Trojrozměrné ztráty a korelace v turbínových strojích - Three-dimensional losses and correlation in turbomachinery

Trojrozměrné ztráty a korelace v turbínových strojích odkazuje na měření tokových polí ve třech rozměrech, kde měření ztráty plynulosti toku a výsledné neefektivity se stává obtížným, na rozdíl od dvojrozměrných ztrát, kde je matematická složitost podstatně menší.

Trojrozměrnost zohledňuje velké tlakové spády v každém směru, design / zakřivení lopatek, rázové vlny, přenos tepla, kavitace, a viskózní účinky, které generují sekundární tok, víry, víry s únikem špičky a další efekty, které přerušují plynulý tok a způsobují ztrátu účinnosti. Viskózní účinky v turbosoustrojí blokovat tok vytvořením viskózních vrstev kolem profilů lopatek, což ovlivňuje nárůst a pokles tlaku a snižuje efektivní plochu tokového pole. Interakce mezi těmito účinky zvyšuje nestabilitu rotoru a snižuje účinnost turbosoustrojí.

Při výpočtu trojrozměrných ztrát se bere v úvahu každý prvek ovlivňující dráhu toku - například axiální rozestup mezi lopatkami a řadami lopatek, zakřivení koncové stěny, radiální rozložení tlakového gradientu, poměr hup / špička, vzepětí, štíhlá, vůle špičky , světlice, poměr stran, zkosení, zametání, otvory pro chlazení plošiny, drsnost povrchu a odběry. S profily čepele jsou spojeny parametry, jako je rozložení prohnutí, úhel sklonu, rozteč čepele, prohnutí čepele, tětiva, drsnost povrchu, poloměry přední a zadní hrany a maximální tloušťka.

Dvojrozměrné ztráty lze snadno vyhodnotit pomocí Navier-Stokes rovnice, ale trojrozměrné ztráty je obtížné vyhodnotit; tak, korelace je použito, což je při tolika parametrech obtížné. Korelace založená na geometrické podobnosti byla vyvinuta v mnoha průmyslových odvětvích ve formě grafů, grafů, statistik údajů a údajů o výkonu.

Druhy ztrát

Trojrozměrné ztráty se obecně klasifikují jako:

  1. Ztráty trojrozměrného profilu
  2. Trojrozměrné ztráty rázem
  3. Sekundární tok
  4. Ztráty čelní stěny v axiálním turbosoustrojí
  5. Ztráty únikovým tokem špičky
  6. Ztráty mezní vrstvy čepele

Ztráty trojrozměrného profilu

Vliv na účinnost ztrátami profilu čepele

Hlavní body, které je třeba zvážit, jsou:

  • Profilové ztráty, ke kterým dochází v důsledku zakřivení lopatek, což zahrnuje rozpětí směšování tokového pole, kromě dvojrozměrných směšovacích ztrát (které lze předpovědět pomocí Navier-Stokesových rovnic).
  • Velké ztráty v rotorech způsobené gradientem radiálního tlaku od středního rozpětí ke špičce (tok stoupající ke špičce).
  • Snížení vysokých ztrát mezi stěnou mezikruží a oblastí vůle špičky, která zahrnuje zadní hranu profilu čepele. To je způsobeno směšováním toku a redistribucí toku na vnitřním poloměru, jak tok postupuje po proudu.
  • Mezi nábojem a stěnou mezikruží jsou ztráty výrazné díky trojrozměrnosti.
  • V jednostupňovém turbosoustrojí velké ztráty radiálním tlakovým gradientem na výstupu z rotoru.
  • Chlazení platformy zvyšuje ztrátu průtoku endwallem a chladicí vzduch zvyšuje ztrátu profilu.
  • Navier-Stokes identifikuje mnoho ztrát, když jsou vytvořeny určité předpoklady, například neoddělený tok. Zde již není korelace oprávněná.

