авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Экспериментальное исследование режимов течения на вибродинамическое состояние диффузорных элементов проточных частей турбомашин

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Носков Виктор Владимирович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ НА ВИБРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ДИФФУЗОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ТУРБОМАШИН

Специальность 05.04.12 – Турбомашины и комбинированные турбоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2010

Работа выполнена на кафедре паровых и газовых турбин Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Зарянкин Аркадий Ефимович
Официальные оппоненты: доктор технических наук Кукушкин Александр Николаевич
кандидат технических наук, доцент Жинов Андрей Александрович
Ведущее предприятие: ОАО “Калужский турбинный завод”

Защита состоится в аудитории Б-407 “21” мая 2010 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.09 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17, кор. “Б”, 4-й этаж.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан “ ” 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент А.И. Лебедева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование теплотехнического оборудования всегда актуально, независимо от достигнутого уровня техники.

Для России совершенствование работающего оборудования сейчас особенно важно, так как пока нельзя рассчитывать на массовое его обновление.

Возможность достижения при этом серьезных результатов определяется тем резервом, который имеется между существующими и теоретически возможными показателями.

Неиспользованные резервы повышения экономичности и надежности теплотехнического оборудования для различных объектов отличаются очень сильно.

Анализ технико-экономических показателей различных элементов конструкций показал наличие значительных резервов повышения аэродинамической эффективности на диффузорных участках проточных частей паротурбинных и газотурбинных установок.

Диффузорные элементы – неотъемлемая часть проточной части любой турбомашины. Система паровпуска, переходные, входные и выходные патрубки, косой срез решеток находятся под действием положительного градиента давления, что часто ведет к отрыву потока от обтекаемых стенок и сопровождается увеличением потерь энергии, нарушением стабильности и симметрии в распределении параметров потока в осесимметричных каналах.

Экономические показатели и показатели надежности теплотехнического оборудования тесно связаны между собой. В ряде работ показано, что основной причиной разрушения элементов конструкций, являются возникающие в их проточных частях динамические усилия, величина которых прямо зависит от характера движения жидкости.

Особенно опасными оказываются режимы течения с образованием дискретных вихревых областей. Во всех случаях при их возникновении отмечается резкое увеличение уровня шума, рост энергетических потерь и повышенная вибрация всех стенок, каналов. Отсюда вытекает естественный вывод о необходимости разработки мер, препятствующих развитию вихревых образований в каналах подобного течения.

Известные эффективные методы предотвращения отрыва потока требуют дополнительных затрат энергии, а в ряде случаев возникают технологические трудности при их практической реализации.

Соответственно, возникает необходимость в разработке простых методов, способных эффективно влиять на режим течения при наличии положительного градиента давления.

Отмеченные обстоятельства определяют актуальность решения отмеченных задач и далее рассматриваются возможные пути их решения.

Объект исследования. Объектами исследования являются:

  • плоские диффузоры с эквивалентным диаметром горла и следующими степенями расширения при различных углах раскрытия канала:
Угол раскрытия диффузора 0 3,5 5 7 10 15 20
Степень расширения канала n 1 1,82 2,17 2,63 3,33 4,50 5,66


Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является:

  • исследование влияния угла раскрытия диффузора на развитие пульсаций давления вдоль его продольной оси, на величину динамических нагрузок, действующих на стенки исследуемого канала, на вибрационное состояние и акустическое излучение диффузоров;
  • разработка и исследование простых и эффективных способов стабилизации течения в широкоугольных диффузорах, обеспечивающих снижение уровня пульсаций давления в диффузорных каналах, снижение динамических нагрузок и акустического излучения без заметного снижения степени восстановления энергии;
  • использование разработанных решений для повышения эффективности и надежности диффузоров в паровых и газовых турбинах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • установить зависимость статических и динамических сил, действующих на стенки плоских диффузоров от угла раскрытия, а также исследовать связь указанных сил с уровнем пульсаций давления, акустическим и вибрационным состоянием этих диффузоров;
  • разработать и исследовать способы геометрического воздействия на характер течения в диффузорах, обеспечивающих снижение динамических нагрузок, вибрации и уровня шума, излучаемого диффузорными каналами;
  • на основе проведенных исследований дать практические рекомендации по проектированию оптимальных (с точки зрения динамических нагрузок, вибрационного состояния, акустического излучения и потерь энергии) диффузоров, позволяющих повысить надежность теплотехнического оборудования.

Методы исследований и достоверность полученных результатов.

