CC BY
96
7. Kubota, T. Effect of Grid Size in CFD Code on Flow through Francis Turbine [TckctJ / T. Kubota, F. Han, T. Kuwayama, J. Masuda // Proceeding of the XX 1AHR Symposium on Hydraulic Machinery and Cavitation. — 2000.
8. Jianming, Y. Unsteady Turbulent flow analysis
through three-gorge draft tube by using LES [TckctJ / Y. Jianming, L. Wenjun, W. Yulin, M. Zuyan // Proceeding of the XX 1AHR Symposium on Hydraulic Machinery and Cavitation. — 2000.
9. Fluent 6.1 Documentation |TeKCT| / Fluent incorporated.
УДК 621.165-253.5:620.1 93.1
М.С. Зандер, В.А.Черников
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛОКА «СТУПЕНЬ — ВЫХОДНОЙ ДИФФУЗОР» СТАЦИОНАРНОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
Задача проектирования высокоэффективного диффузора для преобразования выходной кинетической энергии в получение работы в случае реальной энергетической газовой турбины осложняется из-за наличия в проточной части диффузора силовых стоек, которые являются составной частью задней подшипниковой опоры ротора турбины. Выходной диффузор газовой турбины —тот агрегат, в котором продолжается рабочий процесс течения газа, существенно влияющий на коэффициент полезного действия и мощность газотурбинной установки (ГТУ). Однако, в отличие от процесса расширения газа в лопаточных аппаратах последней ступени, в выходном диффузоре происходит процесс сжатия рабочей среды со всеми его особенностями, связанными главным образом с явлениями в неустойчивых пограничных слоях при положительном градиенте давления вдоль потока, т. е. с возможными отрывными явлениями и резким снижением восстановительной эффективности диффузора.
Сочетание «ступень — диффузор» открывает совершенно новые возможности для повышения качества машины не только за счет газодинамики диффузора и последней ступени в отдельности, но и всего блока в целом. Такой эксперимент позволяет реализовывать количественную оценку взаимного влияния рабочего процесса в проточной части ступени на газодинамические качества диффузора и наоборот. Предвключенная ступень — не только генератор реального, входящего в диффузор потока, т. е. определяет действительные граничные условия, но и одновременно
представляет собою индикатор по оценке повышения эффективности всего блока в целом, которое обеспечивается диффузором. Это качество модели «ступень — диффузор» открывает новые перспективы для поиска оптимальной конструкции блока с целью достижения наилучших его газодинамических свойств.
Объект исследования
Исследование проводилось для турбины ГТУ мощностью 182 МВт и с начальной температурой газа 1500 °С. Мощность собственно газовой турбины при этом составляет около 520 МВт. Последняя, четвертая ступень турбины выполнена с относительным диаметром рабочего колеса (РК) dicp/h = и с закрученными лопатками направляющего аппарата (НА) и рабочего колеса. Закрутка лопаточного аппарата в сечении 7—7, между НА и РК, определяется уравнением
c,„/f = const (1)
при неосевом выходе потока из РК. Профилирование лопаточного аппарата НА выполнено по закону «обратной закрутки» потока (я =0,608), при
которой угол а1эф уменьшается с увеличением
радиуса. Угол выхода потока из НА а1ср 5 26° на среднем диаметре dlcp сечения 7—7, а угол выхода а2ср 5 65° на среднем диаметре d2cp сечения
2—2 за РК при номинальном режиме. Термодинамическая степень реактивности на среднем диаметре при этом рТср = 0,49. Такой вид закрут-
ки последней ступени принят как типовой для всей этой серии стационарных ГТУ большой мощности. Поэтому результаты исследования имеют общий характер для турбин всего ряда мощностей этого типа ГТУ. Направляющие лопатки ступени спрофилированы для неосевого входящего потока, который поступает из предыдущей, третьей ступени. При этом угол а0ср 5 60° на среднем диаметре с/()ср в сечении 0—0 при входе в НА четвертой ступени. Таким образом, четвертая ступень представляет собою ступень большой циркуляции, за которой структура входящего в диффузор потока имеет специфический характер. Сведения о влиянии таких особенностей ступени на аэродинамические качества диффузора и блока «ступень — диффузор» в опубликованной литературе отсутствуют.
