ВЫХОДНОЙ КОЛЬЦЕВОЙ ДИФФУЗОР ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и предназначена для использования в выхлопном тракте газотурбинной установки, но может быть использована и в других видах турбомашин.
Широко известны кольцевые диффузоры (например, Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин, Москва. Энергия. 1970 г. стр. 291-300) наиболее часто применяемые в выходных патрубках газотурбинных установок и состоящие из внешней образующей и опирающейся на нее через опорные стойки внутренней образующей.
1
2
1
1
2
п
Недостатком указанных устройств является низкая эффективность преобразования кинетической энергии потока газов, покидающих газовую турбину, в потенциальную из-за того, что при малых углах раскрытия внешней образующей α=7°÷10° степень расширения диффузора n=F/F, где F - входная площадь, F - выходная площадь диффузора, при сохранении разумной осевой длины составляет не более 2÷2,5. Коэффициент полных потерь ζ таких диффузоров обычно лежит в диапазоне 50÷60%.
1
1
Снизить указанный коэффициент потерь при сохранении осевой длины диффузора возможно путем увеличения угла раскрытия до 15°÷20°, но при α>7° течение в диффузором канале теряет стабильность, а при α>10° наступает отрыв потока в диффузоре, вызывающий резкое снижение его эффективности, а также появление высоких динамических нагрузок на его стенки, что ведет к снижению надежности работы установки, где используется диффузор (Григорьев Е.Ю. Новые методы стабилизации течения в плоских, конических и кольцевых диффузорах / Е.Ю. Григорьев, А.Е. Зарянкин, Д.Е. Бузулуцкий, П.С. Трухин О.А. // Вестник ИГЭУ, выпуск 5. - 2012. - С. 5-9). Предотвратить этот недостаток можно только путем добавочного внешнего воздействия на движущуюся среду.
Известен «Диффузор, имеющий возможность струйного исполнительного регулирования» (Патент на изобретение РФ №2357088, МПК F01D 25/30, 2009), содержащий продольную ось, вход диффузора, отводящий раструб, имеющий стенку диффузора, проем в стенке диффузора, расположенный вблизи входа диффузора, криволинейный канал, расположенный вблизи проема, и независимый вспомогательный компрессорный узел. Независимый вспомогательный компрессорный узел подсоединен к криволинейному каналу. Криволинейный канал искривлен выпукло относительно продольной оси и предназначен для введения дополнительной струи в проем вдоль стенки диффузора для поддержания дополнительной струи вдоль этой стенки с использованием эффекта флотации. Криволинейный канал и проем выполнены с возможностью введения дополнительной струи через проем под контролируемыми, для обеспечения максимальной эффективности диффузора, первым углом относительно стенки диффузора и вторым углом относительно основного потока, проходящего вдоль продольной оси диффузора.
Недостатком указанного устройства является необходимость использования дополнительного компрессорного узла, что ведет к увеличению затрат энергии, сопоставимых с получаемым дополнительным эффектом прироста мощности в газотурбинной установке от предлагаемого диффузора. В случае использования схемы отбора рабочей среды из промежуточной ступени турбины это ведет к недовыработке мощности газотурбинной установкой.
Известен «Диффузор наземного или авиационного газотурбинного двигателя» (Патент на изобретение РФ №2318122, МПК F01D 25/30, 2008), расположенный между последней ступенью турбины и выпускной секцией выходного устройства и содержит наружную кольцевую стенку и внутреннюю кольцевую стенку, образующие кольцевой проход для текучей среды, расширяющийся в направлении истечения этой текучей среды. По меньшей мере одна из кольцевых стенок содержит несколько отверстий, открытых в указанный кольцевой проход и выходящих, по меньшей мере, в одну коллекторную камеру, которая сопряжена для снижения скорости движения указанной текучей среды в указанном кольцевом проходе со средствами вывода части указанной текучей среды на наружную сторону диффузора. Диффузор дополнительно содержит всасывающие средства для отбора подлежащей выводу части текучей среды.
Недостатком указанного диффузора является необходимость использования дополнительного устройства для организации отсоса рабочей среды из пограничного слоя. Кроме того, как показывают многочисленные исследования (например, Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. Энергоатомиздат. Москва. 1984, стр.281-286) осуществить отсос части пограничного слоя технологически достаточно сложно.