При выполнении работы широко использовались, как общепризнанные, так основанные на современной измерительной технике новые методы проведения экспериментов.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современной измерительной техники, повторяемостью опытных данных и хорошим совпадением результатов модельных и натурных исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

  • на специально созданной установке, предназначенной для исследования плоских диффузоров, разработана новая схема измерений, позволяющая измерять меняющиеся во времени параметры потока, вибрационное состояние, статические и динамические нагрузки, а также акустическое излучение исследуемых диффузоров при изменении входных условий;
  • проведено комплексное исследование серии плоских диффузоров, включающее в себя: исследование силовых факторов, действующих на их стенки, исследование пульсационного, вибрационного и акустического состояния указанных объектов;
  • разработаны новые эффективные меры геометрического воздействия на характер течения в диффузорных каналах, позволяющие резко снизить уровень пульсаций давления в диффузорах, вибрацию его стенок, уровень динамических нагрузок и величину акустического излучения.

Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение, так как разработанные меры позволят повысить надежность эксплуатации газовых и паровых турбин, а также сопутствующего оборудования, где имеет место диффузорный эффект.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная система снижения динамических нагрузок на стенках диффузорных каналов и ее конструктивная реализация передана для использована на завод “КТЗ”.

Результаты работы реализованы на ряде турбин 13К215 ABB Zamech, при модернизации систем паровпуска этих турбин.

Личный вклад автора заключается в:

  • проведении обзора и анализа литературных данных;
  • проведении экспериментальных исследований плоских диффузорных каналов;
  • проведении анализа полученных экспериментальных данных;
  • в разработке широкоугольных диффузоров с новой системой стабилизации течения.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на:

  • 15-ой ежегодной  международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика”. – М.: МЭИ, 26-27  февраля  2009 г.;
  • 8-ой международной научно-техн. конференции “Power System Engineering Thermodynamics & Fluid Flow”. – Чехия, Пльзень: 18 июня 2009г.;
  • 16-ой ежегодной  международной научно-технической конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика”. – М.: МЭИ, 25-26  февраля  2010 г.;
  • газодинамическом семинаре кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. – М.: МЭИ, 26 марта  2010 г.;
  • заседании кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. – М.: МЭИ, 7 апреля 2010 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы было опубликовано 2 научных статьи и 4 доклада на международных конференциях.

Автор защищает:

  • результаты экспериментального исследования серии плоских диффузоров;
  • разработанную новую систему измерений, позволяющую измерять динамику усилий на стенках плоских диффузоров при изменении геометрии канала, а также измерять меняющиеся во времени параметры потока в плоском диффузорном канале при изменении входных условий;
  • новый способ стабилизации течения в плоских и осесимметричных диффузорах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, списка используемой литературы, включающей 96 наименований. Работа изложена на 230 страницах машинописного текста, иллюстрируется 123 рисунками на 107 страницах, содержит список литературы, изложенный на 9 страницах, и содержит 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткое содержание глав работы.

В первой главе представлен краткий обзор литературных источников, посвященных вопросам, в той или иной степени связанных с предметом настоящих исследований. В частности, большое внимание уделено рассмотрению нестационарности, которая является следствием отрыва потока от стенок каналов; методам повышения эффективности диффузорных каналов; влиянию режимных параметров на характеристики диффузоров; расчету течения идеальной жидкости в плоском диффузоре при наличии в его проточной части плоского вихря; исследованию динамических нагрузок на стенках диффузорных каналов. В заключительной части первой главы формулируются цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе дано описание новой установки для исследования характера течения в плоских диффузорах, использованной системы измерений и представление опытных данных.

Схематически эта установка показана на рис. 1 с указанием расположения малоинерционных датчиков давлений, системой для измерения статических и динамических сил на поворотной пластине 1, место расположения датчика вибрации и положение микрофона для измерения акустического давления.

Блок для измерения усилий представлял собой стандартный прибор “Handyscope HS2” фирмы “TiePie engineering” и S – образного датчика ZF работающего на растяжение и сжатие. Примененная система сравнительной оценки эффективности диффузорных каналов на основе интегрального силового воздействия потока на их стенки дает наиболее достоверное и наглядное представление о характере течения в диффузорах.

Все сигналы от датчиков давления, вибрации и микрофона воспринимались современным измерительным комплексом МИК-200М (Россия).

В заключительной части второй главы приведена оценка погрешностей при определении коэффициента потерь энергии.

