автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему: Совершенствование аэродинамики системы "последняя ступень - выходной диффузор" газовых турбин большой мощности для комбинированных газопаровых установок
Автореферат диссертации по теме "Совершенствование аэродинамики системы "последняя ступень - выходной диффузор" газовых турбин большой мощности для комбинированных газопаровых установок"
На правах рукописи
Зандер Михаил Сергеевич
Совершенствование аэродинамики системы «последняя ступень - выходной диффузор» газовых турбин большой мощности для комбинированных газопаровых установок
05.04.12 -турбомашины и комбинированные турбоустановки
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» на кафедре «Турбинные двигатели и установки».
кандидат технических наук, профессор
Черников Виктор Александрович
Тихомиров Борис Александрович, д.т.н., профессор, ГОУ ВПО СПбМТУ, кафедра «Судовые турбины и турбинные установки»
Гудков Эдуард Ильич, к.т.н., снс, ОАО «НПО ЦКТИ», заведующий физико-техническим отделом
ОАО «Силовые машины» «Ленинградский Металлический Завод», Санкт-Петербург
Защита состоится «13» марта 2012 г. в 16:00 часов
на заседании диссертационного Д 212.229.06, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, ауд. 225.
С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «СПбГПУ».
Автореферат разослан «#» февраля 2012 г.
Талалов Виктор Алексеевич
Общая характеристика работы
Введение. Актуальность проблемы. В связи с высокими темпами развития такого направления в энергетике, как комбинированные газопаровые установки (ГПУ), задача создания мощных высокоэффективных стационарных газотурбинных установок (ГТУ) становится все более актуальной. В частности для России, где доля выработки электроэнергии приходящейся на ГПУ и ГТУ составляет всего 3%, вопрос создания такого рода ГТУ стоит особенно остро.
Выходной диффузор является важным элементом стационарной газовой турбины. В нем продолжается рабочий процесс течения газа, существенно влияющий на коэффициент полезного действия и мощность ГТУ. Поскольку энергетические ГТУ зачастую работают в качестве полупиковых станций, то следует уделять большое внимание их работе на переменных режимах. И в этом смысле на выходной диффузор еще накладывается задача устойчивой работы при различных углах закрутки входящего в него потока. Кроме того задача проектирования высокоэффективного диффузора для преобразования выходной кинетической энергии в потенциальную энергию сил давления для реальной энергетической газовой турбины осложняется из-за наличия силовых стоек в проточной части диффузора.
Не смотря на высокий уровень развития СН) методов расчета для широкого круга задач в турбомашиностроении, опыт показывает, что достоверными можно считать только результаты, подтвержденные экспериментальным путем. Поскольку структура входящего в диффузор потока, а особенно структура вблизи его стенок, оказывает решающее влияние на эффективность диффузора, то проведение экспериментальных исследований выходного диффузора совместно с предвключенной ступенью можно считать наиболее оправданными с точки зрения соответствия полученных результатов действительности. Сочетание «ступень - диффузор» открывает совершенно новые возможности для повышения качества машины не только за счет совершенствования газодинамики а всего блока в целом. Такой эксперимент позволяет получить количественную оценку для каждого элемента рассматриваемой системы в результате взаимного влияния рабочего процесса в проточной части последней ступени и вы-
ходного диффузора. Предвключенная ступень является не только генератором реального, входящего в диффузор потока, то есть действительных граничных условий, 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.
Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование эффективности блока «последняя ступень - выходной диффузор» стационарных газовых турбины большой мощности, предназначенных для работы в составе комбинированных ГПУ.
Основные задачи исследования состоят в нижеследующем:
• экспериментальное получение интегральных характеристик блока «ступень -диффузор» и его составляющих в широком диапазоне режимов работы ступени;
• определение влияния геометрических параметров формы силовых стоек опоры заднего подшипника на эффективность работы диффузора на основе физического эксперимента;
• численное исследование структуры потока в блоке «последняя ступень - выходной диффузор» для углубленного анализа результатов физического эксперимента и оценки точности результатов численных расчетов по использованным программам.
Научная новизна полученных результатов заключается в:
• применение новой методики экспериментального исследования и оценки показателей блока «последняя ступень - выходной диффузор» энергетической турбины;
• получении интегральных характеристик блока «последняя ступень - выходной диффузор» и состав полей трехмерного потока за ступенью, спроектированной по закону обратной закрутки;
• выполнение численного исследования трехмерного потока вязкой сжимаемой жидкости с использованием программы А^Ув СРХ и сравнение результатов численного и физического экспериментов.
Практическое значение полученных результатов:
• усовершенствована и практически опробована методика экспериментальной оценки выходных диффузоров, работающих совместно с предвключенной ступенью, в широком диапазоне режимов ее работы;
• экспериментально исследованы трехмерные распределения скоростей и параметров потока за ступенью, спроектированной по закону «обратной закрутки», и работающей совместно с выходным диффузором, в широком диапазоне режимов ее работы;
• показано влияние формы силовых стоек опоры заднего подшипника, расположенных в проточной части диффузора, на его эффективность в широком диапазоне работы предвключенной ступени;
• верифицирована CFD модель блока «последняя ступень - выходной диффузор».
