 имеет место обратная картина.
Для выяснения особенностей течения в сравниваемых диффузорах было произведено траверсирование выходного поля скоростей в двух перпендикулярных направлениях. Результаты этой серии опытов приведены на рисунке 3.2., где вдоль оси абсцисс отложен безразмерный радиус диффузора r/R (r - текущий радиус, R - радиус внешней образующей), а по оси ординат отложены безразмерные скорости c/cmax ( с - текущее значение скорости, а cmax - максимальное значение скорости для данного диффузора в выходном сечении).
Из приведенных графиков видно, что выходной профиль скорости для диффузора с углом 1=7 оказывается более наполненным во всем выходном сечении, в то время как диффузор с углом 1=15 имеет вблизи стенок существенно меньшие скорости. Соответственно, при одинаковом массовом расходе значение максимальной скорости в широкоугольном диффузоре (1=15) оказалось выше аналогичной скорости в диффузоре с углом 1=7.
При анализе выходного поля скоростей в осесимметричном широкоугольном диффузоре с большой степенью расширения (1=15, n=4) выяснилось, что в этом случае возникает ассиметричный отрыв потока, сильно искажающий выходное поле скоростей. При визуальном исследовании выходного поля скоростей с помощью нитей были обнаружены зоны с обратным течением рабочей среды (подсасывание из окружающей среды), и нм о какой-то симметрии расположения таких зон говорить не приходится.
Подобные зоны с обратным течением приводят к уменьшению эффективной площади диффузора, что ведет к увеличению потерь с выходной скоростью в.с. в сравнении с безотрывным течением. Как следствие возрастает коэффициент потерь с выходной скоростью в.с. и, соответственно, растет коэффициент полных потерь п.
Однако, отрыв потока при большой степени расширения канала (в данном случае n=4) происходит в сечении, где выходная эффективная площадь Fэф оказывается больше геометрической площади диффузора со степенью расширения n=2. В результате, хотя потери с выходной скоростью в отрывном диффузоре при степени расширения n=4 и увеличиваются относительно такого же безотрывного диффузора, но по сравнению с диффузором, имеющим меньшую степень расширения (n=2), они оказываются меньшими, так же меньшими оказываются и коэффициенты полных потерь.
Как и следовало ожидать, вибрационные характеристики рассматриваемого диффузора при наличии отрыва потока существенно ухудшились, что полностью совпадает с данными в [68]. Однако, в указанной работе сравниваются вибрационные характеристики диффузоров при одновременном изменении угла раскрытия и степени расширения канала, поскольку основной упор исследований был сделан на выявлении влияния особенностей течения во входном сечении диффузора на его общее вибрационное состояние.
Исследования кольцевых диффузоров с перфорированным экраном
Относительно небольшое снижение уровня виброускорений для диффузора с углом раскрытия 1 =7 и степенью расширения n=2 (рисунок 4.6.а) объясняется тем, что течение в сравниваемых диффузорах безотрывное с низким исходным уровнем пульсаций давления, и эффект от снижения вибрации можно отнести к увеличению жесткости конструкции оребренного диффузора.
Качественно такой же эффект был получен и на оребренном широкоугольном диффузоре с углом 1 =15 (кривые 5) при той же степени расширения n=2, что и семиградусный базовый диффузор. Хотя здесь эффект ореб-рения оказался заметно больше.
Как показывают спектрограммы изменения виброускорения (рисунок 4.6.1) на стенке рассматриваемого диффузорного канала (1 =15 n=4), введение в проточную часть системы продольного оребрения (рисунок 4.6.1.б) позволило снизить уровень виброускорения в рассматриваемых спектрах на 2030%. Причем наибольший уровень вибрации остался таким же, как и в случае с таким же гладкостенным диффузором (рисунок 4.6.1.а) - 2535 Гц.
Полученные результаты исследования безотрывных диффузоров достаточно очевидные, так как при отсутствии отрыва потока с обтекаемых поверхностей введение в проточную часть этих диффузоров системы развитых клиновидных ребер может привести только к увеличению потерь энергии и сокращению эффективной проходной площади. Однако, такое оребрение может быть полезно с точки зрения повышения динамической надежности кольцевых диффузоров в связи с резким увеличением их конструктивной жесткости.
Кроме того, весьма важным результатом проведенных исследований оказалось полученное экспериментальным путем доказательство возможности использования продольно оребренных диффузоров при наличии закрутки потока в их входных сечениях, т.к. добавочные потери, связанные с не осевым входом рабочей среды в их проточную часть, оказались достаточно малыми.
Рассмотрим далее, в какой степени рассматриваемый вариант клиновидного оребрения может изменить характеристики диффузора, в проточной части которого имеет место развитый нестационарный отрыв потока от обтекаемых стенок. В данном случае речь идет о диффузоре с углом раскрытия 1=15 и степенью расширения n=4.
На рисунке 4.7 представлена зависимость изменения коэффициента полных потерь для указанного диффузора с развитым клиновидным оребре-нием в условиях закрученного потока в его входном сечении (кривая 6). Для сравнения на том же рисунке представлены ранее полученные зависимости изменения коэффициентов п для такого же гладкого диффузора (кривая 3).
Как следует из приведенных кривых, и в этом случае влияние закрутки потока во входном сечении весьма мало влияет на коэффициент полных потерь энергии п. С ростом закрутки потока до =15 потери снизились всего на 3%. В тоже время в таком же неоребренном диффузоре потери снизились на 7% (кривая 3 на рис.4.7). При увеличении угла закрутки потока до =20 в оребренном диффузоре величина п увеличилась на 3%, а в гладком диффузоре только 1,5%.
Во всем исследованном диапазоне углов закрутки потока и при наличии в проточной диффузора отрыва потока рассматриваемое клиновидное оребрение привело к увеличению потерь по отношению к неоребренному диффузору на 914%.
При визуальном исследовании выходного поля скоростей оребренного диффузора почти в 1/3 секторах, образованных клиновидными ребрами, были обнаружены возвратные течения. Таким образом, первый вариант (рис. 4.1.а) клиновидного оребрения не обеспечивает безотрывного течения в рассматриваемом широкоугольном диффузоре. Соответственно, худшими оказались и вибрационные характеристики рассматриваемого диффузора.
Представленные на рисунке 4.8 результаты вибрационных исследований показывают, что по сравнению с базовым диффузором (1 =7 n=2) (кривая 1) при всех углах закрутки потока во входном сечении виброускорения увеличились в 2-2,5 раза (кривая 6 на рис. 4.8.а), причем минимальное увеличение виброускорения (в 2 раза) было зафиксировано при угле закрутки =15.