Рис. 1 Схема рабочей части установки для исследования плоских диффузоров




Третья глава посвящена комплексным исследованиям плоских диффузоров при различных углах раскрытия с целью получения динамических, вибрационных, акустических и аэродинамических характеристик исследуемых объектов.

Результаты исследования силового взаимодействия потока со стенками исследуемых диффузоров показаны на рис. 2, где представлена зависимость относительного момента, действующего на стенку, от угла . Здесь за базу для сравнения был принят момент силы на 7° симметричном диффузоре и к нему были отнесены все остальные моменты.

В симметричном диффузоре максимальный момент, действующий на стенки, достигается при =7° (кривая 3), что хорошо согласуется с известными данными о наибольшей эффективности диффузоров именно при этом угле раскрытия проточной части. Переход к асимметричному диффузору, когда одна стенка оставалась параллельно продольной оси, а отклонялась только противоположная стенка, вызвал заметную асимметрию в распределении давлений по рассматриваемым стенкам. На вертикальной (неотклоненной) стенке имело место плавное увеличение давления вдоль всей поверхности, а на отклоненной давление в основном увеличивалось только на первой половине стенки. Соответственно, момент силы на вертикальной стенке по сравнению с симметричным диффузором заметно увеличился и его максимум несколько сместился в сторону больших значений угла , а на отклоненной стенке упал и его максимальное значение

Рис. 2 График относительных моментов плоского диффузора: 1 – одностороннее раскрытие, усилия на вертикальной пластине; 2 – одностороннее раскрытие, усилия на отклоненной пластине; 3 – двустороннее раскрытие

было зафиксировано при =5°.

Приведенные зависимости указывают на развитие сильной поперечной асимметрии течения в диффузоре с односторонним раскрытием канала.

Динамическая составляющая сил, действующая на стенки диффузора, определяется главным образом пульсациями давления, которые имеют место в его проточной части. Проведенные измерения показали, что при всех углах наибольшие пульсации потока имеют место вблизи входного сечения в диффузор, причем их максимальное значение было получено в диффузоре с углом =15°. Развитие пульсаций давления вдоль стенок этого диффузора хорошо видно на соответствующих осциллограммах, приведенных на рис. 3 а), в), д), ж). Необычно высокие пульсации давления во входном сечении диффузора связаны с резким изменением на небольшом участке знака продольного градиента давления и теми структурными изменениями в пограничном слое, которые при этом происходят.

Спектрограммы рассматриваемых пульсаций давления, приведенные в правой части рис. 3 а), в), д), ж), указывают на большую роль

низкочастотных пульсаций давления вдоль диффузорного канала.

Полученные при проведении этой серии опытов коэффициенты корреляции между показаниями датчиков, установленных на противоположных стенках, показали в области больших пульсаций давления очень высокую связь между этими показаниями. Эта связь существенно ослабевает по мере снижения амплитуды пульсаций давления.

Изменения, которые происходят в структуре потока при изменении угла должны влиять на уровень динамических сил, действующих на стенки диффузорных каналов. Указанная связь отчетливо прослеживается на осциллограмме усилий, измеренных на одной из стенок исследуемых плоских диффузоров (рис. 4).

При =0 динамическая составляющая измеряемой силы близка к нулю.

Ситуация меняется при переходе к диффузорному каналу с углом =7° (рис. 4а).

Во-первых, в связи с высоким диффузорным эффектом, на плоских стенках возникают большие статические усилия, направленные к оси канала.

Во-вторых, несмотря на безотрывный характер течения, в пристеночной области происходит увеличение пульсаций давления, что на рассматриваемой осциллограмме отражается в виде заметного увеличения динамических составляющих измеряемой силы.

Отмеченное возрастание динамических нагрузок на стенках плоского диффузора при отсутствии отрыва потока связано, видимо, с интенсификацией низкочастотных турбулентных пульсаций.

С увеличением угла раскрытия диффузора происходит дальнейший рост динамических составляющих интегральной силы на обтекаемой стенке и снижение средней величины силы (рис. 4в), несмотря на увеличение по сравнению с предыдущими случаями степени расширения канала. Как и следовало ожидать, в соответствии с рассмотренными выше осциллограммами пульсаций давления максимальная амплитуда пульсаций измеряемой силы достигается при угле =15° (рис. 4д) и составляет почти 100% от среднего значения силы.

 а) б) в) г) д) е) ж) з) -5 а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
Рис. 3 Осциллограммы пульсаций давления на стенке плоского 15 диффузора: а), б) ; в), г) ; д), е) ; ж), з) с гладкими стенками: a), в), д), ж); с продольным оребрением: б), г), е), з)


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.