• Политехнический симпозиум 20 мая 2010 года «Молодые ученые - промышленности северо-западного региона»
• Международный семинар по проблемам выходных диффузоров турбин «Diffuser Workshop 2010», июль 2010
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 3 статьях
Личный вклад соискателя заключается в следующем:
• участие при проектировании, изготовлении и монтаже экспериментальных моделей, частей опытного стенда ЭТ-4 и разработка схемы измерений;
• участие в проведении экспериментальных исследований в составе группы аэродинамики лаборатории им. И.И. Кириллова СПбГПУ;
• обработка и анализ полученных опытных данных по разработанной методике;
• численное исследование рассматриваемого объекта «последняя ступень - выходной диффузор и валидирование кода ANSYS CFX с помощью физического эксперимента.
• методику проведения экспериментальных исследований аэродинамических характеристик блока «последняя ступень - выходной диффузор» и методику оценки результатов экспериментальных данных;
• CFD модель блока «ступень - диффузор»;
• результаты экспериментально - расчетных исследований.
Объём и структура диссертации. Работа изложена на 160 страницах, иллюстрирована 60 рисунками и содержит 5 таблиц. Диссертация состоит из введения и четырех глав, включая литературный обзор. Список цитированной литературы содержит 63 наименования.
Во введении описывается современное состояние дел по рассматриваемой проблеме и обосновывается актуальность выбранной темы, приводятся цель и задачи проведенных исследований, охарактеризованы новизна и практическая ценность полученных результатов.
Первая глава содержит обзор литературы, посвященный вопросу влияния на эффективность выходного диффузора: геометрических параметры диффузора, режимных параметров потока, характера входного профиля скоростей, закрутки входящего потока и нестационарности потока, генерируемой предвключенной ступенью. Приводятся результаты экспериментальных и теоретических работ А.Е. Зарянкина, М.Е. Дейча, В.К. Мигая, Э.И. Гудкова, G. Sovran, E.D. Klomp, I Johnston, B.B. Уварова, А.Ш. Дорфмана, H.-U. Fleige, W. Riess, V. Vassiliev, D. Kluss, O. Sieker, J. Seume и др. Показано, что многочисленные данные статических продувок диффузоров не могут удовлетворить потребность в информации при создании современного высокоэффективного осевого диффузора для газовой турбины большой мощности. Это связано с тем, что при таких испытаниях не учитываются реальное поле параметров потока на
входе в диффузор, за иредвключенной ступенью, вторичные течення у концов лопаток и сложнейшая структура пограничного слоя, которые в свою очередь определяют восстановительный процесс в диффузоре. В то же время количество данных по динамическим испытаниям диффузоров, в особенности комбинированных вгулочно-конических, совершенно недостаточно.
Вторая глава содержит в себе подробное описание экспериментального стенда, опытных моделей и использованной методики проведения испытаний.
Работа выполнена на высокоскоростном экспериментальном стенде ЭТ-4 лаборатории турбиностроения им. И.И. Кириллова кафедры «Турбинные двигатели и установки» СПбГПУ. На рис.1 представлен продольный разрез стенда, с установленной на нем исследуемой экспериментальной моделью. Стенд состоит из неподвижного корпуса, смонтированном на раме-основании таким образом, что во время испытаний ось стенда остается строго неподвижной. Конструкция ротора такова, что при измерении
Бёэ смяк со спицам Шарсшъ V _ ш^тшш,
стоики ¡Вариант 2!
Рис. 1 - Продольный разрез стенда ЭТ-4 с установленной на нем экспериментальной моделью:
а - входной направляющий аппарат: б - направляющий аппарат; в - рабочие лопатки; г -механизм поворота НА ; д - механизм поворота кольцевого диффузора; е - гидротормоз
гидротормозом крутящего момента, взвешивается трение в подшипниках, что повышает точность определения коэффициента полезного действия ступени. Стенд обору-
дован автоматизированными системами поворота направляющего аппарата и кольцевого диффузора с силовыми стойками, благодаря чему имеется возможность производить измерение параметров потока не только вдоль радиуса, но и в окружном направлении. В качестве нагрузочного устройства используется двухкамерный гидротормоз, к которому обеспечивается бесперебойный подвод воды с постоянным напором.
Воздуходувная станция лаборатории общей мощностью 4,2 МВт, способна обеспечить расход воздуха до 20 кг/с при давлении 2,5 бара и температуре 370 К. Перед экспериментальной турбиной воздух проходит через систему фильтрации. Это необходимое условие для проведения измерений миниатюрными векторными пятиканаль-ными зондами.
В качестве объекта исследования испытывалась модель блока, выполненная в масштабе 1:6.38, включавшая последнюю (четвертую) ступень и выходной диффузор стационарной ГТУ мощностью 182 МВт и начальной температурой газа 1500 °С, работающей в составе ГПУ. Данная турбина является типовой, и изготовлена к настоящему моменту в количестве 49 шт.
