Широкоугольные плоские, конические и осесимметричные кольцевые диффузоры
Владельцы патента RU 2763634:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") (RU)
Предлагаются широкоугольные плоские, конические и кольцевые осесимметричные диффузоры с углами раскрытия αi 10° и степенями расширения свыше ni=2, отличающиеся тем, что внутреннее обтекаемые поверхности их внешних обводов выполняются узкими и относительно глубокими канавками прямоугольной формы с шириной не более 2 мм при глубине не более 7 мм, равномерно расположенными по всей обтекаемой поверхности с толщиной стенок между канавками (перегородками) ~ 0,5 мм, причем в конических и кольцевых диффузорах при достижении вдоль продольной оси толщин стенок между канавками s=2 мм на последующих обтекаемых поверхностях диффузоров число продольных канавок увеличивается. Возникновение отрыва потока от обтекаемой поверхности оказывается существенно сниженным, что способствует преодолению больших положительных продольных градиентов давления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области энергетического машиностроения и посвящено повышению эффективности широкоугольных диффузоров, являющихся элементами как проточных частей турбомашин, так и важным элементом трубопроводных систем ТЭС и АЭС.
Диффузоры являются простейшим устройством, обеспечивающие преобразование кинетической энергии потока рабочей среды в потенциальную энергию и от эффективности такого преобразования зависят как экономичность, так и надежность работы тех устройств, где применяются диффузоры. В свою очередь, эффективность простейших плоских конических и кольцевых диффузоров существенно зависят от их геометрических параметров, определяющих характер течения рабочих тел в их проточных частях.
Как показали многочисленные исследования (Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин М. Энергия 1970 г. М.Е. Дейч, Зарянкин А.Е.) характер течения в указанных диффузорных каналах определяется в первую очередь углом расширения проточной части α и степенью раскрытия канала , где F1 - площадь входного сечения диффузора, a F2 - площадь выходного сечения диффузора.
Согласно известным опытным данным при α J 10° течение в рассматриваемых каналах сохраняется без отрыва потока от обтекаемых поверхностей при любых степенях расширения n, а наибольший коэффициент восстановления давления 
, (Здесь Р1 и Р2 - статические давления на входе и выходе из диффузора, а c1 - скорость во входном сечении) достигается при α=7° и n» 3е 3,5 (хmах » 0,9е 0,92).
При углах раскрытия α=10е 15° течение в диффузорах теряет стабильность и сопровождается чередованием безотрывных режимов течения с отрывным характером течения, причем частота чередования режимов по мере увеличения угла α снижается, а амплитуда колебаний скоростей и параметров потока резко возрастает.
Весь этот диапазон режимов сопровождается сравнительно умеренным снижением процесса восстановления давления (хmax » 0,85е 0,90).
При углах α i 15° наступает режим развитого отрыва потока от обтекаемых поверхностей с непрерывно снижающимся по мере увеличения угла а коэффициентом восстановления давления х, полностью исчезающего при α=60° (х=0).
В силу отмеченных причин при использовании конических диффузоров в регулирующих клапанах углы раскрытия проточных частей α не превышает 10° и такое же ограничение накладывается на конические внешние обводы кольцевых диффузоров выхлопных патрубков газовых турбин.
При таких углах α в связи с габаритными ограничениями степени расширения рассматриваемых диффузоров n не превышают 2, что ведет (с учетом неравномерно поля скоростей во входном сечении диффузоров) к снижению коэффициента восстановления давления до х=0,35е 0,4.
При этом даже при умеренной степени расширения nJ 2 осевой размер выхлопных патрубков газовых турбин с кольцевыми осесимметричными диффузорами в 2-2,5 раза превышает осевой размер собственно газовой турбины.
Из приведенных соображений совершенно ясна актуальность создания коротких широкоугольных (α i 10°) диффузоров со стабильным характером течения рабочих тел в их проточной части при сохранении высоких степеней расширения (n i 2).
