Полная версия

Главная arrow Прочие arrow Безопасность в техносфере, 2015, вып. 5 (56) -

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Повышение эффективности диффузоров и снижение шума газотурбинных установок

А.Н.Арбеков, доцент, канд. техн. наук П.Б.Дермер, начальник управления Б.А. Куникеев, доцент, канд. техн. наук

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана e-mail: Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script , Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script

Ключевые слова:

газотурбинная установка, аэродинамический шум, диффузор, закрутка потока, коэффициент повышения давления, степень торможения, тангенциальный вдув, угол раскрытия диффузора.

В работе обосновано применение выхлопных и переходных диффузоров для повышения эффективности газотурбинных установок и снижения уровня шума, производимого ими. Представлена оценка методов повышения эффективности выхлопных и переходных диффузоров газотурбинных промышленных установок и сформулирована задача математического моделирования течения в коническом диффузоре с высокой степенью расширения и углом раскрытия больше критического со стабилизацией течения тангенциальным закрученным вдувом.

Введение

В настоящее время все более широкое распространение получают газотурбинные энергетические установки (ГТУ) малой и средней мощности блочномодульного исполнения. Основой для их создания чаще всего служат конвертированные авиационные и транспортные газотурбинные двигатели, особенностью которых является значительная расходная скорость при выходе из турбины (Сг= 180-250 м/с) [1-3], а для двухконтурных тригенерационных установок, созданных на базе авиационных двигателей с малой степенью двухконтурности т = 0,3-1,0 (отношением расхода воздуха во втором контуре к расходу через газогенератор), еще и за компрессором низкого давления [4, 5]. Столь высокие скорости приводят, с одной стороны, к большим потерям энергии в выхлопном устройстве, а с другой — к высокому уровню шума, генерируемого вытекающей струей, величина которого оценивается зависимостью [6, 7]:

где: рг — плотность газа за турбиной, Fr — площадь выходного сечения турбины, К — параметр, определяемый температурой струи (для высокотемпературных струй К = 44 дБ, для низкотемпературных — К =57 дБ).

Для борьбы с этими явлениями в газотурбинных установках используют выхлопной или промежуточный диффузор, в котором скорость потока снижается до приемлемого уровня (30-60 м/с). В специально спроектированных промышленных ГТУ рациональные значения скорости выхода из турбины составляют от 80 до 120 м/с, что позволяет использовать диффузоры с геометрической степенью торможения потока пг (отношение площади выходного сечения диффузора к площади входного) от 1,5 до 4,0, а в конвертированных установках ее величина колеблется в пределах от 3,0 до 8,0.

Использование диффузора позволяет увеличить теплоперепад, срабатываемый в турбине конвертированной ГТУ, на 15-31 кДж/кг при одновременном снижении уровня шума выхлопной струи на 35-65 дБ, что может позволить отказаться от специальных систем глушения шума выхлопа, особенно с учетом последующего поворота потока и установки теплообменного оборудования [1, 3-7]. Однако эффективное преобразование кинетической энергии потока в статическое давление возможно только при ограниченных углах раскрытия диффузора для заданной степени торможения потока. Так, при геометрической степени торможения потока пТ = 4 оптимальный угол раскрытия эквивалентного конического диффузора составляет 2а = 7°, а его длина достигает /д = 16D, при длине собственно ГТУ около 10 = 5где Dj — диаметр при входе в диффузор. Значительная длина диффузора определяет и большую поверхность обечайки, излучающей звук и имеющей низкую частоту собственных колебаний, что может приводить к резонансным явлениям.

Таким образом, стремление создать компактную мобильную высокоэффективную блочно-модульную установку наталкивается на необходимость сокращения длины выхлопных и переходных патрубков при сохранении его эффективности.

В большинстве ГТУ, конвертированных из авиационных и транспортных двигателей, реализованы двух-, трехвальные схемы, как с блокированными, так и со свободными силовыми турбинами. Последний случай предполагает привод нагрузки трансмиссионным валом, длина которого определяется в основном протяженностью выхлопного диффузора, что также требует сокращения длины последнего (рис. 1) [8]. Кольцевой диффузор ГТУ, состоящий из центрального тела 4 и наружной обечайки 6, начинается непосредственно за рабочим колесом последней ступени турбины 1, ротор которой опирается цапфой на радиальный подшипник 2, момент к нагрузке от которой передается фланцевой муфтой 3. Опора подшипника, передающая усилие на внешний силовой корпус ГТУ, защищена от потока горячих газов обтекаемым пилоном 5. Для обеспечения устойчивого течения при повороте потока применены лопатки Прандтля 7.

Одной из основных характеристик диффузоров является коэффициент восстановления статического дав-

Конструктивная схема кольцевого диффузора с поворотом потока

Рис. 1. Конструктивная схема кольцевого диффузора с поворотом потока

1 — рабочее колесо ГТУ, 2 — радиальный подшипник, 3 — фланец муфты привода нагрузки, 4-центральное тело, 5 - пилон,6 - наружная обечайка диффузора, 7 - лопатки Прандтля

ления, представляющий собой отношение приращения статического давления в диффузоре (р2 - р,) к динамическому напору потока при входе в диффузор рс / 2:

В нашей стране значительное количество работ, посвященных исследованию эффективности выхлопных патрубков турбомашин, было выполнено в ЦАГИ, ЦКТИ, ВТИ, МЭИ (ТУ) [9-12]. Широкий спектр работ по исследованию влияния вдува на течение в диффузорах был проведен и в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Турбостроение» (ныне «Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки») под руководством М.И. Осипова [13,14].

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>