Диффузор, имеющий возможность струйного исполнительного регулирования

Диффузор, имеющий возможность струйного исполнительного регулирования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к схеме струйного исполнительного регулирования, а конкретно к диффузору, имеющему возможность струйного исполнительного регулирования для обеспечения улучшенной рабочей характеристики диффузора.

Обычно максимальное отношение выходной и входной площадей выхлопного диффузора газовой турбины (а значит и глубина эффективной диффузии потока, выходящего из последней ступени турбины) ограничено соображениями отрыва потока и/или допустимой осевой длины диффузора. Диффузор продемонстрирует оторванный поток, если расширение будет слишком быстрым (большой угол диффузора) или отношение площадей диффузора будет слишком большим.

Для некоторой заданной длины диффузора отношение площадей определяется углом расширения диффузора. Максимальный прилежащий угол, который может быть допустимым перед наступлением существенного отрыва потока, обычно составляет порядка десяти градусов. Для диффузоров, длина которых не ограничена, максимальное отношение площадей, которое может быть допустимым перед наступлением существенного отрыва потока, в общем случае составляет порядка 2,4 (это частное от деления выходной площади на входную площадь). Для присоединяемого потока восстановление давления является функцией отношения площадей и увеличивается с увеличением этого отношения площадей. В случае выхлопных систем турбин любое ограничение, накладываемое на отношение площадей выхлопного диффузора, накладывает ограничение на максимальное количество работы, которая может быть получена от турбины.

Конструкция, которая допускала бы увеличенные углы диффузии без отрыва потока в пределах той же самой или меньшей осевой длины, могла бы обеспечить увеличенные отношения площадей, улучшенное восстановление давления и повышенный кпд газовой турбины. В случае систем, которые уже имеют приемлемое восстановление давления, результатом могла бы стать значительно уменьшенная длина диффузора. В настоящее время выхлопная диффузионная система на газовой турбине F-класса занимает приблизительно половину габаритной длины газовой турбины.

И, наконец, рабочая характеристика диффузора, поскольку она связана с восстановлением давления, в значительной степени зависит от профиля потока на входе диффузора. В случае типичной газовой турбины F-класса профиль потока на входе изменяется как функция нагрузки машины и количества вырабатываемой мощности. Диффузоры турбин конструируют с обеспечением возможности достижения наивысшего восстановления давления в рабочих условиях полной нагрузки. В условиях частичной нагрузки, ввиду возникающих непредусмотренных профилей потока на входе и происходящих в результате этого отрывов потока, восстановление давления диффузора может ухудшаться с коэффициентом, равным трем.

Аналогично, на выхлопную систему паровой турбины накладываются геометрические ограничения, а также ограничения, обусловленные соображениями отрыва потока. Например, осевую длину колпака с нисходящим потоком нельзя увеличить без изменения несущего пролета ротора машины, а максимальное отношение площадей, допускаемое по направляющему проточному каналу пара перед тем как происходит отрыв потока, дает низкое значение коэффициента восстановления - 0,3 для всего выхлопного колпака. Для одного типа осевого диффузора, используемого в газовых турбинах, максимальный прилежащий угол, который может быть допустимым перед тем, как происходит существенный отрыв (и потери), составляет порядка 10-15 градусов. Это соображение, наряду с ограничениями, накладываемыми на длину диффузора, ограничивает коэффициент восстановления давления в выхлопной системе величиной 0,25-0,3.

Разработанные ранее варианты, которые считаются улучшающими рабочую характеристику диффузора по сравнению с обычными конструкциями, предусматривают использование делительных лопаток, турбулизаторов и пленочных оребренных покрытий стенок, предназначенны для снижения сопротивления трения. Недостаток делительных лопаток заключается в увеличении поверхностного трения (а значит и потерь) и надлежащей работе лишь при однородных потоках на входе. Входное завихрение, например, может существенно ухудшить рабочую характеристику. Турбулизаторы и другие пассивные устройства нуждаются в сердцевинном потоке с большим количеством движения для подпитки пограничного слоя и задержки отрыва. В принципе они, по-видимому, не смогут привести к существенному улучшению рабочей характеристики, если (что и происходит в действительности) профиль потока на входе диффузора ниже по течению от последней ступени турбины значительно скошен и характеризуется большими областями текучей среды с малым количеством движения, находящимися в окрестности точки отрыва. Доказательства улучшения рабочей характеристики диффузора благодаря использованию ребер и/или пленочных оребренных покрытий, предназначенных для снижения сопротивления трения, на стенках отводящего раструба диффузора являются сомнительными.

