Отрывные течения в диффузорных каналах и методы повышения эффективности диффузорных элементов проточной части трубомашины Дмитриев, Сергей Сергеевич

Введение к работе

Актуальность работы: Одним из перспективных путей повышения аэродинамической эффективности проточной части турбин является совершенствование диффузорных частей систем подвода и отвода рабочего тела.

Эффективное восстановление давления в диффузоре ограничивается возникновением отрыва потока. При этом отрывной режим течения снижает не только экономичность, но и надежность работы турбомашини.

На сегодняшний день нет ясности относительно механизма развития отрыва турбулентного пограничного слоя, особенно в области неустановишегося отрыва. В этой связи важно разработать и о-босновать такую модель возникновения отрыва, которая учитывала бы главные факторы, его вызывающие. Только в этом случае возможно достаточно точно оценить область безотрывного течения в диффузоре на стадии его проектирования и эффективноно применять существующие методы управления потоком в диффузорном канале.

Исследование отрывных течений в натурных тубомашинах - дело весьма трудоемкое и дорогое. Поэтому на сегодняшний день экспериментальное исследование моделей - практически единственный способ получения достоверных аэродинамических характеристик диффузоров, используемых в проточной части турбины. В этой связи представленные в работе экспериментальные исследования отрывных течений являются актуальными, а разработка новых методов обеспечения безотрывного течения представляет практический интерес.

Целью представленной работы являлось:

1. Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование изменений характеристик турбулентного пограничного слоя при переходе из области устойчивого безотрывного' течения через область перемежающегося отрыва к полностью установившемуся отрыву и уточнение механизма развития отрыва потока от гладкой стенки.

2. Сравнительное иследование существующих методов управления потоком в диффузорных каналах с целью повышения эффективности их применения.

3. Разработка и исследование новых методов повышения эффективности диффузорных каналов за счет увеличения зоны безотрывного

- 4 -течения.

4. Экспериментальное исследование течения в моделях выходных патрубков и разработка рекомендаций по повышению эффективности систем выхлопа реальных ГТУ. Научная новизна результатов, полученных автором, состоит в

следующем:

4. Показано, что при переходе течения в пограничном слое вниз по потоку от безградиентного в область повышающегося давления все изменения характеристик слоя направлены на сохранение исходного безотрывного течения. При этом течение в пограничном слое стремится к равновесному или энергетически сбалансированному состоянию.

5. Предложена и обоснована с точки зрения принципа максимальной устойчивости осредненных турбулентных течений (ПМУ) модель возникновения отрыва турбулентного пограничного слоя.

6. Проведено сравнительное исследование различных методов управления пограничным слоем и даны рекомендации по применению их в диффузорных каналах.

4. Предложены и исследованы новые способы управления потоком в
диффузорных каналах при нетрадиционном размещении дополни
тельных поверхностей внутри канала, позволяющие существенно
повысить эффективность работы плоских диффузоров (на 20 %).
Достоверность и обоснованность результатов. Применение обос
нованных методик экспериментальных исследований, тщательная та
рировка и калибровка измерительных средств и проведенная оценка
погрешностей измерений дают основание утверждать, что получен
ные экспериментальные данные достоверны. Достоверность и обос
нованность результатов подтверждается их хорошей повторяемостью
при проведении контрольных измерений.

Основные научные выводы подтверждаются также сравнительным а-нализом полученых в работе данных с результатами аналогичных измерений, опубликованными в отечественной и зарубежной литературе.

Практическая ценность работы определяется тем, что:

7. Предложенная модель возникновения отрыва турбулентного пограничного слоя позволяет уточнить основные факторы, определяющие возникновение отрыва, что дает возможность учесть их влияние на стадии проектирования проточной части турбомашини.

8. На основании проведенных сравнительных исследований различных

- 5 -методов управления пограничным слоем даны рекомендации по оптимальному применению их в диффузорных каналах.

3. Предложенные и исследованные новые способы управления потоком в диффузорных каналах при нетрадиционном размещении пластин внутри канала могут найти применение при проектировании широкоугольных диффузоров для теплообменных аппаратов ГТУ.

4. На основе проведенных исследований даны практические рекомендации по повышению эффективности осевых и осерадиалных выходных патрубков ГТУ.

Личный вклад автора. Автором проведен обзор литературы и проанализированы опубликованные данные по теме диссертации, проведены экспериментальные исследования, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные.

Предложена и обоснована модель развития отрыва турбулентного пограничного слоя с соответствующим анализом физических явлений, происходящих в предотрывноя области слоя.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:

1. На Всесоюзной конференции "Современные проблемы механики и технологии машиностроения", апрель, Москва, 1989 г.

2. На XLIV научно-технической сессии по проблемам газовых турбин, сентябрь. Москва, 1997. г.

3. На заседании кафедры паровых и газовых турбин МЭИ. февраль, Москва. 1998 г.

4. На заседании секции паровых турбин НТС АО "НПО ЦКТИ", апрель, Санкт-Петербург, 1998 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано более 10 научных статей, тезисы 2 докладов и выпущено 3 научно-технических отчета по НИР

Автор защищает

5. Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований изменений характеристик турбулентного пограничного слоя, предшествующих возникновению отрыва потока в канале и модель возникновения отрыва турбулентного пограничного слоя, основанную на анализе полученных результатов.

6. Экспериментальные результаты иследований различных методов управления потоком в диффузорных каналах и основанные на них предложения по их эффективному использованию.

- 6 -3. Возможность расширения зоны безотрывного течения в диффузор-ных каналах при нетрадиционной установке внутри канала дополнительных пластин.

Структура и объем работы Диссертация изложена на 221 странице, включает 169 страниц машинописного текста, иллюстрируется 91 рисунком и состоит из введения, пяти глав, каждая из которых заканчивается промежуточными выводами, заключения и списка использованных источников из 114 наименований.