Для предотвращения отрыва потока от стенок диффузоров предложено достаточно много способов как активного (отсос пограничного слоя и вдув активного потока в пограничный слой), так и пассивного (профилирование стенок диффузоров, поперечное и продольное оребрение, продольно-профильные поверхности).
Однако, для практического использования наибольший интерес представляют диффузоры с продольным оребрением обтекаемых поверхностей и продольно-профильные поверхности (Механика несжимаемых и сжимаемых жидкостей М. Издательский дом МЭИ 2014 г. Зарянкин А.Е.).
При использовании оребренных поверхностей удалось расширить диапазон стабильного течения в диффузорах с углами раскрытия α до 15° при снижении эффективности преобразования энергии на 5-7%, но при a i 15° предотвратить возникновение отрыва потока не удалось.
С этой точки зрения более перспективным способом повышения эффективности широкоугольных диффузоров представляется использование способов, меняющих условие контакта движущихся сред с обтекаемыми поверхностями, что подтвердили опыты с использованием продольно-профильных поверхностей в сопловых решетках паровых турбин (Механика несжимаемых и сжимаемых жидкостей М. Издательский дом МЭИ 2014 г. Зарянкин А.Е.).
Форма межлопаточного канала профили сопловых лопаток с продольными канавками в пределах косого среза изображены на фиг. 1, а на фиг. 2 показана зависимость коэффициента потерь энергии в решетках профилей с гладкой поверхностью (кривая 1) и в решетках с продольными в направлении движения рабочей среды канавками (кривая 2).
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - профиль сопловой решетки;
2 - выпуклая поверхность профиля;
3 - вогнутая поверхность профиля;
4 - продольная прямоугольной формы канавка на выпуклой поверхности профиля в пределах косого среза решетки;
5 - перегородка между канавками;
ABC - косой срез решетки профилей;
b1 - ширина канавок;
b2 - ширина перегородок.
В данном случае рекомендованная глубина канавок не превышает 2 мм, так как при толщине выходных кромок профиля, равных обычно 1-1,5 мм, указанные канавки при большей глубине на большом линейном расстоянии разрежут кромки.
Ширина канавок и перегородок выполняется одинакового размера (b1=b2) и приняты равными 2 мм. То есть, поперечный профиль канавок представляет собой квадрат.
На выпуклой поверхности 2 профиля 1 в зоне расположения канавок 4 (в косом срезе решетки ABC) имеет место диффузорный характер течения, где поток движется против нарастающего давления, где при больших скоростях М1t при отсутствии канавок возникает отрыв потока от стенок с кризисным возрастанием коэффициента потерь энергии (кривая 6 на фиг. 2).
При выполнении в пределах косого среза продольных канавок указанного профиля отрыва потока от такой профильной поверхности не происходит и при увеличении безразмерной скорости М1t от дозвуковых к сверхзвуковым значениям потери энергии в решетке продолжительно снижаются.
Здесь, однако, принципиальных изменений в характере взаимодействия движущийся среды с обтекаемой поверхностью в силу малой глубины канавок относительно толстых перегородок между канавками не происходит и с поверхностью контактирует турбулентный поток. Профильная поверхность только увеличивает связь потока с твердыми стенками, что и способствует при умеренных положительных профильных градиентах давления сохранить безотрывный характер течения.
В рассматриваемых плоских конических и кольцевых диффузорах действуют существенно большие продольные градиенты давления, которые должны преодолевать движущиеся рабочие среды.
Соответственно, здесь для обеспечения безотрывного течения рабочих сред необходимо использовать более радикальные способы изменения условий контакта указанных сред с обтекаемыми поверхностями.
Для решения обозначенной проблемы предлагается решение, которое иллюстрируется в случае плоского диффузора фиг. 3 и для конического диффузора фиг. 4.
На фиг. 3 приняты следующие обозначения:
6- оребренная поверхность плоского диффузора;
7- продольные прямоугольной формы канавки на обтекаемой поверхности;
8- перегородки между канавками;
h - глубина канавок;
t - шаг между канавками;
s - толщина перегородки;
α - угол раскрытия проточной части плоского диффузора.