Последняя ступень турбины является ступенью большой циркуляции, имеющую на номинальном режиме работы отрицательную закрутку потока (а',= 64,5°). Профилирование лопаточного аппарата НА выполнено по закону «обратной закрутки» потока. Вход в ступень так же не осевой, поэтому для обеспечения безударного входа в НА, был спрофилирован специальный входной направляющий аппарат (ВНА). На номинальном режиме работы ступени ВНА обеспечивает расчетное распределение углов потока а„ по высоте НА. Длина лопаток ВНА составляет величину 62 мм, а высота рабочей лопатки РК - 90 мм. Основные геометрические характеристики ступени приведены в таблице 1. Модель выходного диффузора рассматриваемой турбины, представляет собой комбинированный диффузор, состоящий из кольцевой и конической частей. Корневой обвод кольцевого диффузора выполнен цилиндрическим, с диаметром втулки 242мм. Кольцевая и кони-
Таблица 1 - Геометрические характеристики ступени
ВНА Направляющие лопатки Рабочие лопатки
(1Л)С„ 0.820 0.639 0.653
„ . ческие части диффузора имеют пе-
/ аолица 2 - Геометрические характеристики
диффузора ременные по своей длине углы рас-
крытия. Общая длина модели диффузора составляет величину порядка 2000 мм, диаметр выходного сечения конического диффузора равен 900 мм. В предлагаемой работе рассматривались три варианта диффузора: без силовых стоек, с профилированными стойками и с симметричными стойками. Пять стоек располагались равномерно по окружности в кольцевом диффузоре (см. рис. 1) Основные геометрические характеристики диффузора представлены в таблице 2.
Основополагающие критерии подобия, по которым проводилось моделирование сведены в таблицу 3. Некоторые отклонения модельных критериев подобия от натурных величин не могут оказать заметного влияния на исследуемые характеристики блока. Эти отклонения главным образом объясняются ограниченными возможностями воздуходувной станции и стремлением иметь, возможно, больший масштаб моделирования.
Таблица 3 - Критерии подобия оригинала и модели
Параметр 100% нагрузка
Число М в абсолютной системе ко-орлткп - 0.7 0.5
Число Яе диффузора - 4.1*106 1.85*106
Число Ке ступени 1.3* К)6 0.64*106
Характеристическое число и/С„ 0.502 0.5
Кинематическая степень ИШвИВшЩЯ - 0.470 0.35
Отношение площадей, 1/< ¡.674 2.415
У 10.1 р искры 1 ин. 46 2(1 24 : 13"24' 8е': КГ
Для измерения полей параметров потока в сечениях 2-2 и 8-8 (рис.1) в данной работе использовались пятиканальный конический зонд ЗМ-К, разработанный в лабора-
тории турбиностроения ЛПИ В.А. Черниковым, и пятиканапьный цилиндрический зонд DAT, производства United Sensor. Все зонды были тарированы на специальном тарировочном стенде ТС-1 лаборатории.
Суть предлагаемой методики оценки эффективности блока «ступень - диффузор» заключается в сопоставлении интегральных характеристик самого блока и отдельно его компонентов. При этом важнейшим условием получения интегральных характеристик является тщательное траверсирование потока по площади за ступенью (сеч. 2-2) и на выходе из диффузора (сеч. 8-8) векторными пятиканальными зондами. Вторым важным условием является физически обоснованный метод осреднения массива экспериментальных данных в указанных сечениях. Предлагаемый метод сводится к определению среднеинтегральных величин по данным измерений трехмерного потока с использованием системы интегральных уравнений сохранения:
ур-е сохранения массы
ур-е сохранения потока энтропии
С'-1 ■ т = R ■ Jin А r'l-i
сп ■ гг ■ m = jp ■ с. -сн • г ■ CÍA с'ш-m= jV>- c¿ • ct • dA
ур-е сохранения потока полной энтальпии
ур-е сохранения момента количества движения относительно оси г ур-е сохранения количества движения в направлении оси г
Уравнения составляются для осредненного одномерного потока, с одной стороны, и действительного трехмерного потока установившегося течения, с другой стороны. Этот подход впервые был предложен академиком Л.И. Седовым.
Случайная погрешность результатов определения КПД ступени // и КПД блока «ступень - диффузор» ?/+1) составила величину ±0,3%, а степени восстановления давления С() - величину ±2,5%. Систематическая погрешность определения ц и ц и1 обуславливается в основном систематической ошибкой измерения расхода воздуха, кото-
рое по нормам на расходомерные сопла составляет величину ±0,5%. С учетом других факторов систематическая погрешность КПД равна ±1,0. 1,1%.