Выходной диффузор рассматриваемой турбины состоит из кольцевой конический части с переменными углами раскрытия у периферии — от 23° на входе до 5° на выходе. Диффузор имеет цилиндрическую втулочную часть, в которой располагается задний подшипник. Крепление заднего подшипника к наружному корпусу осуществляется посредством пяти равнорасполо-женных по окружности радиальных силовых стержней, обрамленных в области проточной части диффузора профильными кожухами постоянного сечения по высоте проточной части. Про-
тяженность диффузора — 9,5 м, что составляет приблизительно длину всего турбокомпрессора и камер сгорания встроенного типа.
Методика экспериментальных исследований
Моделирование. Опыты проводилисьнамодельном блоке «ступень — диффузор», выполненном в масштабе 1:6,3 натуральной величины, на экспериментальном стенде ЭТ-4 лаборатории турбиностроенияя имени И.И. Кириллова СПбГПУ. Нарис. 1 представлен продольный разрез аэродинамического стенда ЭТ-4. Подробное описание конструкции стенда ЭТ-4 и его информационно-измерительной системы приведено в [ 1,2]. Отметим только, что модельные лопатки НА и РК выполнялись из материала Д16-Т методом фрезерования на 5-координатном станке с последующей полировкой поверхности пера лопаток и фрезерованием замковой части.
Благодаря такой технологии было обеспечено геометрическое подобие с приемлемой точностью натурной и модельной ступеней, включая моделирование профильной части лопаток, а также осевых и радиальных зазоров.
Входной направляющий аппарат (ВНА) применен для имитации потока за 3 -й ступенью турбины, он спрофилирован с соблюдением распределения угла а0 потока по высоте канала в соответствии с натурным.
Безстиек., си спицами (вариант 1) Профилированные стойки (вариант 2)
08 5 стержней
Симметричные стойки (вариант13)
0
? стержней
Рис. 1. Продольный разрез экспериментальной турбины ЭТ-4 лаборатории турбиноетроения имени 14.14. Кириллова с моделью блока «ступень — диффузор»: а — предварительный направляющий аппарат; 6 — направляющий аппарат; в — рабочее колесо; г — диффузор
Кинематическое подобие потоков выдерживалось по критериям (м2/С0) = idem, рА 5 idem и cz = cz/u2 = idem для натурной и модельной ступеней на различных режимах работы [3].
Динамическое подобие рабочего процесса в натурной турбине и модели определялось приближенным равенством основных критериев подобия — чисел Маха, Рейнольдса и показателя адиабаты k=cpjcv. Числа Маха для модельных испытаний приведены в таблице 1 для всех исследованных режимов. В модели максимальное среднее число М2ср = 0,36, в натурной ступени М2ср = 0,60 при номинальном режиме работы машины. Числа Рейнольдса для РК, рассчитанные по средней скорости w2cp в относительной системе и по хорде профиля РКв натуре и модели соответственно равны Re,r,cpIMT 1,3-Ю6 и Re^,cpMai = 0,5Т06. Для выходного диффузора критерии Re, рассчитанные по эквивалентному диаметру кольцевого канала и входным параметрам потока, рав-
ны Re
D нат
; 3,9-10 и Re
D мод
1,5-10 , что соответствует зоне приближенной автомодельности.
Интегральные характеристики ступени, диффузора и блока «ступень — диффузор». Коэффициент полезного действия ступени:
и =ЛТ/( тн(}), (2)
где N — мощность, развиваемая рабочим колесом ступени и определяемая по величине силы
на рычаге гидротормоза, Дж/с; т — массовый
расход через ступень, кг/с; #0 — изоэнтропий-
ный перепад энтальпий на ступень, Дж/кг, Н() =
= [к/ (к - ЩТ^ 1 - ((/Роср
; Ро — дав-
Коэффициент полезного действия системы «ступень-выходной диффузор»:
Л+д = М/( тН0+д), (3)
где Я0+д — изоэнтропийный перепад энтальпий на систему «ступень — выходной диффузор», Дж/кг;
\(к-\)/к~
1-
(ftcp/ftjcp)
Нормированная величина прироста КПД Аи+д, получаемого в результате применения выходного диффузора:
АЛ+д =
Л+д-Л Л+д
-1.
Л Л
С учетом формул (2) и (3) получаем
АЛ+д =
(4)
((р/
ftcp/ />0ср I
\(k-\)/k
Plcp/ Pi)cp I
\(k-\)/k
l-(cp/ A}cp
(5)
ление торможения на входе в ступень, Па.