На фиг. 4 приняты следующие обозначения:
9- конический диффузор;
10- продольные прямоугольной формы канавки на обтекаемой поверхности конического диффузоров;
11- перегородки между канавками;
h - глубина канавок;
t - шаг между канавками;
s - толщина перегородки;
α - угол раскрытия проточной части конического диффузоров.
В основе предлагаемого решения лежит следующее соображение.
Основное граничное условие при движении жидких и газообразных сред вдоль твердых поверхностей состоит в равенстве нулю на этих поверхностях скорости потока, которая затем асимптотически приближается в пределах пограничного слоя к скорости основного (не возмущенного стенкой) потока.
Соответственно, непосредственно у стенки кинетическая энергия потока близка к нулю и его движение в направлении нарастающего перепада давления в диффузорах возможно только в результате, увлекающего действия более быстрых верхних слоев жидкости на нижележащий слой, имеющей меньшую скорость.
При ламинарном режиме течения увлекающие силы вышележащих слоев жидкости (силы трения) малы и безотрывное движение в диффузорах возможно только при очень малых углах α и малых степенях расширения n.
При турбулентном режиме течения, что наиболее характерно для диффузоров, величина увлекающих сил (сил трения) оказывается на порядок выше, что и обеспечивает возможность безотрывных течений в диффузорах с углами раскрытия α J 10°.
При использовании продольных канавок малой глубины (смотри фиг. 1 прототипа) граничное условие (равенство нулю скорости потока на обтекаемой поверхности) не меняется.
Увеличивается только сила пристеночного трения между слоями жидкости.
Ситуация меняется, если резко увеличить глубину канавок и до технологически возможного уровня сократить толщину перегородок между канавками, создав щелевое течение в пристеночной области, сохранив в щелях ламинарный режим течения (ламинарный подслой).
В результате внешний (по отношению к продольно-гребенчатой поверхности) поток, имеющий большой запас кинетической энергии, будет уже контактировать не со сплошной твердой стенкой, а с жидким подслоем, не способным серьезно тормозить внешний поток. То есть, в этом случае возмущающее действия стенки на внешнее течения, которое и является главной причиной возникновения отрыва потока от обтекаемой поверхности, оказывается существенно сниженным, что способствует преодолению больших положительных продольных градиентов давления.
Основываясь на приведенных соображениях предлагается на внутренних обтекаемых поверхностях внешних обводов плоских, конических и осесимметричных кольцевых диффузорах выполнять равномерно расположение в поперечном (для плоских диффузоров) и окружном (для конических и кольцевых диффузорах) направлениях узкие и глубокие канавки прямоугольного профиля шириной не более 2 мм и глубиной не более 7 мм при технологически минимальной толщине перегородок между канавками (~0,5 мм). Для осесимметричных диффузоров при стенках расширения n i 2 при увеличении толщины перегородок до 2 мм необходимо на дальнейшей поверхности увеличение числа канавок в окружном направлении в два раза.
Использованные источники информации:
1. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин М. Энергия 1970 г.
2. Зарянкин А.Е. «Механика несжимаемых и сжимаемых жидкостей» Москва, Издательский дом МЭИ, 1916.
1. Плоский, конический или кольцевой осесимметричный диффузор с углом αi раскрытия 10° и степенью расширения ni свыше 2, отличающийся тем, что внутренние обтекаемые поверхности его внешних обводов выполняются с узкими и относительно глубокими канавками прямоугольной формы с шириной не более 2 мм при глубине не более 7 мм, равномерно расположенными по всей обтекаемой поверхности с толщиной стенок между канавками (перегородками) ~ 0,5 мм.
2. Плоский, конический или кольцевой осесимметричный диффузор с углом αi раскрытия 10° и степенью расширения ni свыше 2 по п. 1, отличающийся тем, что в коническом и кольцевом диффузорах при достижении вдоль продольной оси толщин стенок между канавками s=2 мм на последующих обтекаемых поверхностях диффузоров число продольных канавок увеличивается в 2 раза.