Третья глава содержит результаты экспериментальных испытаний и их анализ. Па рисунке 2 и 3 представлены распределения суммарных характеристик ступени и блока «ступень - диффузор». На рис. 2 характеристики представлены для диффузора без стоек (вариант 1) и диффузора с профилированными стойками
Рис. 2 - КПД г] ступени и КПД блока «ступень-диффузор» г> для вариантов диффузора без стоек и с профилированными стойками (вариант 2). На рис. 3 приведены характеристики для диффузора без стоек и для диффузора с симметричными (вариант 3) стойками. Применение профилированных стоек для данного блока «ступень - диффузор» оказывает отрицательное влияние на КПД ступени во всем исследованном диапазоне и/С„. КПД /7 для варианта 2 ниже на 3-4
% по сравнению с вариантом 1. При этом КПД блока 7+() для варианта 2 на номинальном режиме остается примерно на том же уровне что и для варианта 1. Сравнивая КПД г) ступени при наличии диффузора без стоек (вариант 1) и диффузора с симметричными стойками (вариант 3), можно конста-
Рис. 3 - КПД г] ступени и КПД блока «ступень-диффузор» 7+д для вариантов диффузора без стоек и с симметричными стойками
тировать, что на номинальном режиме наличие симметричных стоек слабо влияет на его величину: при наличии таких стоек КПД ступени на режиме, близком к номинальному, составляет 76% против 77% для диффузора без стоек. В то же время уровень КПД блока выше и
достигает 84%, против 82% для Рис 4 _ Относительное приращение КПД блока «сту-варианта 1. Па сниженном ре- пень - диффузор» А?/ для 3-х вариантов диффузора
жиме работы ступени (близком к 70% нагрузке ступени), при угле вы хода а'2 = 100°, КПД блока 7/+д для варианта с симметричными стойками выше на 5%, по сравнению с вариантом 1. Из рисунков 2 и 3 видно, что имеется некоторое обратное влияние стоек на КПД как самой ступени, так и прямое влияние на КПД блока. Это прослеживается по положению оптимума на представленных кривых. С точки зрения КПД ступени, для вариантов 1 и 2 оптимум находится примерно в одной зоне, \и/С0)ор1 «0.55 ч-0.57, в то время, как для варианта 3 оптимум смещается в область
(и/сД^О.б. С точки зрения
КПД блока наблюдается обратная картина. Такое расслоения между вариантами объясняется формой силовых стоек. Относительное приращение КПД А 7+д (рис. 4) варианта 2 на номинальном режиме выше, чем для варианта 1 и достигает величины 9,2%, почти столько же, как и для
Рис. 5 - Коэффициент восстановления давления Ср диффузора для 3-х вариантов диффузора
варианта 3. Характеристики коэффициента восстановления давления С = /(и/С0) для всех трех вариантов (рис. 5) имеют тот же характер, что и относительное приращение КПД Аг/и1 = /(н/С„) во всем исследованном диапазон е и/С0. Это иллюстрирует, что коэффициент восстановления давления диффузора на прямую влияет на эффективность всего блока в целом.
Четвертая глава содержит описание математической модели системы «ступень - диффузор» и метода ее решения при помощи коммерческого кода ANSYS CFX. В первом параграфе приводится геометрическая модель и обосновывается ее выбор. Модель состоит из 5 областей: входной направляющий аппарат (ВНА), направляющий аппарат, рабочие лопатки, диффузор, выход из диффузора. Трехмерное построение геометрии лопаточных аппаратов и выходного диффузора выполнено по чертежам экспериментальной модельной установки. В виду ограниченности компьютерных ресурсов, геометрическая модель представляет собой сектор -72° (9 лопаток ВНА, 9 лопаток НА,7 лопаток РК и сектор 72° выходного диффузора), вместо полной 360° модели (рис. 6).
Для построения расчетных сеток лопаточных аппаратов использовался сеточный генератор ANSYS TuRboGrid VIO. Для областей диффузора и выхода из диффузора -ANSYS ICEM CFD. Все сетки являются гексаэдальными, структурированными. Количество узлов в сетках выбиралось таким образом, чтобы у+ не превышал 15-20. Минимальный угол скоса ячейки во всей модели не меньше 20°, максимальное соотношение длин ребер ячеек не превышает 2000. Общее количество узлов всей расчетной модели колеблется в пределах 12-13 миллионов, в зависимости от варианта диффузора. В качестве граничных условий на входе в расчетную область задавались полные
параметры давления и температуры, принятые однородными по всей входной площади, направ ление потока — нормально плоскости входа в расчетную модель. На выходе из расчетной модели задавался расход рабочего тела. В качестве работе. 7 - Распределение углов потока по данным экспери-чего тела рассматривался мента и расчета для диффузора варианта 1
воздух с теплоемкостью и вязкостью изменяющимися в зависимости от температуры. Частота вращения ротора для каждого из режимов так же как и остальные граничные условия взяты из эксперимента. Для стыковки неподвижных областей с подвижной использовался интерфейс Frozen Rotor.
