Nové poznatky o proudění v axiálním turbínovém stupni ve vícestupňovém uspořádání

• Foto

Úvod

Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s. dlouhodobě spolupracuje v rámci výzkumu proudění v turbínových stupních s předním českým výrobcem parních turbín firmou Doosan Škoda Power (DŠPW). V roce 2010 bylo ve VZLÚ zprovozněno v České republice unikátní zkušební zařízení pro testování axiálních turbínových stupňů. V rámci navazující spolupráce je dále měřící zařízení zdokonalováno a upravováno tak, aby bylo možno testovat nejaktuálnější problémy, které vyvstávají při návrhu turbín.

DŠPW nedávno rozšířil spektrum nabízených turbínových stupňů o reakční stupně, které jsou používány zejména ve vysokotlakých a středotlakých dílech parních turbín. Návrh vícestupňového uspořádání musí být proveden s co nejpřesnějšími návrhovými modely. Tyto modely musí zahrnovat ztráty kinetické energie způsobené jak profilovými ztrátami, tak ztrátami způsobené strukturami sekundárního proudění a rovněž musí zahrnovat změny entalpie z důvodů vzájemné interakce proudění vystupující z nadbandážových a hřídelových ucpávek.

V předchozích letech byl proto řešen projekt TA04020129 [1] v rámci kterého bylo měřící zařízení rozšířeno o další navazující statorové kolo. Bylo tak možno získat informace, jakým způsobem ovlivňuje předchozí stupeň proudění v návazném statorovém kole a získat potřebné informace do návrhových modelů.

V rámci projektu bylo řešeno několik témat. Vliv různé úrovně vstupní turbulence a vliv velikosti vstupní mezní vrstvy na okrajích vstupního kanálu do turbínového stupně [2], [3]. Výsledky ukázaly, že dobře navržené reakční stupně DŠPW jsou téměř necitlivé na parametry vstupního proudu.

V projektu dále bylo hlavní snahou prostudovat vliv interakcí proudových struktur vznikajících ve vícestupňových uspořádáních. Stator, kterému předcházel plný axiální turbínový stupeň pracující za různých provozních podmínek a s různými konfiguracemi vůle v nadbandážové ucpávce rotoru byl dále experimentálně studován. Tato problematika byla paralelně prošetřována ve VZLÚ i pomocí interních numerických kódů řešících proudění pomocí středovaných Navier-Stokesových rovnic [4], [5].

Konfigurace zařízení

Zkušební zařízení je součástí uzavřeného aerodynamického tunelu, který je umístěn v laboratoři turbostrojů VZLÚ. Úroveň tlaku v aerodynamickém tunelu je udržována systémem vodokružných vývěv a požadovaný vzduchový hmotnostní průtok je pak zajištěn pomocí dvanáctistupňového radiálního kompresoru poháněného elektrickým motorem o výkonu 1,3 MW. Teplota a vlhkost vzduchu jsou řízeny mezistupňovými výměníky tepla a kondenzační sušičkou.

Zkušební turbína je bržděná hydraulickým dynamometrem Froude & Hofmann F249 GT smaximálními otáčkami 16.000 min-1 a maximálním brzdným výkonem 700kW. Pro přesnější měření krouticího momentu je mezi turbínu a brzdu vřazen měřič krouticího momentu HBM T10FS. Průtok vzduchu je měřen na rovném úseku před turbínou pomocí normované clony.

Jeden a půl stupňové uspořádání axiální turbíny je znázorněno na obr. 1. Skládá se ze statoru a rotoru prvního stupně, za kterým je umístěn stator druhého stupně (druhý rotor není přítomen). Axiální vzdálenosti mezi lopatkováním statorů a rotoru byly voleny tak, aby co nejlépe odpovídaly skutečné geometrii stupně parní turbíny. Konfigurace zařízení umožňuje měřit struktury průtokového pole ve třech rovinách: na výstupu za prvním statorem (při zvětšené axiální vůli mezi statorem a rotorem), dále na vstupu a výstupu druhého statoru. Tato konfigurace zařízení byla získána přizpůsobením zkušebního zařízení používaného pro jednostupňové axiální turbíny [6]. Pro montáž druhého statoru byl upraven difuzor, stator byl vybaven třemi ložiskovými podpěrami (radiálními a dvěma axiálními ložisky v každé podpěře), což umožňuje volné otáčení kolem osy stroje. Druhý stator a první stator jsou spojeny pomocí závitové tyče, takže je možno snadno nastavit jejich vzájemnou polohu. Oba statory jsou současně poháněny jedním krokovým motorem. Podrobné šetření průtokového pole bylo provedeno miniaturními tlakovými sondami s pěti otvory (průměr hrotu 1,2 mm) a tlakovou sondou s rychlou odezvovou pro měření fluktuací talku. Sondy jsou umístěny v manipulátorech umístěných na plášti zkušebního zařízení. Manipulátory zajišťují lineární posuv sond po výšce kanálu, obvodový posuv je zajištěn pomocí natáčení statorů. Průtočný kanál je opatřen řadou statických tlakových odběrů znázorněných na obr. 1.