Известен диффузор, имеющий возможность струйного исполнительного регулирования и содержащий продольную ось, вход диффузора, отводящий раструб, имеющий стенку диффузора, проем в стенке диффузора, расположенный вблизи входа диффузора, и криволинейный канал, расположенный вблизи проема, искривленный выпукло относительно продольной оси и предназначенный для введения дополнительной струи в проем вдоль стенки диффузора для поддержания дополнительной струи вдоль этой стенки с использованием эффекта флотации (см., например, патент России 2053373 от 27.01.1996).

Однако данный диффузор не обеспечивает достаточного улучшения рабочей характеристики диффузора.

Задачей настоящего изобретения является улучшение рабочей характеристики диффузора, имеющего возможность струйного исполнительного регулирования.

Согласно изобретению создан диффузор, имеющий возможность струйного исполнительного регулирования и содержащий продольную ось, вход диффузора, имеющий ширину, отводящий раструб, имеющий стенку диффузора, проем в стенке диффузора, расположенный вблизи входа диффузора, и криволинейный канал, расположенный вблизи проема, искривленный выпукло относительно продольной оси и предназначенный для введения дополнительной струи в проем вдоль стенки диффузора для поддержания дополнительной струи вдоль этой стенки с использованием эффекта флотации, и независимый вспомогательный компрессорный узел, подсоединенный к криволинейному каналу, при этом 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.

Диффузор может содержать множество проемов, распределенных по окружности стенки диффузора.

Диффузор может иметь осевую часть, расположенную внутри диффузора и имеющую проем для дополнительной инжекции текучей среды в диффузор.

Множество проемов в стенке диффузора могут быть распределены равномерно.

Диффузор может дополнительно содержать кольцевой коллектор, установленный вокруг окружности внешнего корпуса диффузора, собирающий текучую среду из внешнего источника и распределяющий эту текучую среду в проемы в стенке диффузора.

Проем в стенке диффузора может быть круглым проемом, имеющим диаметр от 0,02 до 0,05 ширины входа диффузора, или кольцевой щелью, имеющей высоту от 0,015 до 0,02 ширины входа диффузора.

Диффузор может дополнительно содержать воздуховод, направляющий воздух из турбины, расположенной выше по течению, в криволинейный канал.

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными и понятными специалистам в данной области техники после изучения нижеследующего подробного описания и чертежей, на которых показано следующее:

фиг.1 показывает схему двухмерного диффузора со струйным исполнительным регулированием (продувкой на входе);

фиг.2 показывает эпюру осевой скорости, полученную посредством компьютерного моделирования двухмерного диффузора без струйного исполнительного регулирования;

фиг.3 показывает эпюру осевой скорости, полученную посредством компьютерного моделирования двухмерного диффузора со струйным исполнительным регулированием (продувкой на входе);

фиг.4 показывает график зависимости восстановления давления от отношения массовых расходов при инжекции для двухмерного диффузора;

фиг.5 показывает схему выхлопного диффузора для газотурбинного двигателя;

фиг.6 показывает график двух распределений полного давления на входе, используемых для исследования диффузора численными методами;

фиг.7 показывает график зависимости Ср от числа Маха для диффузора, имеющего стойки, включающий результаты экспериментального и численного моделирования;

фиг.8 показывает график зависимости Ср от числа Маха для диффузора без стоек и радиальных лопаток;

фиг.9 показывает эпюры скоростей широкоугольного (14 градусов) кольцевого диффузора при отсутствии и наличии продувки на входе;

фиг.10 показывает упрощенную схему диффузора, представленного на фиг.5;

фиг.11 показывает схему выхлопного кольцевого диффузора, выполненного с дополнительной возможностью струйного исполнительного регулирования (продувки на входе) с использованием забора воздуха из турбины;

фиг.12 показывает график зависимости параметра Wвыигр/Wтурб, %, от отношения массовых расходов, %, для диффузора, выполненного с дополнительной возможностью струйного исполнительного регулирования с использованием забора воздуха из турбины;