В виду ограниченности объема автореферата, на рисунках 7 и 8 представлены только результаты для диффузора вариант 1. Результаты расчетов показали удовлетворительное качественное совпадение полей параметров потока во втором сечении, с экспериментальными данными. Однако необходимо отметить, что в пристеночных
областях, где имеют место вторичные явления, протечка через радиальный зазор РК, наблюдается расхождение расчета и эксперимента (рис.7). Особенно это касается распределения углов потока, причем как в области корня, так и в области
Рис. 8 - Сопоставление экспериментальных и расчет- периферии. Данные расхо-ных значений КПД ступени и блока «ступень - диффузор» для диффузора вариант 1 ждения М0ГУТ объясняются
двумя причинами. Первая причина связана с невозможностью физически корректного моделирования вторичных течений за ступенью при решении задачи методом установления. Вторая связана с осреднением измерительным зондом параметров потока, носящих нестационарный характер. Что же касается интегральных характеристик ступени и блока, то их характер качественно так же совпадает с экспериментально определенными, однако наблюдается некоторое их завышение в расчете. Интегральные же характеристики коэффициента восстановления давления в наибольшей степени отличаются от экспериментальных. Разница достигает 20-30%. Тем не менее, эти результаты согласуются с опубликованными результатами других авторов, что свидетельствует об их достоверности.
Таким образом, можно считать, что численное моделирование объекта «ступень -диффузор» с использованием коммерческого кода СРХ вполне пригодно для поиска наиболее оптимальной компоновки, однако для точной количественной оценки требуется проверка физическим экспериментом.
1. По экспериментальным данным, относительное увеличение КПД блока «ступень - диффузор» исследованной модели, за счет установки диффузора достигает величины 9,2%. Такое повышение эффективности блока вполне оправдывает развитую конструкцию выходного диффузора для энергетических ГТУ большой мощности.
2. Опыты показали, что применение стоек с симметричным профилем сечения в исследованном диффузоре, по сравнению с несимметричным профилем обеспечивает меньшие потери кинетической энергии как в диффузоре в целом, так и в блоке «ступень - диффузор» во всем исследованном диапазоне режимов работы ступени.
3. Эффективность исследованного комбинированного диффузора с профилированными стойками, на базовом режиме при а, « 69° характеризуется высоким коэффициентом Ср = 0,68.
4. В результате эксперимента было обнаружено, что эффективность собственно ступени на номинальном режиме снижается примерно на 3% из-за отрицательного обратного потенциального влияния силовых стоек подшипника на течение в ступени.
5. Применение CFD анализа e использованием коммерческого кода CFX для проведения качественной оценки в данном типе задач «последняя ступень - выходной диффузор» можно считать оправданным, и следует рекомендовать его для анализа конструкций при проектировании подобных устройств.
6. Расчетные поля давлений, скоростей и углов потока в сечении 2-2 за ступенью хорошо коррелируют с экспериментальными данными, за исключением пристеночных слоев, во всем исследованном диапазоне режимов работы ступени.
7. Характер интегральных характеристик ступени и блока «ступень - диффузор» совпадает с экспериментальным.
Список опубликованных работ
1. Зандер М.С., Черников В.А. Аэродинамические характеристики блока «ступень - выходной диффузор» стационарной газовой турбины при различных режимах работы // Научно-технические ведомости СПбГПУ .— СПб., 2011 .— № 2(123): Наука и образование.— С. 61-68.
2. Зандер М.С. Экспериментальные исследования газодинамики блока «турбинная ступень - осевой диффузор» // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона : материалы конференций политехнического симпозиума, 20 мая 2010 года — СПб., 2010: "Экспериментальные и теоретические исследования в области естественных и инженерных наук".— С. 31-32.
3. Смирнов Д.С., Сайченко A.C., Зандер М.С. Исследование пограничного слоя в элементах проточных частей турбомашин методом PIV // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: материалы конференций политехнического симпозиума, 20 мая 2010 года — СПб., 2010: "Экспериментальные и теоретические исследования в области естественных и инженерных наук".— С. 32-33.
4. Rassokhin V.A., Zander M.S., Semakina E.Yu., Chernikov V.A. Joint research in experimental aerodynamics of exit diffusers of turbines and stage-diffuser units performed by the subdepartment of turbine engines and plants, St.-Petersburg state polytechnical university, and the institute of turbomachinery and fluid dynamics, Leibnitz university of Hannover. СПб., 2010 — С. 141-157.
Подписано в печать 02.02.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8731b.
Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76
Текст работы Зандер, Михаил Сергеевич, диссертация по теме Турбомашины и комбинированные турбоустановки
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"
На правах рукописи
Зандер Михаил Сергеевич
Совершенствование аэродинамики системы «последняя ступень - выходной диффузор» газовых турбин большой мощности для комбинированных газопаровых установок
Специальность: 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель к.т.н., проф. Черников В.А.
