16 октября 2016г.
В данной работе предлагается новый метод снижения потерь энергии в решетках профилей.
Основная идея разработанного решения заключается в установке на внутренних поверхностях бандажей турбинной ступени системы криволинейных ребер малой высоты с целью снижения величины концевых потерь энергии в решетке профилей.
Эффективность предложенного решения с использованием оребрения различной высоты была проверена методом численного CFD – моделирования.
Комплексный анализ данных численного исследования доказал наличие положительного эффекта от установки ребер: для лучшей оребренной модели снижение коэффициента потерь энергии составило 7,78 % в сравнении с базовым (неоребренным) вариантом.
Ключевые слова: сопловая решетка паровой турбины, вторичные течения, коэффициент полных потерь, повышение эффективности, КПД, оребрение.
Введение
Переход к более совершенным производственным технологиям неразрывно связан с появлением новых либо с активной модернизацией существующих генерирующих установок и мощностей. При этом в силу ограниченности природных ресурсов все большее внимание уделяется методам повышения эффективности производства электрической энергии.
КПД современных энергетических паровых турбин имеет достаточно высокое значение. Но тем не менее возможность его увеличения до сих пор является приоритетной и актуальной задачей. Рост КПД паровой турбины в целом может быть достигнут за счет совершенствования отдельных ее частей. Например, цилиндра высокого давления (ЦВД), рабочие характеристики которого в значительной мере определяются величиной концевых потерь энергии.
Концевые потери энергии в турбинных решетках связаны с наличием потерь на трение потока о торцевые поверхности, а также с возникновением и развитием вторичных вихревых течений. Таким образом, зная факторы, влияющие на характер и интенсивность вторичных течений в лопаточных каналах, появляется возможность в некоторой степени управлять их образованием и, следовательно, снижать концевые потери энергии в решетке профилей.
Проблема изучения вторичных течений нашла свое отражения в работах многих ученых. Механизм образования вихревых течений в концевых областях лопаток был исследован Lampart P. (2009) [4], Tian Q. et al. (2004) [5]. В работе Zi-Ming F et al. (2015) [7] предлагается снижать потери в решетке и повышать экономичность ее работы путем изменения геометрических параметров профилей лопаток.
Большое внимание данной теме также уделено в книге Зарянкина А.Е. [1], где рассматриваются не только теоретические аспекты образования вторичных течений, но и указывается ряд мер, позволяющих снизить их интенсивность.
В исследовании Zaryankin A.E. et al. (2016) [6] рассматривается вопрос использования оребрения в решетках профилей. Другой возможный вариант конструктивной модернизации турбинных решеток представлен в патенте SU 299658, F 01D 1/04, 1971 (Кузнецов Н.Д., Дейч М.Е. и Клебанов А.Г. «Лопаточная решетка турбомашины») [2], где предлагается конструировать бандажи с продольными канавками.
Теоретическое описание рассматриваемой проблемы
Суммарные потери энергии в решетке в общем случае складываются из профильной и концевой составляющей. Концевые потери энергии – это потери на трение по торцевым поверхностям, потери в сложных вихревых образованиях и потери, обусловленные наличием радиальных «компенсирующих» течений в решетке профилей.
Структура вторичных течений очень сложна, неоднозначен и механизм их образования. В настоящее время за основную принята гипотеза, заключающаяся в том, что вторичные течения появляются вследствие наличия поворота потока в межлопаточном канале под действием поперечного градиента давления.
На рисунке 1 приведены изображения вторичных течений, полученные в результате численного моделирования движения потока в решетке профилей.
Сложная структура вторичных течений не позволяет получить надежные и универсальные
расчетные формулы. Однако для практических целей необходимо уметь оценивать величину концевых потерь энергии для конкретной решетки, а также понимать
факторы, определяющие эту величину. Поэтому в ряде работ на основе опытных данных в рамках теории размерностей были получены полуэмпирические зависимости,
позволяющие вычислить значение ξК; одна из таких формул [4] приведена ниже.
где Reb – число Рейнольдса;
α0, α1 – углы входа и выхода потока в
решетку и
их нее;
̅l = l / b – относительная длина лопатки;
̅t = t / b – относительный шаг;
B – коэффициент, зависящий от режима течения,
типа решетки
(определяется
экспериментально).
Таким образом, из (1) можно сделать вывод о том, что ξК является функцией как геометрических (α0, α1, t̅), так и режимных параметров
решетки.
Существенное влияние
на численное значение величины концевых потерь оказывает относительный шаг ̅t, поскольку зависимость ξК от ̅t квадратичная.
Наиболее
простым и понятным вариантом, который
позволяет снизить
относительный шаг
решетки, является
установка большего числа профилей в одном колесе турбинной ступени. Нетрудно заметить, что данный метод может привести к нежелательным последствиям, среди которых: повышение металлоемкости, стоимости агрегата,
значительное увеличению
профильных потерь энергии
в решетке.
Другим возможным путем является «имитация» присутствия дополнительного профиля
(или профилей) в пределах пограничного слоя путем установки системы ребер на внутренней стороне бандажа (либо бандажей) в межлопаточном канале. Высота ребер при этом
не должна быть больше высоты самого пограничного слоя, а их форма в точности повторять форму линий тока рабочей среды в канале. Такое решение позволяет не допустить значительного увеличения других составляющих потерь; кроме того, его
возможно применять не только на новых машинах, но и при модернизации действующих
установок. Однако не стоит забывать, что установка системы ребер может повысить потери на трение на меридиональных обводах.