фиг.13 показывает схему выхлопного кольцевого диффузора, выполненного с дополнительной возможностью струйного исполнительного регулирования (продувки на входе) с использованием независимого вспомогательного компрессора в качестве источника продувки;

фиг.14 показывает график зависимости параметра Wвыигр/Wтурб, %, от отношения массовых расходов, %, для диффузора, выполненного с дополнительной возможностью струйного исполнительного регулирования с использованием независимого вспомогательного компрессора в качестве источника продувки;

фиг.15 показывает схему углов, используемых для определения направления инжекции через дырки;

фиг.16 показывает схему щели/дырки для обеспечения продувки с эффектом флотации;

фиг.17 показывает схему выхлопного кольцевого диффузора, выполненного с дополнительной возможностью струйного исполнительного регулирования (продувки на входе) с использованием окружающего воздуха в качестве источника продувки;

фиг.18 показывает схему модели широкоугольного двухмерного диффузора с продувкой на входе;

фиг.19 показывает график зависимости измеренного значения Ср от отношения измеренных массовых расходов для модели диффузора, показанной на фиг.18;

фиг.20 показывает вид сбоку модели широкоугольного (14 градусов) кольцевого диффузора, показанного частично, в котором обеспечивается продувка на входе;

фиг.21 показывает вид сбоку модели широкоугольного (14 градусов) кольцевого диффузора, в котором обеспечивается продувка на входе;

фиг.22 показывает перспективный вид модели широкоугольного (14 градусов) кольцевого диффузора, в котором обеспечивается продувка на входе;

фиг.23 показывает установку с моделью диффузора, представленной на фиг.20-22;

фиг.24 показывает график, на котором сравниваются результаты экспериментального и компьютерного моделирования;

фиг.25 показан эскиз осевого диффузора паровой турбины, выполненного с дополнительной возможностью струйного исполнительного регулирования;

фиг.26 показывает эскиз выхлопного колпака с нисходящим потоком паровой турбины, выполненного с дополнительной возможностью струйного исполнительного регулирования.

В предложенной конструкции применяется струйное исполнительное регулирование для обеспечения возможности проектирования диффузоров турбин с одним или всеми нижеследующими признаками: при некотором заданном значении отношения площадей эта конструкция позволяет укоротить диффузоры для уменьшения их стоимости и минимизации длины турбины; при некотором заданном значении длины турбины обеспечивается увеличение угла раструба (отношения площадей) для улучшения рабочей характеристики диффузора и увеличения кпд турбины; обеспечивается возможность установки струйных исполнительных механизмов старой конструкции на существующие диффузоры для улучшения рабочей характеристики при любых рабочих условиях (например, в условиях полной нагрузки и частичной нагрузки).

Ниже показано, что за счет применения струйного исполнительного регулирования к оторванному потоку диффузора можно значительно улучшить восстановление давления выхлопного диффузора в разных рабочих условиях.

Описание схемы струйного исполнительного регулирования, предназначенной для улучшения рабочей характеристики диффузора, можно провести применительно к идеализированной геометрии двухмерного диффузора. Результаты численного моделирования потока рассматриваются ниже. Для исследуемых случаев нужно отметить, что основной поток диффузора отрывается на входе отводящего раструба основного контура ввиду большого угла диффузора.