Санкт-Петербург - 2012 год.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ. 3
1 АЭРОДИНАМИКА ДИФФУЗОРОВ ТУРБИН. 20
1.1 Классификация диффузоров. 20
1.2 Рабочий процесс в диффузоре. 26
1.3 Влияние геометрических параметров на характеристики диффузоров. 29
1.4 Влияние режимных параметров на характеристики диффузоров. 33
1.5 Влияние входного профиля скорости на эффективность процесса сжатия в диффузоре. 35
1.6 Влияние закрутки входного потока на эффективность процесса сжатия в диффузоре. 36
1.7 Динамические испытания выходного диффузора. 40
1.8 Расчет выходного диффузора CFD методами. 46
2 МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ. 52
2.1 Экспериментальный стенд. 52
2.2 Экспериментальная модель. 57
2.3 Моделирование. 61
2.3.1 Геометрическое подобие. 61
2.3.2 Кинематическое подобие. 62
2.3.3 Динамическое подобие. 64
2.4 Измерительные приборы. 67
2.5 Схема измерений стенда. 76
2.6 Тарировочный стенд. 79
2.7 Автоматизированная система сбора и обработки информации. 82
2.8 Методика обработки экспериментальных данных. 85
2.8.1 Интегральные характеристики. 85
2.8.2 Методика осреднения экспериментальных данных. 87
2.8.3 Оценка погрешности результатов измерения. 92
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 94
3.1 Интегральные характеристики ступени, диффузора и блока «ступень -диффузор». 94
3.2 Распределения коэффициента восстановления давления Ср вдоль диффузора.. 103
3.3 Поля параметров потока за ступенью в сечении 2-2. 109
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В БЛОКЕ «ПОСЛЕДНЯЯ СТУПЕНЬ - ВЫХОДНОЙ ДИФФУЗОР» ЧИСЛЕННЫМ МЕТОДОМ. И 5
4.1 Геометрическая модель. 115
4.2 Расчетные сетки. 116
4.3 Граничные условия и модель рабочей среды. 119
4.4 Исходная система уравнений и метод решения. 120
4.5 Сравнение результатов численного моделирования и физического эксперимента 124
5 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ. 139
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. I49
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. 155
А м2 площадь поперечного сечения диффузора
АЯ - степень расширения диффузора (АЯ = Авых Авх)
акр м/с критическая скорость потока
В Па давление окружающей среды
с м/с скорость в абсолютной системе координат
с Дж/кг-К удельная теплоёмкость при постоянном давлении
Ср - коэффициент восстановления давления
с Дж/кг-К удельная теплоёмкость при постоянном объёме
с1, I) мм диаметр диффузора
/ град угол атаки
/г Дж/кг-К удельная энтальпия
н мм высота плоского диффузора
я Дж/кг-К кинетическая энергия
у - газодинамическая функция кинетической энергии
к - отношение удельных теплоёмкостей (к = ср су)
1 мм высота лопатки Ь мм длина диффузора М - число Маха
гН кг/с массовый расход
Р Па полное давление
Р Па статическое давление
Я Дж/кг-К газовая постоянная
Яе - число Рейнольдса
©(и) град, (м) I координаты цилиндрической системы г0г
Б Дж/кг энтропия
Т К полная температура
Т К температура
и м/с окружная скорость
и с3 - характеристическое число ступени
м? м/с относительная скорость
а град угол между проекцией сш вектора скорости с потока в абсолютной системе координат на плоскость ги и положительным направлением оси и
а град угол раскрытия диффузора
Р град угол между проекцией вектора скорости ^ потока в относительной системе координат на плоскость ги и положительным направлением оси и
7 град угол подъёма поверхности тока в плоскости хг
у град угол между вектором скорости с потока и его проекцией на плоскость ги
$ * * толщина потери импульса
<Р - коэффициент расхода ступени
V - КПД. по полным параметрам потока перед ступенью
и статическому давлению за нею
^ - КПД. по полным параметрам потока перед и за ступенью
77 - эффективный КПД установки
п - Отношение давлений, газодинамическая функция
Р кг/м3 плотность
р - кинематическая степень реактивности
уу - коэффициент нагрузки ступени
А - разность Индексы
0 параметры перед НА
1 параметры перед РК
2, вх параметры за РК на входе в диффузор
8, вых параметры на выходе из диффузора
О', 3, 4, 5, 6, 7 измерительные сечения
г, и, г компоненты вектора скорости потока на оси г, и и г
ВНА входной направляющий аппарат
ГПУ газопаровая установка
ГТУ газотурбинная установка
КПД коэффициент полезного действия
ЛМЗ Металлический завод т.С.-Петербурга
МЭИ Московский энергетический институт
НА направляющий (сопловой) аппарат
НЗЛ Невский завод лопаток
РК рабочее колесо
СПбГПУ Санкт-Петербургский государственный политехнический
Турбинные двигатели и установки
Центральный институт авиационного моторостроения computational fluid dynamics
Ни для кого не секрет, что основная доля электроэнергии в мире вырабатывается за счет сжигания углеводородного топлива, в основном природного газа, угля и нефтепродуктов. А наиболее распространенным объектом выработки электроэнергии являются тепловые электростанции с турбома-шинами. Исторически сложилось, что большее развитее получили электростанции с паротурбинными установками (ПТУ), к тому же с термодинамической точки зрения, имеющие более высокий уровень КПД, нежели газотурбинные установки. Газотурбинные установки (ГТУ), главным образом, в силу высокой сложности создания эффективного компрессора, развивались значительно медленнее. Однако с внедрением новых материалов и технологий ГТУ получают новый импульс своем развитии, и современные ГТУ достигают уровня КПД порядка 40-41%.