Эффективной мерой стабилизации течения является геометрическое воздействие на течение вблизи стенки, где может возникнуть отрыв потока.
Известен диффузор (патент на изобретение РФ №2469214, МПК F04D 29/44, F04D 29/54, F03B 11/00, 2012 г.), принятый за прототип. Плоский, конический или кольцевой диффузор, содержит внутренний и внешний обводы, на обтекаемых поверхностях внешних обводов устанавливаются продольные клиновидные ребра, внешние свободные кромки которых устанавливаются параллельно продольной оси диффузора, причем вершина клиновидных ребер располагается во входном сечении диффузора на уровне минимального входного размера внешнего обвода, а внутренние кромки ребер повторяют профиль внешнего обвода диффузора. При относительной длине конических и кольцевых диффузоров продольные клиновидные ребра устанавливаются по всей длине внутренней поверхности диффузора, а при длина ребер L1 составляет от 40 до 60% общей длины диффузора L (L1=(0,4÷0,6)L), причем меньшие значения длин ребер относятся к диффузорам с большей общей длиной L, где D1 - внутренний диаметр внешнего обвода во входном сечении.
Недостатки данного диффузора:
1. При наличии закрученного потока на входе в диффузор при мощном клиновидном оребрении в диффузоре возникают срывные течения с образованием большого количества вихревых структур с тыльной стороны ребер по отношению к движению потока, как следствие ухудшение технико-экономических показателей работы такого диффузора.
2. Большие клиновидные ребра под действием потока сильно раскачиваются, ухудшая тем самым вибрационные показатели работы диффузора.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности за счет устранение отмеченных недостатков.
1
1
1
Технический результат достигается тем, что в выходном кольцевом диффузоре для газовой турбины, содержащем внутренний и внешний обводы, на обтекаемой поверхности внешнего обвода, по всей длине внутренней поверхности диффузора установлены продольные ребра, внутренний обвод выполнен цилиндрической формы, внешний обвод выполнен коническим с углом раскрытия α=10-20°, ребра выполнены в форме трапеции высотой h, определяемой по соотношению h/D=0,0086, где h - высота трапеции, D - внутренний диаметр внешнего обвода диффузора со стороны входа в диффузор, длина большего основания трапеции соответствует длине внутренней поверхности диффузора, кромка ребра со стороны входа в диффузор является боковой стороной трапеции и параллельна продольной оси диффузора, кромка ребра со стороны выхода из диффузора является боковой стороной трапеции и расположена в плоскости выходного сечения диффузора.
На фиг. 1 представлен изометрический разрез выходного кольцевого диффузора, на фиг. 2 профиль трапециевидного ребра, на фиг. 3 приведены графики зависимости коэффициента полных потерь от угла закрутки потока на входе в диффузор, на фиг. 4 приведены графики зависимости относительного виброускорения внешнего обвода диффузора от угла закрутки потока на входе в диффузор.
1
1
1
1
Выходной кольцевой диффузор для газовой турбины (фиг. 1) состоит из внешнего обвода 1 диффузора, конической формы, с углом раскрытия α=10-20°, и внутреннего обвода 2, цилиндрической формы, соединенных опорными стойками 3. На обтекаемой поверхности внешнего обвода 1, по всей длине внутренней поверхности диффузора установлены продольные ребра 4. Количество продольных ребер определяется межреберным углом установки на развертке внешнего обвода в 5° и округляется до ближайшего целого значения. Продольные ребра 4 (фиг. 2) выполнены в форме трапеции высотой h, определяемой по соотношению h/D=0,0086, где h - высота трапеции, D - внутренний диаметр внешнего обвода диффузора со стороны входа в диффузор. Длина большего основания трапеции 5 соответствует длине внутренней поверхности внешнего обвода 1, кромка ребра 6 со стороны входа в диффузор является боковой стороной трапеции и параллельна продольной оси диффузора, т.е. угол между кромкой ребра 6 и основанием трапеции 5 равен 0,5·α. При этом длина кромки ребра 6 будет соответствовать длине от входа в диффузор до поперечного сечения внешнего обвода, соответствующего коэффициенту расширения диффузора n=2. Кромка ребра 7 параллельна кромке 5 и является верхним основанием трапеции. Кромка ребра 8 со стороны выхода из диффузора является боковой стороной трапеции и расположена в плоскости выходного сечения диффузора.