На фиг.1 показан диффузор 10, имеющий первый конец 12 и второй конец 14. Первый конец 12 ограничивает вход 16 диффузора, который принимает основной поток 18 из газовой или паровой турбины или иного двигателя, расположенного выше по течению от первого конца 12. Хотя основной поток 18 показан проходящим вдоль продольной оси 20 диффузора 10, следует понять, что основной поток 18 заполняет всю ширину w входа 16 диффузора. Диффузор 10 также включает стенку 22 отводящего раструба диффузора, ограничивающую отводящий раструб 23. Рабочая характеристика (восстановление давления) диффузора зависит от отношения площадей поперечных сечений диффузора. Поскольку поток пограничного слоя, возникающий вдоль стенок диффузора, остается присоединенным к поверхностям стенок, большее отношение площадей приводит к улучшенному восстановлению давления. При заданной длине отношение площадей диффузора 10 определяется углом α, который стенка 22 диффузора образует с осью 20 диффузора. Кроме того, при заданном отношении площадей длина диффузора определяется углом α. Увеличение угла α при заданном отношении площадей приводит к более короткому диффузору с сопутствующими выходами в отношении стоимости. Однако в типичном случае отрыв пограничного слоя от стенок 22 диффузора вынуждает делать угол α меньше оптимального из соображений рабочей характеристики. Чтобы уменьшить размер областей отрыва и тем самым увеличить восстановление давления вдоль широкоугольного диффузора 10, осуществляют инжекцию дополнительных установившихся воздушных потоков 24 одновременно из двух малых (по сравнению с толщиной основной струи) продольных щелей 26, расположенных вдоль нижней и верхней стенок у входа 16 диффузора 10. При надлежащей конструкторской проработке инжекционных щелей 26 создаются пристенные струи 24 малой толщины, параллельные верхней и нижней стенкам 22 отводящего раструба диффузора, как показано на фиг.1. Полное давление (а значит и массовый расход и количество движения) струйных исполнительных механизмов (дополнительных потоков 24) предполагается управляемым.

Аэродинамическое взаимодействие между основным потоком 18 диффузора и дополнительными пристенными струями 24 существенно изменяет общую картину течения. Пристенные струи 24 питают слой 28 сдвига, который образуется между сердцевинным потоком и потоком рециркуляции, вызывая задержку отрыва потока как такового. Сердцевинный поток расширяется, как показано стрелкой 30, в направлении поперек потока, и достигается большее восстановление статического давления. Как будет описано ниже, уменьшение размера области отрыва и соответствующее увеличение диффузии зависит от отношения между массовой скоростью при инжекции и массовой скоростью основного потока диффузора.

Представлены результаты численного моделирования, которые доказывают, что метод струйного исполнительного регулирования с использованием дополнительных пристенных струй 24, показанных на фиг.1, обеспечивает улучшение рабочей характеристики диффузора. В качестве меры рабочей характеристики диффузора можно использовать статическое давление на входе 16 диффузора. Поскольку статическое давление на выходе диффузора обычно является фиксированным, меньшее статическое давление на выходе турбины (входе 12 диффузора) достигается путем увеличения восстановления вдоль отводящего раструба 23, а именно путем уменьшения размера областей отрыва (и соответствующих потерь) внутри диффундирующего потока или путем исключения отрыва по всему широкоугольному диффузору.

На фиг.2 показаны эпюра 40 осевой скорости и эпюра 50 статического давления для потока в двухмерном диффузоре с углом (α) 15 градусов. Хотя двухмерный диффузор не является реально воплощаемым конкретным вариантом осуществления, результаты компьютерного моделирования дают примерное представление об эффективности схемы струйного исполнительного регулирования, описанной выше. Обращаясь к фиг.1 в связи с описанием частей диффузора 10, отмечаем, что высота на входе, например параметр w входа 16, составляет 2,7 дюйма, а длина L стенок 22 отводящего раструба составляет 25 дюймов для исследуемого диффузора (фиг.2-4). Полное абсолютное давление основного потока 18 составляет 15,1 фунтов-сил на квадратный дюйм (фн-с/кв.д), а давление на выходе, то есть статическое давление на втором конце 14 диффузора 10, является фиксированным в атмосферных условиях (это абсолютное давление составляет 14,7 фн-с/кв.д). Большая область 42 отрыва (белая зона на эпюре, показанной на фиг.2), которая возникает на входе 16 отводящего раструба 23, характеризует поток. В результате имеющейся картины 42 отрыва сердцевинный поток 44 присоединяется на верхней стенке, и восстановление давления оказывается минимальным, о чем можно судить по эпюре 50. Число Маха на входе составляет приблизительно 0,26.