Граничные условия и
параметры численного моделирования
Для проверки выдвинутой теоретической гипотезы были проведены численные
исследования плоских оребренных решеток.
В качестве основы для расчетной модели был выбран профиль сопловой лопатки С 90-12-А (b = 50 мм), путем повторения которого формировалась плоская периодичная
решетка (с фиксированным шагом вдоль оси, равным t = 35 мм). Высота решетки
составляла 40 мм. Перед исследуемой решеткой устанавливалась камера, обеспечивающая создание неравномерного
профиля скорости потока на входе в межпрофильные каналы
(рисунок 2). Наличие такой неравномерности оказывает существенное влияние на характер образующихся вторичных течений (Koschichow D. et al., 2015) [3], и поэтому ее
необходимо обеспечить при проведении
исследования.
В силу невозможности точного
теоретического предсказания геометрических параметров
системы ребер, в наибольшей степени снижающей концевые потери энергии, были исследованы различные способы организации оребрения каналов (таблица 1).
Расчетные сетки, используемые в численном исследовании – периодические, неструктурированные, с количеством ячеек, равным 4-5 млн. Численное решение системы уравнений RANS производилось в программном комплексе ANSYS CFX. Используемая модель турбулентности - k-omega с масштабируемой пристеночной функцией. Граничные
условия для задачи
представлены на
рисунке 3.
Таблица 1
– Исследуемые модели плоской решетки
Результаты
численного моделирования
В ходе численного эксперимента были получены значения коэффициента полных
потерь энергии в решетке для ребер
разной высоты (рисунок 4).
Наибольший эффект от оребрения наблюдается при высоте ребра, равной 2 мм (Case M1). В этом случае происходит снижение интенсивности образования вторичных
течений в концевых областях профилей, что, в свою очередь, повышает эффективность работы решетки и снижает
коэффициент потерь
энергии
в ней
на 7,78 %.
Для больших ребер (3 мм, Case M2) значительную роль начинает играть сопротивление системы потоку движущейся рабочей среды. Ребра в данном случае
выходят за пределы пограничного слоя и способствуют росту потерь энергии на трение на меридиональных обводах. Снижение коэффициента
полных потерь на 4,47
%.
Малая высота ребра (1 мм, Case M3) также не приводит
к заметному улучшению характеристик работы решетки. Данные показывают, что такая геометрия не снижает
интенсивность образования
вторичных течений в канале.
Рисунок 4 – Распределение коэффициента полных потерь
по высоте решетки Анализ результатов численного моделирования показал эффективность применения оребренных бандажей для снижения потерь
энергии в решетках профилей
турбинной ступени. На рисунке 5 можно заметить различия в картине поведения потока вблизи
торцевых поверхностей лопаток:
при установке криволинейных ребер наблюдается уменьшение области вторичных вихревых течений, происходит разделение одного большого
вихря
на два мелких.
Заключение
Исследование эффективности установки
различных конструкций ребер в каналах
турбинной решетки
было проведено методами численного CFD-моделирования.
Результаты численного исследования позволили сделать выводы об эффективности предлагаемого решения. Максимальное снижение коэффициента потерь
энергии наблюдалось для варианта с одним ребром прямоугольной
формы высотой 2 мм,
установленным на нижнем и верхнем бандажах решетки, и составило
7,78 %.
Таким образом, можно утверждать, что установка
системы криволинейных ребер
малой высоты в межлопаточном канале способствует повышению экономичности работы турбинной
решетки профилей
и снижает
величину потерь энергии в ней.
*Благодарность. Исследование выполнено в Национальном исследовательском
университете «МЭИ» за счет гранта
Российского научного фонда (проект № 14-19-
00944 от 16 июля 2014 г.).
Список литературы
1.
Зарянкин А.Е. Механика несжимаемых и сжимаемых жидкостей. М.: Издательский дом МЭИ,
2014. 590 с.
2.
Патент SU 299658, F 01D 1/04, 1971, Кузнецов Н.Д., Дейч М.Е.,
Клебанов А.Г. Лопаточная решетка турбомашины.
3.
Koschichow D., Fröhlich J., Ciorciari R., & Niehuis R. Analysis of the influence of
periodic passing wakes on the secondary flow near the endwall of a linear LPT cascade using DNS and
U-RANS // Proceedings
of the 11th European Conference
on
Turbomachinery, Fluid dynamics & Thermodynamics,
2015.
4.
Lampart P. Investigation of endwall flows and losses in axial turbines. Part I. Formation
of endwall flows and losses // Journal of theoretical and applied mechanics. 2009. Т. 47.№ 2. pp. 321-342.
5.
Tian Q., Simpson R. L., Tang G. Flow visualization on the linear compressor cascade
endwall using oil flows and laser Doppler anemometry // Measurement Science and
Technology.
2004. Т. 15. № 9.
pp. 1910.
6.
Zaryankin A.E., Rogalev N.D., Rogalev A.N., Garanin I.V., Osipov S.K., Grigoriev E.Y.
Control valves and cascades for the first stages of turbines with ultrasupercritical steam parameters
// Thermal Engineering. 2016.
Т. 63. № 6. pp. 422-429.
7.
Zi-Ming F., Jin-Dong Z., Hui-Bin G. Aerodynamic Performance of Nozzle Blade
Cascade with Meridian-shrank Endwall Profile // Journal of Applied Sciences. 2013. Т. 13. № 7. pp. 1052.