Specifikace turbínového stupně

Proměřovaný model turbínového stupně byl složen z reakčního turbínového stupně označovaného REAC_v2-1 v konfiguraci nominální axiální vzdálenosti mezi statorem a rotorem. Druhý stator měl geometrii s menší štíhlostí lopatek, stupeň označovaný REAC_v2-2. Axiální mezera mezi rotorem a druhým statorem odpovídala největší možné vzdálenosti používané v typických stupních DŠPW. Geometrie lopatek představuje tvarování reakčního stupně se zvýšenými výstupními úhly, která je běžně užívána pro stupně s vyšším průtokem. Geometrie je uvedena v Tab. 1. Režim stupně je uveden v Tab. 2.

Tab. 1 – Geometrické parametry stupně

Tab. 2 – Provozní parametry stupně

Proudové pole na výstupu ze stupně REAC_v2-1

Turbínový stupeň byl studován v jednostupňové i jeden a půl stupňové konfiguraci. Nejprve byla porovnána celková účinnost stupně a radiální rozložení průtokových parametrů. Cílem tohoto porovnání bylo zjištění potenciálního vlivu druhého statoru na chování předchozího stupně. Výsledky jsou uvedeny v grafech s radiálním rozložením výstupního úhlu rotoru a výstupním Machovým číslem (Obr. 2). Tato rozložení a také celková účinnost (zde neuvedena) jsou dobře srovnatelné a z výsledků je patrné, že vliv druhého statoru a změna tvaru dutiny výstupu nadbandážové ucpávky na průtokovém poli na výstupu z turbínového stupně jsou zanedbatelné. Podrobné měření průtokových parametrů v dutině bylo také provedeno v případě konfigurace jednoho a půl stupně. Radiální rozložení parametrů průtokového pole jsou porovnávány pro dvě vůle v břitech nadbandážové ucpávky. V jednostupňovém uspořádání nebylo možné provádět měření v dutině z důvodu odlišné konfigurace dutiny, která neumožňovala průchod sondy.

Proudové pole na výstupu ze statoru REAC_v2-2

V konfiguraci jeden a půl stupňového uspořádání je výstupní proudové pole druhého statoru REAC_v2-2 ovlivněno předchozím stupněm REAC_v2-1. Studie byla zaměřena na vliv režimu stupně - byly zkoušeny různé otáčky rotoru a tlakové poměry na stupni - a také byl zkoumán vliv vůle v nadbandážové ucpávce rotoru.

Obrázek (obr. 3) ukazuje radiální rozložení výstupního úhlu a součinitele kinetické energie na výstupu lopatky REAC_v2-2 pro tři případy. Prvním je případ, kdy byl stator testován bez předchozího stupně s rovnoměrným průtokovým polem na vstupu (tenké laminární vrstvy na vstupních ohraničujících stěnách [2]), ostatní dva případy jsou výsledkem testování statoru za stupněm s různými vůlemi v nabandážové ucpávce rotoru (0,45 mm a 0,8 mm).

Součinitel ztráty kinetické energie pro případ druhého statoru by měl být teoreticky vyhodnocen podél proudnice, což ale v případě experimentálního výzkumu není možné provést. Proto byla použita metodika redukce dat [8] na vyhodnocení parametrů výstupního proudového pole rotoru. Nerovnoměrné proudové pole, které je určeno rozložením tlaků, úhlů a teplot je nahrazeno jedním bodem s „průměrnými“ hodnotami. Takto redukované parametry proudového pole jsou pak brány jako referenční hodnota pro výpočet koeficientu ztráty kinetické energie druhého statoru. Oblast špičky lopatek je silně ovlivněna výtokem z nadbandážové ucpávky rotoru (je zde obrovská změna celkové teploty, výstupních úhlů proudu a dalších parametrů), což způsobuje v radiálním rozložení oblast s nejnižší ztrátou kinetické energie.