На фиг.3 изображены эпюра 60 осевой скорости и эпюра 70 статического давления для потока диффузора с углом 15 градусов в случае инжекции дополнительной параллельной пленки (струи). Условия стагнации и статическое давление на выходе для основного потока 18 являются такими же, как при моделировании, отображенном на фиг.2. Полное абсолютное давление дополнительных пленок (например, дополнительных пристенных струй 24, как показано на фиг.1) составляет 15,1 фн-с/кв.д, а высота щелей, измеренная перпендикулярно продольной оси 20, составляет 0,16 дюйма. Как явствует из фиг.3, эпюра 60 скорости не подтверждает наличие потока рециркуляции где-либо в пределах очертаний диффузора, а статическое давление во входной секции 16 диффузора гораздо меньше, чем в случае инжекции пленки (фиг.2) (диапазон давления, указанный на фиг.2, является таким же, как указанный на фиг.3, для обеспечения возможности непосредственного сравнения рабочих характеристик). Эпюра 60 скорости недвусмысленно иллюстрирует аэродинамическое взаимодействие, происходящее между основным потоком 18 и дополнительными струями 24: «крылья» (пристенные струи) текучей среды, движущейся с большой скоростью, возникают рядом со стенками, тогда как сердцевина основного потока расширяется в направлении поперек потока вдоль осевой линии 20. Ввиду большего восстановления давления, о чем можно судить на основании эпюры 70 и на том основании, что статическое давление на выходе диффузора является фиксированным, соответствующее основному потоку 18 число Маха на входе увеличивается приблизительно до 0,55 (как и массовый расход).

Таким образом, имеется возможность манипулировать потоком с большой массовой скоростью посредством широкоугольного диффузора, осуществляя инжекцию малых дополнительных воздушных потоков при полном давлении, приблизительно равном давлению стагнации основного потока 18. Важно отметить, что количество движения дополнительной струи 24 (один из принципиальных параметров, который определяет интенсивность аэродинамического взаимодействия) зависит от отношения давлений от края до края щели 26 (т.е. от числа Маха для щели), а не только от давления инжекции. Поскольку общая картина потока изменяется из-за аэродинамического взаимодействия между пленками (струями) 24 и основным потоком 18, размер области отрыва уменьшается, и поэтому уменьшается статическое давление на входе 16 отводящего раструба 23. Характерное для дополнительных струй 24 число Маха на входе увеличивается из-за большего отношения давлений от края до края щели 26 (полное давление в щели является фиксированным), как и количество движения, обусловленное инжекцией. Интересно отметить, что, судя по результатам, отображенным на фиг.3, поток в щели дросселируется (число Маха равно 1).

Параметром, важным для соображений, связанных с применением, является отношение массовых скоростей (средняя массовая скорость дополнительных струй, деленная на массовую скорость основного потока, при этом массовая скорость может быть измерена, например, в килограммах в секунду или в фунтах в час), необходимое для достижения определенного уровня рабочей характеристики диффузора.

На фиг.4 отображена зависимость параметра 102 рабочей характеристики диффузора от отношения 104 массовых скоростей (т.е. от отношения массовых расходов). Полностью присоединенный поток и большое восстановление давления достигаются для отношения Рстатич/РО <0,85 (т.е. для значения, расположенного ниже линии 106, показанной на фиг.4). На графике 100 также показана для справок точка 108, соответствующая нулевой инжекции (и полностью оторванному основному потоку). Восстановление давления возрастает монотонно (статическое давление на входе уменьшается при фиксированном статическом давлении на выходе и полном давлении на входе) с увеличением отношения массовых расходов. Коме того, меньшее статическое давление на входе достигается при полном абсолютном давлении инжекции, равном 15 фн-с/кв.д, а не при полном абсолютном давлении 19 фн-с/кв.д (при фиксированной высоте щели 0,08 дюйма), что демонстрируется точками 110 и 112 соответственно. Это явно указывает на меньшую эффективность струйного исполнительного регулирования при существенном увеличении полного давления продувки. Более того, при абсолютном давлении Р0(пленки)=15 фн-с/кв.д и h=0,08 дюйма достигается разное восстановление давления, зависящее от начальных условий. Как показано на фиг.4, больший массовый расход при инжекции и большее восстановление давления получаются, если полное абсолютное давление при инжекции сначала устанавливают на уровне 30,2 фн-с/кв.д, а потом уменьшают до 15 фн-с/кв.д, а не в случае, если полное абсолютное давление в щели, составляющее 15 фн-с/кв.д, используется на всем протяжении вычислений (что демонстрируется точками 110 и 114 на фиг.4). Возможно это является результатом аэродинамического гистерезиса, что может быть выгодно в случае, когда большое полное давление при инжекции нельзя с удобством поддерживать в течение длительного времени, но можно прикладывать в течение короткого времени при запуске.