Нормированная величина прироста КПД — простая, а самое главное, наиболее точная интегральная характеристика, поскольку исключает ошибки, которые могут возникать при измерении расхода или частоты вращения ротора; фактически ее точность определяется только точностью калибровки сканера давления и зондов.
Все значения давлений и температур в формулах (1)—(3) вычисляются как средние значения параметров потока в сечениях 0—0, 2—2 и 8—8. Методика вычисления этих величин по данным измерений трехмерного потока основана на использовании системы интегральных уравнений сохранения [2]. Уравнения составляются для ос-редненного одномерного потока, с одной сторо-
Величины основных критериев подобия потока для исследованных вариантов блока «ступень — диффузор»
Тип стоек Расход, кг/с Критерий подобия Значения критерия подобия при разных а2т
60° 70° 75° 80° 85° 90° 95° 100°
Без стоек 10 и/8 0,577 0,63 0,655 0,691 0,727 0,756 0,803 0,833
м2ср 0,251 0,249 0,254 0,252 0,248 0,251 0,251 0,259
Профилированные стойки 10 и/8 0,7 0,783 0,809 0,857 0,874 0,903 0,961 1,015
м2ср 0,271 0,229 0,235 0,241 0,246 0,251 0,273 0,265
Симметричные стойки 11 и/8 - 0,622 - 0,665 - 0,739 0,749 0,793
м2ср - 0,273 - 0,283 - 0,287 0,28 0,275
ны, и действительного трехмерного потока установившегося течения, с другой.
Для того чтобы понять, как влияют стойки на работу диффузора, был испытан диффузор без стоек (для крепления втулки применены спицы диаметром 8 мм), обозначенный далее как вариант 1 (рис. 1). Поскольку турбина рассчитана на неосевой выход потока на номинальном режиме, то вариант 2 диффузора — это вариант со стойками, спрофилированными при условии безударного натекания потока на среднем диаметре. Так как турбина работает не только на номинальном режиме, но и на режимах неполной загрузки, то вариант 3 — это симметричные стойки (рис. 1).
Результаты экспериментальных исследований
Чтобы оценить, как в количественном отношении влияет установка тех или иных стоек на работу блока «ступень — диффузор», обратимся к суммарным характеристикам, представленным на рис. 2 и 3. Для удобства анализа полученные результаты представлены в сравнениях с вариантом 1 диффузора без стоек.
Сравнивая КПД ^ ступени при наличии диффузора без стоек (вариант 1) и диффузора с симметричными стойками (вариант 3), можно констатировать, что наличие стоек практически не влияет на его величину. И в том, и другом случаях при номинальном режиме КПД составляет величину порядка 75—76 %. В то время как уровень КПД блока для диффузора с профилированными стойками (варианта 2) — выше, и он достигает 84 % (против 80 % для варианта 1).
При этом на нерасчетном режиме работы ступени, при угле выхода 100°, КПД блока для варианта с симметричными стойками выше на 5—7 %.
Таким образом, применение диффузора данной геометрии для рассматриваемой ступени дает большее приращение КПД блока для варианта 2. Так, для варианта 2 на номинальном режиме приращение КПД составляет 12 % против 7 % для варианта 1. Это повышение происходит за счет возрастания коэффициента восстановления давления Ср в диффузоре. Для варианта 2 величина коэффициента Ср выше примерно на 10—15 по сравнению с вариантом 1.
Отметим, что зависимости приращения КПД и Ср имеют определенные экстремумы, причем
кривые Аи+Д = / (и/С0) — одинакового характера во всем исследованном диапазоне ¿//С0.
На рис. 3 представлены те же характеристики, что и на рис. 2, только для вариантов 3 и 1. Примененные профилированные стойки для данного блока «ступень — диффузор» оказывают отрицательное влияние на КПД ступени во всем исследованном диапазоне м/С0- КПД-р ниже на 3—5 %. КПД блока в расчетном режиме остается на том же уровне, что и для варианта 1. Несколько более высокий КПД блока варианта 2 может объясняться более высокими числами Маха (расход 11кг/с против 10 кг/с для варрантов 1 и 3). Сувеличением ¿//С0 до значения 0,50— 0,55 (что соответствует углу а2 порядка 70° наблюдаем рост КПД блока для обоих вариантов, но для варианта 3 это является максимумом, после которого идет достаточное резкое снижение КПД, в то время какдля вариантов 1 и 2 максимум находится в пределах и/С() = 0,60, или при-а
Относителыюе приращение КПД на номинальном режиме выше, чем для варианта 1 и достигает величины 10 %,т. е. почти, какидляварианта 2. Однако кривая имеет убывающий характер с ростом ¿//С0, в то время какдля вариантов 1 и 2 кривые имеют форму синусоиды. Степень восстановления давления на номинальном режиме, по сравнению с вариантом 1 выше почти на 20 %. Но кривые, как и для относительного приращения КПД, имеют убывающий характер.
