НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o155.pdf (1464.17Кб)

УДК 621.165.001

1 Санкт–Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия

В статье представлены результаты численного исследования потерь кинетической энергии (КЭ) и лопаточных КПД одноступенчатой осевой турбины при различных режимах работы, характеризуемых отношением u/C₀. Расчеты выполнены стационарным (метод Stage) и нестационарным (метод Transient) методами с помощью программы ANSYS CFX. Новизна данной работы состоит в том, что проведено численное моделирование стационарного и нестационарного течений в турбинной ступени и получены результаты по определению потерь КЭ как раздельно по элементам проточной части, так и их суммарных величин, в также КПД ступени. Полученные результаты сравнены с расчетом КПД по одномерной теории.
Для решения указанных задач была выбрана модель осевой турбинной ступени с D/l =13, профилями лопаток статора и ротора постоянного сечения, подобными испытанным в обращенной турбине при M_c1 = 0,3. Степень реактивности ρ = 0,27, частота вращения ротора изменялась в диапазоне 1000÷1800 об/мин.
По результатам представлены следующие выводы:
  1.  Уровень осредненных коэффициентов суммарных потерь КЭ в диапазоне u/C₀ от 0,48 до 0,75 составляет при расчетах по методу Stage от 18% до 21% и по методу Transient от 21% до 25%.
  2.  Уровень осредненных коэффициентов потерь КЭ с выходной скоростью ζ ̅_ВС в указанном диапазоне u/C₀ составляет от 9% до 13%, и практически одинаков при расчетах по методу Stage и Transient.
  3.  Уровни осредненных коэффициентов потерь КЭ в венцах (по отношению к перепаду энтальпий на ступень) изменяются в пределах: ζ ̅_НА от 4% до 3% (Stage) и сохраняются равными 5% (Transient); ζ ̅_РК от 5% до 6% (Stage) и от 6% до 8% (Transient).
  4.   Коэффициенты потерь КЭ по венцам НЛ и РЛ при расчетах модельной ступени по методу Transient выше, чем по методу Stage соответственно на  ∆ζ ̅₁= 1,5÷2,5%  и  ∆ζ ̅₂=4÷5% абсолютных значений. Эти величины и характеризуют потери КЭ от влияния нестационарности.
  5.   Снижение КПД за счет влияния нестационарности потока может достигать величины 4,8% (в области максимума). Эта величина снижения близка к максимальной, так как соответствует минимальному осевому зазору Δz₁ = 4 мм. Увеличение КПД может быть достигнуть за счет увеличения осевого зазора. Решение этой и других аналогичных задач возможно за счет применении пакета ANSYS CFX.

1. Дейч М.Е. Газодинамика решеток турбомашин. М.: Энергоатомиздат, 1996. 528 c.
2. Афанасьева Н.Н., Ласкин А.С., Лапшин К.Л., Черников В.А. и др. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин / под ред. В.А. Черникова. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. 263 c.
3. Ласкин А.С. Исследование аэродинамического возбуждения колебаний лопаточного аппарата и потерь энергии при нестационарных процессах в турбинах: дис. … докт. техн. наук. Л ., ЛПИ , 1980.
4. Denton J.D. Loss mechanisms in turbomachines // Journal of Turbomachinery. 1993. Vol. 155, iss. 4. P. 621-656. DOI: 10.1115/1.2929299
5. Ершов C. В ., Саки Р . К расчету потерь в проточных частях турбомашин // Вестник НТУ « ХПИ ». 2013. № 14 (988). С . 1-18.
6. Епифанов А.А. Численное моделирование трехмерного течения в решетках и ступенях малорасходных турбин ЛПИ: дис. … канд. техн. наук. СПб., 2012.
7. Кофман В.М. Определение коэффициента полезного действия турбины ГТД по параметрам неравномерных газовых потоков // Вестник УГАТУ. 2012. № 5 (50). С . 28-40 .
8. Тюхтяев А.М., Ласкин А.С., Захаров А.В. Потери кинетической энергии потока по высоте направляющего аппарата последней ступени мощных паровых турбин // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. № 6. 2014. С. 66-81. DOI:10.7463/0614.0712815
9. Нгуен К.К., Ласкин А.С. Численное моделирование влияния осевого зазора на нестационарные силы в турбинной ступени // Научно‒технические ведомости СПбГПУ. 2014. № 2 (195). С . 65-69.
10. Нгуен К.К. Ласкин А.С. Влияние отношения u/C0 на нестационарные нагрузки и КПД осевой турбиной ступени // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 6. С. 56-66. DOI:10.7463/0615.0786614
11. Батурин О.В., Колмакова Д.А., Матвеев В.Н., Попов Г.М., Шаблий Л.С. Исследование рабочего процесса в ступени осевой турбины с помощью универсального программного комплекса Ansys CFX: метод. указания. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. 100 c.