Для улучшения рабочей характеристики выхлопного диффузора газовой турбины можно использовать дополнительную пристенную продуваемую струю 24, а также всасывание. Предлагаются агрессивные очертания диффузора, то есть больший прилежащий угол для заданной длины и более короткие диффузоры для заданного отношения площадей, в которых управление потоком, описанное выше в связи с фиг.1-4, применяется для того, чтобы предотвратить отрыв и воспользоваться потенциальным увеличением восстановления давления по сравнению с обычными конструкциями. Теперь будут описаны вопросы, связанные с источником продувки и/или всасывания и геометрией продувающих и/или всасывающих отверстий, важные для практического внедрения технологии управления потоком в кольцевые выхлопные системы наземных газовых турбин с простым циклом и комбинированным циклом.

Рабочая характеристика наземных газовых турбин часто страдает недостаточным восстановлением давления посредством выхлопной системы. В типичном случае максимальное отношение выходной и входной площадей выхлопного диффузора газовой турбины (а следовательно, и степень эффективной диффузии потока и восстановления давления после последней ступени турбины) ограничено из соображений отрыва потока и/или допустимой осевой длины диффузора. Диффузор продемонстрирует оторванный поток, если расширение будет слишком быстрым (при углах диффузора более десяти градусов) или отношение площадей диффузора будет слишком большим (более 2,4). Любое ограничение, накладываемое на отношение площадей, накладывает ограничение на максимальное количество работы, которая может быть получена от турбины.

На фиг.5, приводимой лишь в качестве примера, показан выхлопной диффузор 120, используемый в машине 7ЕА фирмы General Electric, однако должно быть ясно, что посредством предлагаемой схемы продувочного исполнительного регулирования можно наделить дополнительными возможностями и другие выхлопные системы, а конкретные примеры, приводимые в данном описании, не следует считать ограничивающими различные возможности для приложений. Геометрия выхлопной системы, показанная на фиг.5, представляет собой пример выхлопного диффузора, длина которого ограничена присутствием генератора ниже по течению.

Для рассмотрения фиг.5-9 необходимо дать следующие определения, приводимые применительно к фиг.5:

безразмерный радиус

Rбезр=(R-Rвнутр)(Rвнешн-Rвнутр);

коэффициент восстановления давления (в нижеследующей формуле Р - статическое давление, а Р0 - полное давление):

Ср=(Рвых-Рвх)(РОвх-Рвх);

полное давление при инжекции Р0В;

удельный массовый расход при инжекции mB;

удельный массовый расход в основном потоке диффузора m;

отношение удельных массовых расходов mR=mB/m;

высота инжекционной щели h.

На фиг.6 показан график распределения 130 полного давления на входе диффузора, на котором построена зависимость полного давления Р0 132 от безразмерного радиуса 134 Rбезр. Показаны три варианта распределения потока на входе, т.е. профиль полного давления, определенный с помощью системы автоматизации конструкторской проработки потоков (САКПП, который представляет собой аппарат анализа средств проектирования для рабочих условий реальной машины 7ЕА), симметричное распределение полного давления (используемое для проверки робастности схемы по отношению к разным распределениям потока на входе) и равномерное распределение Р0 на входе.

На фиг.7 показан график 140 зависимости коэффициента Ср 142 восстановления давления (определение которого приведено выше) от числа Маха, 144, для номинального диффузора, имеющего выпуклую геометрию стоек. В число отображаемых данных включены результаты испытаний и компьютерного моделирования (расчетной динамики текучей среды, РДТС) для диффузора машины 7ЕА, представленного в рамках масштабированной модели и модели в натуральную величину («натурной» модели). Отмечено, что профиль Р0 на входе существенно влияет на рабочую характеристику диффузора. Перепады рабочей характеристики заметны для «слабых» профилей на входе (например, профиля на входе, полученного с помощью САКПП). Аналогичным образом на фиг.8 показан график 150 зависимости (результаты РДТС) коэффициента Ср 142 от числа Маха 144 для диффузора машины 7ЕА, не имеющего стоек, радиальных лопаток на выходе и завихрения на входе. Эти графики показывают, что результаты для масштабированной модели применимы к машинам, представляемым натурными моделями и показывают робастность методики РДТС по отношению к выбору граничных условий на выходе.