Trojrozměrné ztráty rázem

Ztráty rázem v důsledku akumulace průtoku
Generování sekundárního toku v důsledku profilu lopatky

Hlavní body, které je třeba zvážit, jsou:

  • Ztráty rázem se neustále zvyšují od náboje ke špičce čepele v obou nadzvukový a transonic rotory.
  • Ztráty rázem jsou doprovázeny ztrátami interakce šok-mezní vrstva, ztrátami mezní vrstvy v sekundárním toku profilu a vůle špičky účinky.
  • Z Machovo číslo perspektivní tekutina uvnitř rotoru je v nadzvukové fázi s výjimkou počátečního vstupu do náboje.
  • Machovo číslo se postupně zvyšuje od středního rozpětí po špičku. Na špičce je účinek menší než sekundární tok, efekt vůle špičky a efekt mezní vrstvy stěny mezikruží.
  • U turbodmychadla zvyšují ztráty rázem celkovou účinnost o 2% kvůli absenci efektu vůle špičky a přítomnosti sekundárního toku.
  • Korelace závisí na mnoha parametrech a je obtížné ji vypočítat.
  • Používá se korelace založená na geometrické podobnosti.

Sekundární tok

Hlavní body, které je třeba zvážit, jsou:

  • Rotace řady lopatek způsobuje nerovnoměrnost radiální rychlosti, stagnační tlak, stagnace entalpie, a stagnační teplota. Distribuce v tangenciálním i radiálním směru generuje sekundární tok.
  • Sekundární tok generuje dvě složky rychlosti Vy, Vz, tedy zavádění trojrozměrnosti do tokového pole.
  • Obě složky rychlosti mají za následek točení toku na zadním konci profilu lopatky, což přímo ovlivňuje nárůst a pokles tlaku v turbínovém stroji. Účinnost tedy klesá.
  • Sekundární tok generuje vibrace, hluk a třepetání kvůli nestabilnímu tlakovému poli mezi lopatkami a interakcí rotor-stator.
  • Zavádí se sekundární tok víření kavitace, což snižuje průtok, snižuje výkon a poškozuje profil čepele.
  • Je ovlivněna teplota v turbosoustrojích.
  • Korelace pro sekundární tok, daná vztahem Dunham (1970), je dán:
                   ζs = (0,0055 + 0,078 (51/C)1/2)CL2 (cos3α2/ cos3αm) (C / h) (C / S)2 (1 / cos ά1)
kde ζs = průměrný koeficient ztráty sekundárního toku; α2, αm = úhly proudění; δ1/ C = vstupní mezní vrstva; a C, S, h = geometrie lopatky.

Ztráty endwallem v axiálním toku v turbínovém stroji

Ztráty endwallu v důsledku víru

Hlavní body, které je třeba zvážit, jsou:

  • V turbíně sekundární tok nutí mezní vrstvu stěny směrem k sací straně rotoru, kde dochází k míchání hranic lopatky a stěny, což vede ke ztrátám v koncové stěně.
  • Sekundární tok nese ztráty jádra od stěny a mezní vrstvy lopatky tvorbou vírů. Špičková ztráta tedy nastává mimo endwall.
  • Ztráty v koncové stěně mají vysoký stator (Francisova turbína /Kaplanova turbína ) a lopatka trysky (Peltonova turbína ) a rozdělení ztrát se u turbíny a kompresoru liší, a to v důsledku protilehlých toků.
  • Kvůli přítomnosti vírů vznikají velké otáčení a sekundární proudění, které vytvářejí komplexní tokové pole a interakce mezi těmito efekty se zvyšuje ztráty endwall.
  • Při celkové ztrátě tvoří ztráty na koncové stěně zlomek sekundárních ztrát daných Gregory-Smithem a kol., 1998. Sekundární teorie toku pro malé soustružení toku proto selhává.
  • Korelace pro ztráty endwall v turbíně s axiálním tokem je dána vztahem:
                  ζ = ζstr + ζew     ζ = ζstr[1 + (1 + (4ε / (ρ2PROTI2/ ρ1PROTI1 )1/2 )) (S cos α2 - tTE ) / h]
kde ζ = celkové ztráty, ζstr= ztráty profilu čepele, ζew= ztráty endwall.
  • Výraz pro ztráty endwall v kompresoru s axiálním tokem je dán vztahem:
                η = ή (1 - (δh* + δt*) / h) / (1 - (F.θh + Fθt ) / h)
kde η = účinnost v nepřítomnosti mezní vrstvy endwall, kde h označuje hub a t označuje tip. Hodnoty Fθ a 5* jsou odvozeny z grafu nebo grafu.