Рассмотрим относительное приращения КПД Аи+Д и коэффициент восстановления давления Ср для всех трех случаев (рис. 4). На приведенных графиках можно выделить три области. Первая —
а
= 64°) до 0,55-0,60 (а2 = 80-90°). Для вариантов диффузора со стойками уровень КПД выше, чем для варианта без стоек. То есть присутствие стоек для данной геометрии диффузора дает большее приращение КПД блока, что связано с более эффективным восстановлением давления в диффузоре. Забегая вперед, объясним этот факттем, что кольцевой диффузор имеет очень большие углы раскрытия и поток для варианта 1 отрывается от втулки уже в сечении 2—2. Наличие же стоек способствует некоторому «стеснению» потока, что препятствует его отрыву от втулочной поверхности. Варианты 1 и 2 имеют минимальный уровень приращения КПД блока в области г//С0 = 0,55, а
а
а
(«/С o.l.v-imR 0,502 0,698
75, 70,8 ■ 80,9 i ■ л. 89,9 103,4
а 2 = 64,2° : □ ' 84, 8 ■
□ л — без стоек ■ Л,д О л — проф. стойки ♦ л,д
У О О о ♦ _83,5°
С12 о = 63,5° 77,1 79, О ! 88,1 О > о 107,5
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 и/Сп
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 и/Сп
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 и/Сп
Рис. 2. Суммарные характеристики — КПД U ступени, и+д и 9л+д блока
«ступень-диффузор» и коэффициент восстановления давления Ср диффузора — в функции критерия и/С0 вариантов диффузора без стоек и с профилированными стойками
0,80
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 и/С0
0,15
0,10
0,05
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 и/С.п
0,80
0,60
0,40
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 и/С0
0,502 90,2 ▲ 9 'Д 0,698
а 2 = 71,5° V [ ■ 94,
® 75,6 70,8 П 80,9 ш □ ■ Л Л-
□ л — без стоек ■ л,д Д л — симм, стойки А л,д
«2 = 64,2 V □ о г д □ Я4 К ^ Л сГ^. 89,9 О
103,4.
1 II
(«/Со'л-нкп 0,502 (и/С о)л'-7(к 0,698
«2 = 71,5° 8 ),4 94, 90,2 . >
■ Аг| — без стоек А Ал — симм. СТОЙКИ -
ЯД ! :..... 103,4
«2 = 64,2°"" 75,6 89,9
70,8
II •
("/СЦ.'Л'-нкп 0,502 0,698
СС2 = 71,5° А )
Га 8С 1,4 ^ 103,4
Г-" ^ — Л — без стоек Д— симм, стойки
■
т _ 84, В
/и,875,6
Рис. 3. Суммарные характеристики — КПД и ступени, и+д и Ли+Д блока «ступень — диффузор» и коэффициент восстановления давления Ср диффузора в функции критерия м/С0 вариантов диффузора без стоек и с симметричными стойками
вариантов 1 и 3 наблюдается максимум приращения КПД в районе а 2 = 110°. В то же время для варианта 2 имеет место резкое падение приращения КПД. Это связано с плохим обтеканием профилированных стоек на нерасчетных режимах. С переходом на нерасчетные режимы увеличиваются углы выхода потока, и при обтекании стоек появляются углы атаки, вызывающие отрывы потока от стоек.
Симметричные стойки спрофилированы под угол выхода потока а2 = 90° и имеют сильно скругленные входные кромки, что благоприятно сказывается на их обтекании в широком диапазоне и/С0.
а
120°). В этой области наблюдается падение приращения КПД для всех вариантов.
Перейдем теперь к восстановительному процессу диффузора. Упомянутые выше экстрему-
аа фиках Ср=/(и/С0) прослеживаются более рельефно, чем для соответствующих кривых изменения КПД. На номинальном режиме восстановление давления для вариантов со стойками происходит намного более эффективно (почти на 15—20 %), чем для диффузора без стоек. При этом использование профилированных стоекдает небольшой выигрыш на номинальном режиме (порядка 3—5 %) и сильный отрицательный эффект на нерасчетных режимах, где углы атаки достигают величин 30—40°.