Další obrázek (obr. 4) ukazuje vliv otáček rotoru stupně. Otáčky jsou zde reprezentovány poměrem unášivé k celkové rychlosti u/c. Pro oblast kolem návrhových otáček stupně dochází pouze ke slabým změnám u rozložení výstupního pole druhého statoru (poměr rychlostí u/c od 0,55 do 0,75, což odpovídá rozsahu vstupního úhlu ± 30°). Výstupní úhel proudu a rozložení součinitele kinetické energie jsou v tomto rozsahu ovlivněny jen nepatrně. Pro případ extrémně přetíženého stupně je ovlivnění parametrů výrazně vyšší a je způsobeno odtržením proudění na lopatkách v předchozím stupni a výrazným sekundárním prouděním.

Shrnutí a rozbor výsledků

Předložené výsledky ukázaly, že charakteristiky stupně s volným výstupem a stupněm, u kterého následuje druhý stator, jsou dobře srovnatelné, takže stupeň není ovlivněn konfigurací jeden a půl stupňového uspořádání.

Integrální charakteristiky druhého statoru, před kterými předchází celý stupeň, jsou jen mírně odlišné ve srovnání se statorem s rovnoměrným vstupním prouděním (obr. 5). Součinitel ztráty kinetické energie se mírně zvyšuje přibližně o 1%. Tyto změny jsou výrazněji viditelné v radiálních rozloženích (obr. 3 a obr. 4). Je zde výrazný vliv rozložení průtokových parametrů v oblasti špičky lopatky, protože oblast špičky je silně ovlivněna výtokem z nadbandážové ucpávky rotoru. Nepříznivé rozložení výstupního úhlu a rychlosti vede k posílení sekundárních struktur vyvinutých ve druhém statoru. Oblasti sekundárního proudění jsou širší a posunují se více do středního prostoru výšky kanálu v porovnání s případem rovnoměrného vstupního proudového pole. Srovnání dvou různých vůlí v nadbandážové ucpávce rotoru je dobrým důkazem toho, že oblast špičky lopatky je silně ovlivněna výtokem parazitního proudu z ucpávky. Na obr. 6. je znázorněno rozložení součinitele ztráty kinetické energie na výstupu z druhého statoru a posunutí jádra kanálového víru je zde jasně viditelné. Poloha jádra je přibližně 0,87 výšky lopatky v případě rovnoměrného vstupního průtokového pole. V případě rozvaděče za stupněm je jádro posunuté do polohy 0,66 resp. 0,74 pro vůli v nadbandážové ucpávce rotoru 0,8 resp. 0,45 mm. Poloha jádra kanálového víru úzce souvisí se ztrátou kinetické energie. Na obr. 7 je znázorněna ztráta kinetické energie a poloha jádra kanálového víru jako funkce vůle v nadbandážové ucpávce rotoru.

Ztráta kinetické energie statoru na středu rozpětí lopatky je vyšší v případě konfigurace statoru za stupněm ve srovnání se statorem s rovnoměrným vstupem (obr. 3). Oblast střední části lopatky je jednak částečně ovlivněna strukturami sekundárního proudění, dále pak formování mezní vrstvy na lopatkách statoru je navíc silně ovlivněno nestacionárními tlakovými rozruchy způsobené průchodem úplavů rotoru statorovou lopatkou. Procházení rotorových úplavů mezilopatkovým kanálem statoru uspíší přechod mezní vrstvy do turbulence (odpovídá lopatce s plně turbulentní mezní vrstvou), zatímco u statoru s rovnoměrným proudovým polem na vstupu dojde k přirozenému přechodu v mezní vrstvě. Typ mezní vrstvy lopatky přispívá k rozdílu úrovně součinitele ztrát na střední části po výšce lopatky. Toto bylo diskutováno v [7] a dále ověřeno pomocí termokamery v [9] pro případ přímé lopatkové mříže s podobnou geometrií. Zde pro případy nerozrušeného vstupního proudění a hodnoty Reynoldsova čísla podobné jako v případě turbínového stupně zůstává mezní vrstva laminární až k odtokové hraně lopatky. Pro podporu této hypotézy byl proveden CFD výpočet pro dva případy: s přechodem v mezní vrstvě a pro plně turbulentní proudění. Tyto dva výpočetní přístupy ukázaly podobný rozdíl v úrovni součinitele ztrát kinetické energie na středu rozpětí lopatky jako v případě experimentálních výsledků.