оборудование / /ТУ. ПГУ
Рис. 1 — Структура установленной мощности электростанций ЕЭС России
по состоянию на 2009г [30]
В России, на сегодняшний день подавляющая часть генерирующих мощностей имеет в своей основе паротурбинные установки (рис. 1). При этом, из диаграммы видно, что порядка 65% мощностей приходятся на ПТУ работающие на углеводородном топливе (природный газ и уголь).
По данным Международного Энергетического Института, опубликованным член-корреспондентом РАН Клименко A.B., в своем докладе от 17 сентября 2011 года, на международной конференции «Эффективная генерация энергии», КПД теплоэлектростанций, работающих на угле и природном газе в России (рис. 2) составляют всего 32% и 33% соответственно.
Рис. 2 - КПД теплоэлектростанций, работающих на а) угле; б) природном газе (данные МЭА)[16]
В настоящее время все большее распространение получают электростанции, имеющие в своем составе, так называемые комбинированные установки. Всевозможные варианты тепловых схем такого рода установок были подробно изучены в ведущих научных учреждениях СССР еще в 60-х годах. В результате этого анализа было установлено, что схема «газовая турбина -котел утилизатор (КУ) - паровая турбина» обладает большим термодинамическим потенциалом и наиболее проста в исполнении. Установки, основанные на этой схеме принято называть ГПУ КУ. В такой схеме основная доля вырабатываемой мощности приходится на ГТУ (около 70%). Таким образом проблема создания ГПУ КУ - это в первую очередь проблема создания высокоэффективной мощной газовой турбины. Сегодняшние технологии в области создания жаропрочных сплавов, термобарьерных покрытий и интенсивных систем охлаждения лопаточного аппарата и прочих деталей газовых турбин, позволяют создавать такого рода ГТУ. В результате, реально достигнутый КПД современных ГПУ с КУ состоящих из одной ГТУ и одной ПТУ составляет величину порядка 60% и больше при мощности электростанции около 570 МВт. На сегодняшний день такого уровня эффективности невозможно достичь ни на одной другой тепловой электростанции. На ряду с высокой термодинамической эффективностью, ГПУ так же значительно более экологичные по сравнению с сопоставимыми по мощности ПТУ. Уровень выбросов С02 у них ниже примерно на 40%.
В связи с высокими темпами развития такого направления в энергетике, как комбинированные газопаровые установки, задача создания мощных высокоэффективных стационарных ГТУ становится все более актуальной. В частности для России, где доля выработки электроэнергии приходящейся на ГПУ и ГТУ составляет всего 3% (рис. 1), вопрос создания такого рода ГТУ стоит особенно остро. Так, согласно плану модернизации Российской энергетики, основным типовым решением по модернизации газовых и угольных ТЭС должно стать унификация мощностного ряда ГПУ с использованием ГТУ мощностью 60-80 МВт, 100-130 МВт, 150-180 МВт, 270-300 МВт [30].
Рассмотрим основные особенности и характеристики мощных стационарных ГТУ класс G (Н) на примере установок ведущих мировых фирм производителей.
ГТУ 9FB фирмы General Electric (рис. 3), мощностью по 338 МВт, имеет коэффициент полезного больше 40%, а КПД комбинированного цикла с 9FB достигает величины больше 61% [51]
Рис. 3 - Газовая турбина 9FB фирмы General Electric (сверху) и ГПУ GE
Flex Efficiency* 50 на базеГТУ 9FB: а) компрессор; б) камера сгорания; в) турбина Компрессор данной ГТУ осевого типа с 3D лопаточным аппаратом имеет
всего 14 ступеней. Турбина состоит из 4-ех ступеней, рабочие лопатки 3 и 4
ступени имеют бандажное уплотнение. В трубчато-кольцевой камере сгорания используется патентованная система сжигания DLN 2.6+, позволяющая достигать минимальных выбросов NOx.
На рис. 3 представлена компоновка электростанции GE с газопаровой установкой реализованной на основании ГТУ 9FB. Из рисунка видно, что установка спроектирована по простой схеме и имеет в своем составе одну ГТУ, КУ расположенный непосредственно за ней, ПТУ и один генератор. Мощность такой станции составляет по данным фирмы величину 510 МВт. Имея такие высокие показатели эффективности, подобная станция позволит сэкономить за год до 2,6$ млн., работая по 4500 часов в год.
ГТУ SGT5-8000H (рис. 4) фирмы Siemense AG на сегодняшний день является самой мощной стационарной газотурбинной установкой в мире, ее мощность составляет 375 МВт. КПД турбоустановки по данным испытаний
составил 40%, а КПД ГПУ - 60,75% [74].
Данная ГТУ выполнена по простой схеме, компрессор турбоустановки имеет 13 ступеней, турбина - 4 ступени. В отличии от установки General electric, обандаженной является только последняя 4 ступень. Камера сгорания, как и у 9FB трубчато - кольцевая. Сгорание топлива происходит по специальной технологии ULN.