Вариант 2 дает высокий уровень Ср во всем исследованном диапазоне м/С0 и показывает
а)
Аи+
0,15
0,10
0,05
0,00
б)
0,80
0,60 -
0,40
0,20
I («/С„.) у_Ш(К 0,502 1 (///С0)у-70 0,698
■ Ал — без стоек А Ал — си мм, стойки
■ и проф. С1 ойки
40 0, 45 0, 50 0 55 0, 60 0, 65 0,70 0 75 0 80 и/
■ 1
("Ло'л-нкп 0,502 0,698
А
Л Я
• ¡4Ф . г'
кл - ■ ■ — без стоек А — симм, стойки ♦ — проф. стойки
■
♦
ж
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 и/Сп
Рис. 4. Относительное приращение КПД блока «ступень — диффузор» и коэффициент восстановления давления для всех трех вариантов
наибольшую эффективность по восстановлению давления на режиме а2 = 100—110°, где (^достигает величины 80 %.
Вариант 1 имеет более низкую восстановительную эффективность и на номинальном режиме Ср 5 55 % во всей первой области: абсолютный минимум Ср = 50 % нарежиме а2 = 70° и абсолютный максимум — порядка 74 % , что на 6 % меньше, чем для диффузора варианта 2 — а
а
ухудшение восстановительного процесса для всех вариантов диффузора.
Заключая статью, подведем итоги.
Установка диффузора в базовом варианте с профилированными стойками нарасчетном режиме при м/С0 =0,502 обеспечивает существенное повышение КПД блока «ступень — диффузор», составляющее величину 9,2 %. Такое повышение эффективности блока вполне оправдывает развитую конструкцию выходного диффузора для энергетических ГТУ большой мощности.
Эффективность исследованного комбинированного диффузора с предвключенной ступенью на базовом режиме при а} « 69° характеризуется достаточно высоким коэффициентом Ср = 0,68. При переходе на сниженные режимы
восстановительный процесс в диффузоре существенно ухудшается из-за отрывных явлений в потоке, вызванных углами атаки при обтекании профилированных стоек, и при 70 % нагрузки величина Ср падает до значения 0,36.
Эффективность собственно ступени на расчетном режиме снижается примерно на 3 % из-за отрицательного обратного потенциального влияния пяти профилированных стоек на течение в ступени.
Сравнение результатов экспериментов для диффузоров с различными типами стоек и без них показывает, что на расчетном режиме установка любого типа стоек приводит к существенному улучшению восстановительного процесса, так как в пространстве расположения стоек выполнено специальное профилирование диффузора данной конструкции, которое в варианте без стоек приводит к отрыву потока.
Применение стоек с симметричным профилем сечения в исследованной конструкции диффузора обеспечивает меньшие потери кинетической энергии как в диффузоре в целом, так и в блоке «ступень — диффузор» во всем исследованном диапазоне режимов. Этот факт объясняется меньшей «чувствительностью» симметричных стоек к отрицательным углам атаки и меньшей поверхностью трения в потоке по сравнению с профилированными стойками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Черников, В.А. Экспериментальный стенд для газодинамических исследований выходных диффузоров и патрубков турбин [Текст] / В.А. Черников.— Теплоэнергетика. 2008.— N° 6.— С. 49-54.
2. Черников, В.А. Информационно-измерительная система аэродинамического стенда для исследований потока в проточной части отсека «ступень —
диффузор» и некоторые результаты испытаний на модели мощной газовой турбины [Текст] / В.А. Черников, Е.Ю. Семакина.— Энергетические машины и установки,— 2008,— N° 1.— С. 24-34.
3. Кириллов, И. И. Теория турбомашин [Текст] / И.И. Кириллов.— Л.: Машиностроение, 1972.— 536 с.
УДК 621.31 1.24
В.Г. Николаев
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА РОССИИ
В 2010 году вложения в мировую ветроэнерге- (ВЭС)). На проектирование ВЭС за рубежом от-тику (ВЭ) составили около 70 млрд USD (введено водится 5-6 %, или 3,5-4,2 млрд USD. Из нихдо 35 ГВт новых ветроэнергетических станций трети (1,2-1,4 млрд USD) ушло на исследования