При агрессивной (с увеличенным углом стенок) геометрии кольцевого диффузора инжекция струй с большими количествами движения осуществляется параллельно стенке отводящего раструба диффузора и возможна вдоль стенки осевой части для подпитки потока пограничного слоя и предотвращения отрыва. Можно проектировать диффузоры с более агрессивными формами (т.е. с увеличенным отношением площадей), результатом чего будет улучшение восстановления давления и рабочей характеристики машины. Варианты источника продуваемого воздуха включают ступени турбины, расположенный выше по течению независимый вспомогательный компрессорный узел (который может причинять меньшие неудобства из-за меньшей температуры продуваемого воздуха), ступени компрессора, расположенные выше по течению, и окружающий воздух (наибольшая выгода от последнего варианта заключается в том, что он не причиняет никаких неудобств в течение цикла двигателя).

На фиг.9 показаны эпюры скорости, построенные на основании результатов компьютерного моделирования потока, полученных с помощью модели кольцевого диффузора с углом 14 градусов. При отсутствии продувки через щели 182 (эпюра 180) (конфигурация сдвоенных щелей, высота щелей 0,035 дюйма, число Маха 0,53, симметричный профиль Р0 на входе, давление р окружающего воздуха на выходе) на рабочую характеристику диффузора негативно влияет отрыв потока от внешней стенки: Ср составляет лишь 0,65. При введении продувки через щели 182 (эпюра 184) отрыв потока от внешней стенки исключается, и Ср составляет 0,88, что соответствует увеличению коэффициента восстановления давления на 35%.

На фиг.10 показана схема выхлопного диффузора 120, представленного на фиг.5, имеющего номинальный угол 8 градусов стенки отводящего раструба (конфигурация, используемая в настоящее время на газовой турбине 7ЕА), где Р0 и Т0 обозначают полное давление и полную температуру, m - удельный массовый расход, а Рокр - статическое давление на выходе. Ввиду ограничения по длине коэффициент восстановления составляет лишь примерно 0,5-0,6 (фиг.7, 8). Для улучшения рабочей характеристики при заданной осевой длине угол стенки отводящего раструба увеличивают от номинального значения 8 градусов до значения 14-15 градусов с соответствующим увеличением отношения площадей, как показано в усовершенствованном диффузоре 160 на фиг.11. Чтобы предотвратить отрыв, на входе диффузора по окружности внешней стенки и в осевой части можно применять продувку. Как показано на фиг.11, воздух, продуваемый на входы 162, 164, можно отводить из самой турбины 166. Турбина 166 может включать одно, два или более отверстий 168, 170, отделенных от основного выхода 172 турбины, через которые проходит основной поток. Отверстия 168, 170 могут вести к входам 162, 164 через каналы 174, 176, которые могут быть трубчатыми и изогнутыми, как показано на чертеже. Кольцевые коллекторы, расположенные вдоль окружности внешней стенки и осевой части в местах инжекции, используются для сбора и отстоя воздуха относительно высокого давления и создания условий для равномерной продувки через входы 162, 164. Как подробнее обсуждается ниже, в качестве выхлопных отверстий 168, 170 турбины и продувочных отверстий 162, 164 на входе диффузора можно использовать одну или более кольцевых щелей или обособленных дырок, расположенных по окружности вдоль внутренней и внешней стенок. Ввиду большего отношения площадей и отсутствия оторванного потока, полное давление Р0' и полная температура Т0' в диффузоре 160 меньше, чем полное давление Р0 и полная температура Т0 номинального диффузора 120. Следовательно, имеется увеличение работы, получаемой от турбины 166.

Активные продувочные работы для условий «слабого» потока на входе диффузора - это работы, превалирующие на выходе диффузора типичной газовой турбины (фиг.6, профиль, определенный с помощью САКПП), при этом мощность продувки можно регулировать до достижения соответствия рабочим условиям реальной машины. Ухудшение рабочей характеристики во времени не происходит, а активная система управления требует нетрудоемкого технического обслуживания. Как описано в связи с фиг.11, вариант забора воздуха из турбины с активной продувкой требует проведения, главным образом, работы по отводу воздуха.