Ztráty únikem špičkou

Ztráty úniku špičky v důsledku špičky koncovky

Hlavní body, které je třeba zvážit, jsou:

  • Rotace rotoru v turbosoustroji vyvolává tlakové rozdíly mezi protilehlými stranami profilu lopatky, což vede k úniku špičky.
  • U rotoru turbosoustrojí způsobuje mezera mezi stěnou mezikruží a lopatkou únik, ke kterému rovněž dochází v mezeře mezi rotujícím nábojem a statorem.
  • Přímá ztráta objemem vůle, protože na kapalinu se nepřenáší žádný moment hybnosti. Takže se nedělá žádná práce.
  • Únik a jeho interakce s dalšími ztrátami v poli toku je složitá; a proto má na špičce výraznější účinek než sekundární tok.
  • Únikový tok vyvolal trojrozměrnost, jako je smíchání únikového toku s tvorba víru, proces strhávání, difúze a konvekce. Výsledkem je ztráty aerodynamiky a neefektivnost.
  • Únik špičky a ztráta vůle představují 20–40% celkových ztrát.
  • Účinky chlazení v turbínách způsobují vibrace, hluk, chvění a vysoké namáhání lopatek.
  • Únikový tok způsobuje nízký statický tlak v oblasti jádra, což zvyšuje riziko kavitace a poškození lopatky.
  • Rychlost úniku se udává jako:
                QL = 2 ((strstr - Ps ) / ρ)1/2
  • Průtokový list úniku v důsledku rychlosti vyvolané vírem je uveden v Rains, 1954:
               a / τ = 0,14 (d / τ (C.L )1/2 )0.85
  • Celková ztráta clearance je dána dvěma rovnicemi -
               ζL ~ (C.L2 * C * τ * cos2β1 ) / (A * S * S * cos2βm )
               ζŽ ~ (5S* + δP* / S) * (1 / A) * ((C.L )3/2) * (τ / S)3/2PROTIm3 / (V.2 * V12 )

Viz také

Reference

  • Kapitola 4,5,6 In Dynamika tekutin a přenos tepla od Budugura Lakshminarayany
  • Dynamika tekutin a přenos tepla, autor: James George Knudsen, Donald La Verne Katz
  • Turbomachinery: Design and Theory (Marcell Dekker) od Rama S.R. Gorla
  • Handbook of Turbomachinery, 2nd Edition (Mechanical Engineering, No. 158) Earl Logan, Jr; Ramendra
  • Turbínové kompresory a ventilátory od S M Yahya
  • Principy turbosoustrojí od R K Turtona
  • Fyzika toku turbodmychadel a dynamický výkon Meinharda Schobeirila
  • Torzní vibrace turbodmychadla od společnosti Duncan Walker
  • Analýza výkonnosti turbosoustrojí R. I. Lewisem
  • Fluidní stroje: výkon, analýza a design od Terryho Wrighta
  • Mechanika tekutin a termodynamika turbosoustrojí od S L Dixona a C.A Hall
  • Dynamika turbostrojů od A. S. Rangwaly

Časopisy

  • K. F. C. Yiu; M. Zangeneh (2000). "Trojrozměrná automatická metoda optimalizace pro návrh lopatek turbosoustrojí". Journal of Propulsion and Power. 16 (6): 1174–1181. doi:10.2514/2.5694.
  • Piotr Lampart. „Netěsnost trysek v turbínách“ (PDF). Úkol čtvrtletně. 10: 139–175.
  • Horlock J H, Lakshminarayana B (1973). „Sekundární toky: teorie, experiment a aplikace v aerodynamice turbosoustrojí“. Roční přehled mechaniky tekutin. 5: 247–280. doi:10.1146 / annurev.fl.05.010173.001335.
  • D. R. Waigh; R. J. Kind (1998). "Vylepšená aerodynamická charakteristika pravidelné trojrozměrné drsnosti". AIAA Journal. 36 (6): 1117–9. doi:10.2514/2.491.
  • J. D. Denton; W. N. Dawes (1998). "Výpočetní dynamika tekutin pro konstrukci turbínového stroje". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 213 (2): 107–124. doi:10.1243/0954406991522211.

externí odkazy