В.И. МАСЛОВ
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра ‘'Квантовая электроника”
Аэродинамическое совершенствование проточной части мощных паровых турбин в настоящее время является одним из основных методов повышения эффективности работы всей паротурбинной установки.
В представленной работе исследовалась структура аэродинамического поля потока в первой ступени цилиндра высокого давления (ЦВД) при неравномерном распределении по радиусу параметров потока на входе (углов атаки, скорости, давления) и ее влияние на эффективность ступени. Исследования проводились методом численного моделирования с помощью пакета программ ANSYS CFX -11.
Исследовались три расчетные модели для последующего сравнения результатов. Расчетная модель представляет собой сектор, вырезанный из проточной части натурной турбины. Модель №1 соответствует камере регулирующей ступени (рис.1), модель №2 является первой ступенью давления, состоящей из направляющего аппарата (НА) и лопаточного аппарата рабочего колеса (рис.2 и рис. 3), а модель № 3 включает в себя камеру регулирующей ступени и первую ступень давления (рис.4).
Модель камеры создавалась в приложении ANSYS Workbench , ее сетка элементов выполнялась с помощью программы ANSYS CFX - Mesh , а модели лопаточных аппаратов и их сетки в программах BladeGen и TurboGrid .
Образование модели ступени вместе с камерой и задание начальных условий происходило в программе CFX - pre . Анализ результатов расчета осуществлялся в CFX - post с использованием встроенных средств визуализации (см. Рис1-4).
Сетка модели камеры состояла из 400000 элементов, а направляющего и рабочего аппаратов – из 250000 в каждом. Количество НЛ - 47 шт., высота - 0,046 м , относительный шаг - 0,97. Количество РЛ - 94 шт., высота - 0,046 м , относительный шаг - 0,50. Рабочие лопатки выполнены реактивными и без бандажа.
Сделано допущение, что параметры потока равномерно распределены по окружности, и имеется только их радиальная неравномерность с тангенциальной закруткой потока против направления вращения ротора.
Аэродинамическое поле формируется подобием процессов в расчетной области модели и в натурной проточной части. Реализованы геометрическое, кинематическое и динамическое подобия.
Начальные условия : рабочее тело – воздух; расход рабочего тела - 15 кг/ c ; угол тангенциальной закрутки потока на входе в камеру равен 28,1 градусов (против направления вращения ротора);статическое давление, равное опорному давлению, на выходе из расчетной области - 18 МПа; скорость потока на поверхности стенок модели равна нулю; условия периодичности на боковых стенках; частота вращения ротора – 3000 об/мин; число Маха<1; модель турбулентности для основного потока k-epsilon, а для учета пограничного слоя - scalable ; условия сопряжения для непрерывного перехода параметров потока через границы стыков.
В ступени давления присутствуют потери на выравнивание потока из-за радиальной составляющей скорости, его радиальной неравномерности, центростремительной силы и от больших углов атаки на входе в направляющий аппарат (НА). Радиальная составляющая скорости меняет свой знак не только вдоль спинки и корытца профиля от корня к периферии, но и по ширине канала. Образуется радиальное течение , которое имеет разную радиальную направленность и наблюдается по всей высоте канала (рис. 5). Профильные потери, состоят из потерь на трение и кромочных потерь. Потери трения связаны с пограничным слоем вблизи поверхности лопаток, а кромочные с аэродинамическим следом. На профильные потери в рабочем аппарате влияет форма профиля, относительный шаг лопаток, угол атаки потока. Концевые потери и потери от утечек рабочего тела не учитывались.
Рис. 5 График изменения по радиусу максимального значения относительной радиальной составляющей скорости вдоль линии от спинки профиля до середины канала между НЛ, расположенной на расстоянии 0,61* b от входной кромки, отнесенного к местной средней скорости потока, где. b -хорда профиля.
Все значения динамических параметров потока откладывались вдоль осей в относительных величинах. Вдоль горизонтальной оси - относительная координата по высоте проточной части (от корня к периферии). По вертикальной оси - найденное значение параметра, осредненное на определенном радиусе по шагу лопаток в конкретном сечении, и отнесенное к значению того же параметра, но вычисленному по осредненному расходу в том же сечении. Радиальная неравномерность давлений подсчитывалась по формуле 
, где Р- давление, 
- плотность воздуха. Радиальная неравномерность скорости вычислялась как 
, где 
средняя местная скорость потока.
На выходе из камеры регулирующей ступени все параметры потока имеют значительную неравномерность по радиусу (табл.1).
Поток имеет существенную тангенциальную закрутку, противоположную по отношению к направлению вращения ротора и НА обтекается с большими положительными углами атаки (от 20 до 35 градусов), что отрицательно сказывается на обтекании НЛ и приводит к возрастанию потерь располагаемой кинетической энергии потока.
В модели №3 значительные углы атаки потока (20-35 градусов) и перепад давлений на входной кромке создают высокую вероятность отрыва потока от спинки профиля в среднем сечении. В модель № 2 поток входит под углом 90 градусов.
Радиальная неравномерность параметров потока на входе и выходе из НА модели №3 значительно больше, чем в модели №2 (табл.1).
Радиальная проекция скорости потока в НА модели №3 составляет намного большую долю от средней местной скорости по сравнению с моделью №2, что приводит к значительному дополнительному увеличению потерь располагаемой кинетической энергии потока (табл. 2).
Лопаточный аппарат рабочего колеса обоих моделей обтекается со значительными и почти одинаковыми углами атаки ( 8-14 градусов в модели №2 и 8-10 градусов в модели №3), перепад давлений так же без явных отличий, так что вероятность отрыва потока со спинки профиля РЛ одинакова в обоих случаях.
Вдоль выпуклой и вогнутой поверхностей профиля РЛ нет заметного отличия в характере распределения радиальной составляющей скорости потока (табл. 2).
Вывод
В результате выполненного численного моделирования с использованием средств визуализации обнаружено, что радиальная неравномерность потока на выходе из камеры регулирующей ступени значительно влияет на структуру потока только в направляющем аппарате первой ступени давления ЦВД, увеличивая потери располагаемой кинетической энергии потока и уменьшая эффективность ступени.
Список литературы
1. Кириллов И.И. Теория турбомашин. Л., Машиностроение, 1972. 532 с.
2. Щегляев А.В. Паровые турбины, ГЭИ, М.- Л. 1955, 32 с.