На фиг.13 показана схема усовершенствованного выхлопного диффузора 400 с углом 14 градусов, предусматривающего продувку на входе, при этом источник продувки является независимым вспомогательным компрессорным узлом 402 (например, насосом), изолированным от газовой турбины 404. Этот узел 402 можно разместить рядом с выхлопным диффузором 400 для минимизации необходимой работы по отводу воздуха и потерь потока через трубы 406, 408. Что касается инжекции вдоль стенки 410 осевой части, то трубы 406 могут проходить от местонахождения точек 412 инжекции через стойки диффузора и соединяться с выходом внешнего вспомогательного компрессорного узла 402, как на фиг.13.

Аналогично фиг.12, на фиг.14 показан график зависимости параметра Wвыигр/Wтурб, % от отношения массовых расходов, %, и на этом чертеже проведено сравнение между конкретным вариантом осуществления, предусматривающим забор воздуха из турбины, и конкретным вариантом осуществления, предусматривающим наличие независимого вспомогательного компрессорного узла.

Как показано на фиг.14, существует составляющий приблизительно 0,65% максимальный чистый выигрыш в работе, получаемой от турбины, в которой в качестве источника используется независимый вспомогательный компрессорный узел. В результате улучшенной рабочей характеристики выхлопной системы имеет место повышенная эффективная мощность газовой турбины. Результаты этого конкретного исследования, проведенного на выхлопном диффузоре машины 7ЕА, показывают, что возможно составляющее от 1% до 1,5% увеличение работы, производимой на валу генератора (увеличение кпд на 0,5 пункта в случае простого цикла), за счет вышеописанной схемы струйного исполнительного регулирования, предназначенной для выхлопного диффузора газовой турбины.

Теперь будет приведено описание геометрии инжекционных отверстий, режима инжекции (стационарного по сравнению с пульсирующим) и выбора источника продувки для применения технологии продувки на входе к выхлопным системам наземных газовых турбин.

Рассматриваются два конкретных варианта осуществления инжекционных отверстий: кольцевые щели и отдельные отверстия.

Одна или несколько кольцевых щелей у входа диффузора, проходящих вдоль части окружности внешней стенки и осевой части, представляют собой один конкретный вариант осуществления геометрии. Предлагаемая высота h щели имеет значение от ~0,015 до ~0,02 W (где W - высота канала на входе кольцевого диффузора, такого, как показанный на фиг.10).

Отдельные отверстия 432, через которые происходит выпуск дополнительных струй с большим количеством движения из внешней стенки 434 и осевой части 436 в область пристенного пограничного слоя на входе 438 диффузора, таком, как показанный в диффузоре 430 на фиг.15, представляют собой еще один конкретный вариант осуществления геометрии. Предлагаемый диаметр отверстия 432 находится в диапазоне от 0,02 до 0,05 W. Чтобы достичь максимальной эффективности для конкретного приложения, предусматривается управление углом 440 между осью дополнительной струи 442 и направлением 444 потока (угол 440 завихрения, обозначенный символом ϕ) и углом 446 между осью дополнительной струи 448 и локальной стенкой 434 диффузора (угол 446, обозначенный символом β). Следует отметить, что этот конкретный вариант осуществления включает случай отдельных отверстий, через которые происходит выпуск дополнительных струй по касательной к стенкам отводящего раструба диффузора в направлении оси диффузора, и случай дополнительных струй, параллельных направлению основного потока.

Для случая инжекции через щели или отверстия по касательной к стенкам 460 отводящего раструба диффузора, имеющимся в диффузоре 464, можно воспользоваться эффектом флотации, продемонстрированным на фиг.16, для поддержания дополнительных струй/пленок, сцепленных со стенками 460. Эффект флотации был описан румынским ученым Анри Коанда (Henri Coanda) в тридцатых годах двадцатого века. Этот эффект описывает тенденцию движения воздуха или других текучих сред вдоль близлежащей криволинейной или наклонной поверхности. То есть эффект флотации в общем случае применим к любой ситуации, когда тонкая высокоскоростная струя текучей среды встречается с поверхностью твердого тела и следует