На рис. 4 представлена компоновка станции SCC-8000H, на основе обозначенной выше ГТУ. Компоновка выполнена по простой схеме «один плюс один», как и в случае с GE, непосредственно за ГТУ установлен котел утилизатор, ПТУ находится перед ГТУ, а между ними расположен генератор. По данным испытаний в г. Иршинге (Германия), мощность станции составила 578 МВт.
В отличии от конкурентов, ГТУ GT26 (рис. 5) фирмы Alstom, выполнена по более сложной схеме - с промежуточным подводом тепла. Турбина в данной установки имеет 5 ступеней, и промежуточный подвод тепла осуществляется после первой турбинной ступени. Реализация такой схемы требует
так же высокой степени сжатия в компрессоре, как следствие компрессор имеет 22 ступени. Обе камеры сгорания выполнены кольцевыми. Мощность
Рис. 4 - Газовая турбина 8СТ5-8000Н фирмы 81етете АС (сверху) и ГПУ
на базе ГТУ 8СТ5-8000Н
ГТУ составляет 289 МВт, при коэффициенте полезного действия превышающим 40% [49]. Схема одного из вариантов ГПУ выполненной на основе вТ26 представлена на рис. 9.
Мощность станции составляет величину 431 МВТ, КПД станции достигает величины 58,7%.
Рис. 5 - Газовая турбина ОТ26 фирмы АШот (сверху) и ГПУ на базе
Что же касается отечественной промышленности, то к сожалению линейка мощных стационарных газовых турбин весьма скромна, и по сути сводится всего к нескольким машинам, самые мощные из них, это ГТЭ-110 производства ОАО «НПО «Сатурн» и ГТЭ-160 производства СП ООО «Интертурбо». ГТЭ-160, как известно, машина, собирающиеся по лицензии принадле-
жащей фирме Siemens AG и по сути дела является установкой SGT5-2000E (V94.2). Поэтому ГТЭ-100 является чуть ли не единственной относительно современной моделью отечественной стационарной ГТУ большой мощности.
ГТЭ-110 это авиационный двигатель, конвертированный в стационарную энергетическую установку. ГТУ оснащена трубчато-кольцевой камерой сгорания, компрессор имеет 14 ступеней, в котором достигается степень сжатия 15,6. Турбина состоит из 4 ступеней. КПД ГТУ в простом цикле составляет по величину порядка 36% [14], при мощности 116 МВт. На рис. 6 представлен продольный разрез двигателя, из которого ясно видно его авиационное происхождение, что влечет за собой низкий по сравнению с чисто стационарными ГТУ.
1 газовая турбина ГГД-110
2 - котел утилизатор
3 - дымовая труба
4 • зона размещения питающих масосоо
высокого и низкого давления
5 • комплексное воздухоочистительное
6 - блочный щит управления
7 ■ генератор (165 МВт)
8 • генератор газовой турбины (110 МВт)
9 - паровав турбина (55 М8П
10 - генератор паровой турбины (60 МВт)
11 автоматическая обгонная рдецепная муфта
12 коробка припопов с оалоповоротным устройством
Рис. 6 - Продольный разрез ГТЭ-110 фирмы ООО «НПО «Сатурн»
Комбинированные установки ПГУ-170, ПГУ-325 и ПГУ-500 на основе ГТЭ-110 предлагаемые ООО «НПО «Сатурн» имеют КПД 52% при мощности 170 МВт, 325 МВт и 500 МВт соответственно [20]. На рис. 6 представлен план компоновка ПГУ-170 в одновальном и двухвальном исполнении.
Все описанные ГТУ и ГПУ являются на сегодняшний день новейшими установками. При этом, несмотря на различия в конструкциях, и даже в тепловых схемах в них заложенных, для всех этих турбин существуют характерные особенности. Все ГТУ, за исключением ОТ-26, имеют всего по 4 турбинных ступени, которые являются сильно нагруженными вследствие этого. Наиболее нагруженными, как правило, получаются первые и последняя ступень. Однако повышение нагрузки на последнюю ступень неминуемо ведет к высоким скоростям потока на выходе. При этом, если взять во внимание высокие расходы рабочего тела проходящие через турбину (порядка 400-800 кг/с), то получается, что на выходе из последней ступени поток обладает огромным запасом не реализованной кинетической энергией. Потеря этой энергии ведет к снижению показателей эффективности ГТУ. В этой связи выходной диффузор, устанавливаемый за последней ступенью играет крайне важную роль. Известно, что выходной диффузор является неотъем-лимым элементом стационарной газовой турбины. В нем продолжается рабочий процесс течения газа, существенно влияющий на коэффициент полезного действия и мощность ГТУ. Задача проектирования высокоэффективного диффузора для преобразования выходной кинетической энергии в потенциальную энергию сил давления, до сих пор остается довольно не простой и все более актуальной в связи с повышением единичной мощности ГТУ.
Из рис. 3, 4, 5 хорошо видно, что выходному диффузору уделяется не мало внимания