Повышение эффективности выходных диффузоров газотурбинных установок


с. 1
Повышение эффективности выходных диффузоров

газотурбинных установок
Авторы: Трухин О.А., Григорьев Е.Ю. (ИГЭУ)

Научный руководитель: д.т.н., проф., Зярянкин А.Е. (МЭИ(ТУ))
Анализ технико-экономических показателей (ТЭП) работы современных ГТУ, работающих как стационарно, так и в составе ПГУ показывает значительные резервы повышения этих показателей на выходных диффузорных участках этих установок.

Диффузоры являются неотъемлемыми элементами газовых турбин, позволяя снизить сопротивление выхлопного патрубка турбомашины, а, как следствие, и давление за последней ступенью. Для современных мощных высокотемпературных газовых турбин возможность снижения давления за последней ступенью с 1,05 бар до 0,92 ÷ 0,94 бар ведет к увеличению мощности турбины на 4–6%.

Однако габариты диффузоров могут заметно превышать размеры самой газовой турбины. При этом возникает серьезная проблема с обеспечением вибрационной надежности всего выхлопного тракта турбины и всей установки в целом.

В ряде случаев уровень вибрации нагруженных стенок диффузоров достигает недопустимо высоких значений, вызывающих, в конечном счете, появление трещин на внешнем обводе диффузора и даже разрушение опор диффузорного патрубка.

В основе возникновения высоких динамических нагрузок на стенках диффузоров лежат чисто аэродинамические причины, обусловленные характером течения внутри проточной части диффузора.

В настоящее время указанная проблема решается путем увеличения жесткости самих диффузоров за счет роста толщины стенок, а так же установки дополнительных опор. Другими словами борьба идет с последствиями, а не с причиной возникновения динамических нагрузок на стенках диффузоров.

В практике отечественного и зарубежного турбостроения по указанным выше причинам используют диффузоры с предельными углами раскрытия стенок до 10°, что сдерживает возможности для повышения аэродинамической эффективности данных отсеков и всей ГТУ в целом.

Приведенные соображения достаточно убедительно свидетельствуют об актуальности задачи по созданию новых диффузоров ГТУ с низким уровнем вибрации и высоким аэродинамическим совершенством.

Исследования проводились в лаборатории «Аэродинамики турбомашин» кафедры Паровых и газовых турбин Ивановского Государственного Энергетического Университета.

Был создан специальный экспериментальный стенд для исследования влияния особенностей течения рабочей среды за последней ступенью газовой турбины на течение в последующем выхлопном кольцевом диффузоре.

Установка позволяет исследовать влияние геометрических, режимных параметров и начальной неравномерности поля скоростей (закрутка потока, радиальная неравномерность) на аэродинамические характеристики диффузоров и их вибрационное состояние.

Программа испытаний кольцевого диффузора предусматривает определение коэффициента полных потерь диффузора, профиля скоростей на выходе из диффузора и вибрационных характеристик наружной стенки испытуемого канала.

Исходными объектами исследования являются модели кольцевых диффузоров газовых турбин с прямолинейными образующими, геометрические характеристик представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Геометрические характеристики исходных диффузоров



Угол раскрытия внешенй образующей стенки α1 , град

Угол раскрытия внутренней образующей втулки α2 , град

Входной диаметр, мм

Степень расширения n

7

0

100

2

15

0

100

2

15

0

100

4

Параллельно велись испытания новых диффузоров с теми же геометрическими характеристиками, что и в таблице 1, но с новыми системами стабилизации потока и снижения вибрации.

Среди способов снижения вибрации стенок диффузоров было предложено два наиболее перспективные с точки зрения технической реализации: установка перфорированных экранов около внешнего обвода и применение продольного внутреннего оребрения.

Суть продольного оребрения в кольцевом диффузор, показанного на рисунке 1 , состоит в установке вдоль обтекаемой поверхности 1 клиновидных ребер 2 с расположением их вершин во входном сечении. Для диффузора с углом раскрытия внешней образующей α1=150 и степенью расширения n=4 использовалось так же оребрение и с подрезкой (пунктирная линия) начиная со степени расширения канала n=2

На рисунке 2 показана схема установки перфорированного экрана-диффузора. Для исключения протечек в зазоре внешняя стенка - перфорированный диффузор (δ=5 мм) решено было использовать ватную набивку.









Рисунок 1. Кольцевой диффузор с внутренним оребрением, где 1- внешняя поверхность, 2 – ребро.

Рисунок 2. Кольцевой диффузор с устанновленным внутренним перфорированным коническим диффузором, где 1- внешняя поверхность, 2 – перфорированный конический диффузор.

На первом этапе исследований рассматривалось влияние геометрических параметров диффузоров и закрутки потока, свойственной при течении за турбинной ступенью (угол φ), в их входном сечении на восстановительную способность диффузоров (рисунок 3.а) и их вибрационные характеристики (рисунок 3.б).



а)



б)

Рисунок 3 а)- Изменение коэффициента полных потерь ζп =f(φ),

б)-Изменение виброскорости c/c0=f(φ), где

1- диффузор α1=70 n=2; 2- α1=150 n=2; 3-α1=150 n=4; 4- α1=150 n=4 оребрение с подрезкой; 5- α1=150 n=4 с перфорир. экраном.


Из представленных графиков видно, что при одинаковой степени расширения n=2 отказ от использования в выходных диффузорах ГТ каналов с углом раскрытия диффузора α1=70 (кривая 1) и переход к диффузору с углом раскрытия α1=150 (кривая 2) не дает значительных изменений в отношении гидравлического сопротивления (рисунок 4.а) и изменения вибрационных характеристик (рисунок 4.б). Однако переход к диффузору с углом раскрытия α1=150 дает уменьшение длины выхлопного диффузора ГТ более чем в 2 раза.