Выходной кольцевой диффузор для газовой турбины работает следующим образом. При работе газовой турбины газовый поток продуктов сгорания попадает в выходной кольцевой диффузор, где его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную за счет непрерывно увеличивающейся по длине площади проходного сечения. Поток, попадая в каналы, образованные трапециевидными продольными ребрами 4 и внешним обводом 1 изолируется. В случае, если в каком-то канале происходит отрыв потока от внешнего обвода 1 под действием положительного градиента давления, образуются вихри, которые разрушаются о стенки продольных ребер 4. Таким образом, вихревое течение не развивается по всей проточной части диффузора, а локализуется в отдельном канале. В целом снижение количества и интенсивности вихревых структур потока приводит к снижению пульсаций потока, и, как следствие, к снижению уровня вибрации обводов диффузора.
Отличительный признак, а именно установка указанных трапециевидных продольных ребер 4, описанной геометрии, образующих каналы на обтекаемой поверхности внешнего обвода 1 обеспечивает разрушение вихрей, которые образуются в результате отрыва потока от внешнего обвода диффузора. В случае начальной закрутки потока на входе в диффузор, применения заявляемого технического решения, позволяет исключить образование больших срывных течений с боковых поверхностей ребер.
На фиг. 3 и фиг. 4 приведены графики, полученные экспериментальным путем, зависимости коэффициента полных потерь и зависимости относительного виброускорения внешнего обвода диффузора от угла закрутки потока на входе в диффузор.
Проведенные аэродинамические испытания на моделях кольцевых диффузоров в условиях начально закрученного потока от 0° до 20° и представлены на фиг. 3 и фиг. 4.
1
1
1
1
На фиг. 3 кривая 9 соответствует изменению коэффициента полных потерь в диффузоре с углом раскрытия α=7° и степенью расширения n=2 от начального угла закрутки потока φ, 10 - соответствует характеру изменяя коэффициента полных потерь в диффузоре с углом α=15° и n=4, 11 - в диффузоре с α=15° и n=4 и наличием системы клиновидного оребрения диффузора взятого в качестве прототипа, 12 - в диффузоре с α=15° и n=4 и системой трапециевидного оребрения внешнего обвода.
1
На фиг. 4 в качестве параметра оси ординат выбрано относительное значение виброускорения c/c0 внешних обводов рассматриваемых диффузоров, здесь c - значение виброускорения рассматриваемого диффузора при данном начальном угле закрутки потока, c0 - значение виброускорения на внешнем обводе диффузора с углом раскрытия α=1° и степенью расширения n=2 при осевом входе рабочего тела.
1
1
1
1
На фиг. 4 кривая 13 соответствует изменению относительного значения виброскорости внешнего обвода в диффузоре с углом раскрытия α=7° и степенью расширения n=2 от начального угла закрутки потока φ, 14 - соответствует характеру изменяя относительного значения виброскорости внешнего обвод в диффузоре с углом α=15° и n=4, 15 - в диффузоре с α=15° и n=4 и наличием системы клиновидного оребрения диффузора взятого в качестве прототипа, 16 - в диффузоре с α=15° и n=4 и системой трапециевидного оребрения внешнего обвода.
п
Представленные зависимости на фиг. 3 и фиг. 4 показывают, что при использовании системы трапециевидного оребрения коэффициент полных потерь (ζ) (кривая 12 фиг. 3) оказывается ниже, чем при оребрении выполненном как в рассматриваемом прототипе (кривая 11 фиг. 3), на 4÷7% в зависимости от начальной закрутки; уровень относительного значения виброскорости внешнего обвода кривая 16 (фиг. 4) оказывается ниже в 2,0÷2,5 раза, чем в случае использования клиновидного оребрения и в 1,5-2 раза ниже, чем при отсутствии оребрения в таком же канале (кривая 14).
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет стабилизировать течение рабочей среды и снизить уровень вибрации обводов в кольцевом диффузоре, т.е. повысить надежность работы выходных отсеков газотурбинных установок.