Druhý stator je nepříznivě ovlivněn v nenávrhových režimech změnou úhlu náběhu. Extrémní přetížení stupně způsobuje zvýšení úhlu náběhu a tím i zvýšení ztráty kinetické energie. Zvýšení zatížení stupně vede nejprve k růstu oblasti sekundárních struktur a nakonec k masivnímu odtržení na sací straně lopatky. Snižováním zatížení stupně dochází ke snižování úhlu náběhu. V případě extrémního odlehčení se to projevuje odtržením proudění na tlakové straně lopatky. Obrázek 5 ukazuje, že celková charakteristika statoru je velmi necitlivá na otáčky stupně v širokém rozsahu rychlostních poměrů.

Závěr

Zkušební zařízení bylo úspěšně přizpůsobeno pro výzkum axiálních turbínových stupňů v jeden a půl stupňovém uspořádání. Bylo prokázáno, že přítomnost druhého statoru a mírně změněná konfigurace výstupní dutiny nadbandážové rotorové ucpávky neovlivňují charakteristiky stupně.

Integrální charakteristiky druhého statoru jsou ovlivněny předchozím stupněm. Vliv je způsoben hlavně změnami v oblasti špičky lopatky na vstupu druhého statoru, a také výstupem parazitního proudu z nadbandážové ucpávky. Vlivy způsobené změnou vůle v nadbandážové ucpávce byly ukázány a diskutovány. Vůle významně ovlivňuje polohu jádra kanálového víru a následně ztrátu kinetické energie statoru.

Ztráta kinetické energie statoru je na režimu stupně značně necitlivá. Tato charakteristika není ovlivněna změnou otáček rotoru v širokém rozmezí rychlostních poměrů. Zvýšení ztráty kinetické energie statoru se objevuje v případě extrémně přetíženého a odlehčeného stupně.

Následující práce budou zaměřeny na experimenty se stupněm s nižší reakcí. Je plánováno provedení porovnání fluktuací celkového tlaku získaných pomocí tlakové sondy s rychlou odezvou v jeden a půl stupňovém uspořádání reakčního stupně a stupně se zvýšenou reakcí na patě.

Literatura
[1] Project TA04020129: Investigation of flows in a multi-stage axial turbine stages arrangement, https://www.rvvi.cz/cep?s=jednoduche-vyhledavani&ss=detail&n=0&h=TA04020129
[2] Jelínek T., Straka P., Uruba V.: Effect of End-Wall Boundary Layer and Inlet Turbulence on the Flow Field Structures in the Turbine Stage , AIP Conf. Proc. 1745, 020019 (2016) AIP, 2016
[3] Jelínek T., Němec M., Uruba V.: Flow Parameters Simulation Technique in Anular Turbine Cascade Inlet, 22nd International Conference Engineering Mechanics 2016, pp. 254-257, 2016
[4] Straka P., Pelent J.: Hybrid RANS/LES Modelling of Secondary Flow In Axial Turbine Stage, Engineering Mechanics 2016, pp. 522-525, 2016
[5] Straka P., Pelant J., Němec M., Jelínek T. Milčák P.: Investigation of flow in axial stage of experimental turbine EPJ Web of conferences, Vol. 143 (2016), 02117,
[6] T. Jelínek, M. Němec; Zkušební stav pro axiální turbínový stupeň; Turbostroje 2010; Plzeň; 2010
[7] T. Jelínek, P. Straka, M. Kladrubský, "Aerodynamic Characteristics of Steam Turbine Prismatic Blade Section", Applied Mechanics and Materials, Vol. 821, pp. 48-56, 2016
[8] Němec M., Michálek J., Strach V.: The Method of Average Flow Parameters Evaluation, The XVIII Symposium on Measuring Techniques in Turbomachinery, Thessaloniki, 2006
[9] Flídr E., Jelínek T.: „Experimental and Numerical Investigation of the Bpundary Layer Transition on the Prismatic Blade“, XXIV Biannual Symposium on Measuring Techniques in Turbomachinery Transonic and Supersonic Flow in Cascades and Turbomachines, Paper No.: MTT2418B42, Prague, 2018

Poděkování:
Práce byla provedena za finanční podpory TAČR v rámci projektu TA04020129 “„Výzkum proudění ve vícestupňovém uspořádání axiálních turbínových stupňů“.

Autoři

• Ing. Jelínek Tomáš Ph.D.
• Ing. Němec Martin Ph.D.