Одним из путей уменьшения гидравлическим потерь может являться переход к использованию диффузора с углом α1=150 , но со степенью расширения n=4. Причем необходимо отметить, что длина диффузора в таком случае практически равна длине диффузора с α1=70 n=2.

Действительно, применение диффузора с α1=150 и n=4 позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление в более чем 1,5 раза (кривая 3), но при рассмотрении результатов исследований вибрации стенок канал (рисунок 3.б) очевидно, что такой канал использован без систем снижения вибрации быть не может (кривая 3), уровень вибрации превышает аналогичный по длине диффузор с углом раскрытия α1=70 и степенью расширения n=2 в более чем 5-6 раз.

Изменить сложившуюся ситуацию позволило введение системы оребрения в проточную часть диффузоров (кривые 4, 5, 6,7, рисунок 3.а. и б.).

Необходимо признать, что введение системы оребрения в проточную часть диффузоров привело к некоторому росту коэффициента полных потерь ζп на всех моделях, хотя этот рост нельзя назвать критическим.

С другой стороны оребрение диффузора привело к снижению всех виброхарактеристик, рисунок 3.б. Причем, для оребренного диффузора α1=150 n=4, выполненного по схеме с подрезанными ребрами (кривая 8), наблюдается снижение виброскорости более чем в 2,5 раза, а для безотрывных диффузоров с α1=70 и α1=150 при n=2 (кривые 4 и 5) снижение в среднем всего на 30%. Клиновидное оребрение в диффузоре с большой степенью расширения n=4 и углом раскрытия α1=150 показало худший результат как по приросту коэффициента полных потерь Δζп, так и по виброхарактеристикам (кривые 6, рисунки 3.а и б.), по всей видимости это связано с повышенным взаимодействием потока с довольно большими ребрами.

Вторым способом снижения вибрации может быть применение защитных перфорированных экранов. Испытания широкоугольного диффузора с α1=150 n=4 с защитным экраном и ватной набивкой, показали очень высокую эффективность применения данного способа защиты от вибрации стенок канала, вибрационные характеристики уменьшились в 3-4 раза (рисунок 3.б кривая 8), а применение ватной набивки позволило получить диффузорный эффект сопоставимый с тем же диффузором, но при системе продольного оребрения с подрезкой.

На следующем этапе исследования рассматривалось влияние радиальной неравномерности потока во входном сечении диффузоров на их работу. Результаты также показали высокую эффективность применения оребрения и экранирования в широкоугольных диффузорах.

Так как исследования эффективности новых выходных диффузорных систем ГТУ проводилось на модельных диффузорах физическим и численным методами при соблюдении подобия (геометрическое, кинематическое подобие) с натурными диффузорами ГТУ, то результаты возможно перенести на реальные выходные диффузоры.

В качестве прототипа к использованию новых широкоугольных диффузорных патрубков были выбраны газовые турбины ОАО НПО «Сатурн» ГТД-100 и Mitsubishi M701F4 мощностью 300. Исходный вариант для второй турбины показан на рисунке 4.а состоит из кольцевого диффузора и последующего конического, модернизированный (показано без компрессора) на рисунке 4.б

Вариант применения продольно-оребренного диффузора дает возможность увеличение угла раскрытия внешней образующей с α1=100 до α1=150, что при сохранении длины диффузора позволяет увеличить степень расширения почти в 1,4 раза и снизить коэффициент полных потерь в 1,3 раза.




а)





б)

в)

Рисунок 4. Газовая турбина Mitsubishi M701F4 а- исходный вариант, б- с новым диффузорным патрубком (продольное оребрение), в- 3D модель нового диффузора. здесь: 1- выходной диффузор с углом 15° и степенью расширения n=4, 2-ребра.

Вторым эффективным средством гашения виброактивности диффузоров является применение перфорированных экранов, устанавливаемых в пристеночную область с защищаемым диффузором (рисунок 5)





а)

б)

Рисунок 5. Газовая турбина Mitsubishi M701F4 а - с новым диффузорным патрубком (внутренний экран), б- 3D модель нового диффузора, здесь: 1- выходной диффузор с углом 15° и степенью расширения n=4, 2-перфорированный экран-диффузор (желтым цветом показана набивка минеральной ваты в зазоре между 1 и 2 ).

В качестве промежуточного вещества для ликвидации протечек во втором варианте диффузора предлагается использовать минеральную вату. Минеральная вата одновременно является тепловой изоляцией диффузора, снижая потери в окружающую среду. Таким образом, термоизоляцию возможно выполнить внутри диффузорного патрубка при сохранении потерь с окружающим воздухом, либо использовать внутреннюю набивку минеральной ватой как первую ступень общей изоляции диффузора, что приведет к снижению потерь.

На дальнейшем этапе по внедрению новых диффузорных систем необходимо реализовать пилотный проект по установке нового диффузора при модернизации существующего оборудования ГТУ, либо вводе нового.



Наиболее удачным место (близость расположения к разработчикам) для реализации первого проекта реконструкции выходной системы ГТУ является станция филиала ОАО «ИНТЕР РАО» «Ивановские ПГУ» с блоками ПГУ-325, где проблема обеспечения вибрационной надежности выхлопа ГТУ стоит особенно остро. К тому же на данной станции существует экспериментальный стенд по испытаниям газовых турбин ГТД-110. В случае удачных испытаний диффузорных систем, лучшая из них может быть внедрена сразу на двух станциях, где основным оборудованием является ГТД-110: Ивановские ПГУ (2 блока ПГУ-325), Рязанская ГРЭС (блок ПГУ-420).

с. 1

скачать файл