Совершенствование осевых турбинных ступеней на основе численного моделирования нестационарного аэродинамического взаимодействия лопаточных венцов.

Актуальность проблемы. Повсеместное и широчайшее применение турбин, турбоустановок в качестве приводов электрогенераторов на тепловых и атомных электростанциях обусловлено их высокой удельной мощностью, низкой по сравнению с другими типами тепловых двигателей металлоемкостью и высоким КПД. При обтекании рабочим телом лопаточных венцов турбинных ступеней, ввиду наличия у лопаток толщины и протяженности, в потоке возникают неравномерности физических параметров – скорости, давления, углов потока и т.д. При относительном движении смежных лопаточных решеток (направляющей и рабочей, неподвижной и вращающейся) происходит их периодическое аэродинамическое взаимодействие (периодическая суперпозиция неравномерных полей, создаваемых в потоке данными решетками), меняется распределение давлений на выпуклой и вогнутой стороне лопаток, что вызывает переменность аэродинамических сил, действующих на рабочие лопатки, и вынужденные колебания последних. Две сложные инженерные задачи, связанные с наличием нестационарности, и которые приходится решать на этапе проектирования и доводки турбинных ступеней, можно сформулировать следующим образом: 1) обеспечение вибрационной надежности рабочих лопаток, колебания которых под действием переменных аэродинамических сил (ПАС) могут сопровождаться усталостными поломками, усталостными трещинами, что особенно актуально для последних ступеней газовых турбин; 2) обеспечение высокого КПД турбин и турбинных ступеней в условиях нестационарности потока и генерации дополнительных потерь кинетической энергии (КЭ). Указанные проблемы сформировались уже в прошлом столетии и многократно привлекали внимание проектировщиков турбин и ученых. Это объясняется тем, что, несмотря на трудности анализа повреждений лопаток турбины из-за множества влияющих факторов, наиболее часто поломки РЛ оценивают как вибрационные. (Автор данного исследования принимал участие в работе над публикациями, посвященными усталостным испытаниям образцов материалов рабочих лопаток [8] и численному моделированию усталостных трещин в лопатках [10]). Несмотря на значительное количество научных исследований, посвященных изучению нестационарных процессов в турбинах, из-за сложности теоретического и экспериментального изучения многие возникающие при проектировании турбин вопросы и задачи остаются без ответа. Это, во-первых, сведения об уровне действующих на лопатки переменных аэродинамических нагрузок (особенно РЛ) и влияние определяющих их факторов. Во-вторых, оценка уровней дополнительных потерь кинетической энергии и снижения КПД турбинной ступени. В настоящее время многие исследования проводятся не только экспериментальными методами, но и методами численного моделирования. Моделирование трехмерных нестационарных течений с помощью современных программных пакетов вместе с необходимым тестированием с помощью физических экспериментов является современным направлением исследования нестационарных процессов в турбомашинах. Настоящее исследование проводилось с использованием программного CFD-комплекса ANSYS CFX. Представленная диссертация посвящена решению указанных выше инженерных задач (вибрационная надежность и КПД турбин), что и определяет ее актуальность.
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы – на основе численного исследования аэродинамических характеристик турбинных ступеней выработать рекомендуемые диапазоны относительных геометрических параметров – как с точки зрения снижения возбуждающих вибрации лопаток нестационарных нагрузок, так и с точки зрения минимизации потерь кинетической энергии (т. е. максимизации уровня внутреннего КПД турбины). Основные задачи исследования состоят в нижеследующем: • проведение численного исследования влияния относительной высоты лопаток на уровень и расфазировку переменных аэродинамических сил, действующих на рабочую лопатку (ПАС РЛ) по ее высоте (2-я и 3-я глава); • проведение численного исследования влияния отношения шагов РЛ/НЛ 2 1 t t / на уровень ПАС РЛ и на энергетические характеристики ступени (4-я глава); • проведение численного исследования влияния окружного сдвига НЛ-2 относительно НЛ-1 1 t t / на уровень ПАС РЛ и энергетические характеристики полуторной ступени (5-я глава); • проведение численного исследования влияния режимов работы ступени на уровень ПАС РЛ и на энергетические характеристики ступеней, сравнение полученных результатов с опубликованными ранее экспериментальными и расчетными данными (6-я глава).
Научная новизна работы состоит в том, что на основе численного моделирования стационарного и нестационарного течений в турбинных ступенях выработаны и уточнены рекомендуемые для проектирования ступеней диапазоны безразмерных геометрических параметров, а именно: • оптимальный диапазон отношений шагов рабочих и направляющих лопаток 2 1 t t / (с точки зрения вибрационной надежности РЛ); • приводящая к повышению лопаточного КПД и в то же время оптимальная с точки зрения вибрационной надежности РЛ величина углового сдвига НЛ2 1 t t / в полуторных осевых ступенях; • оптимальный диапазон межвенцовых осевых зазоров (с точки зрения минимума ПАС и соответственно максимальной вибрационной надежности РЛ). По результатам численного моделирования, автором также выполнено: • исследование влияния режима работы (характеризуемого величиной u/C0) на уровень переменных аэродинамических нагрузок, действующих на РЛ, на примере двух вариантов турбинной ступени мощной ГТУ V84.3; • исходя из опубликованных данных, впервые выполнено построение распределений размахов и фаз погонных окружных ПАС вдоль высоты РЛ на примере ступени СПбПУ-1 и двух вариантов ступени ГТУ V84.3
Практическое значение полученных результатов: • Результаты и методы исследования могут быть использованы при оценке влияния нестационарности течений на аэродинамические, силовые и энергетические характеристики ступеней турбин на этапе проектирования с использованием численных методов. • Получены рекомендуемые для проектировщиков турбин диапазоны безразмерных геометрических параметров ступеней (с точек зрения минимума ПАС РЛ и максимума КПД): отношений шагов 2 1 t t / ; окружных сдвигов НЛ2 1 t t / , а также чисел u/C0.
Апробация работы: • Научные конференции с международным участием «Неделя науки СПбПУ» – декабрь 2015, 2016, 2017, 2018, 2019г., Санкт-Петербург • XXXIX Всероссийская конференция по проблемам науки и технологий, 11-13 июня 2019 года в г. Миассе Челябинской обл. • IX Молодежная международная научно-практическая конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опыт и преемственность», 19-21 мая 2021 г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 14 статьях, из них 12 входят в РИНЦ, из них 6 – в ВАК сборниках, из них 2 – в ВАК сборниках по специальности 05.04.12.
Личный вклад соискателя заключается в: • выполнении обзора литературы и анализе литературных источников; • проведении численного исследования влияния отношений 2 1 t t / , 1 t t / на уровень переменных аэродинамических нагрузок РЛ и энергетические характеристики ступени СПбПУ-осевая-1; • проведении численного исследования влияния относительной длины лопаток, и отношения u/C0 на ПАС РЛ и энергетические характеристики ступени V84.3A; • анализе и сравнении полученных численных результатов с опубликованными ранее экспериментальными и расчетными данными.
На защиту выносятся: • результаты исследования влияния отношения шагов 2 1 t t / на уровень ПАС РЛ, потери кинетической энергии и КПД для ступени СПбПУ-осевая-1; • результаты исследования влияния окружного сдвига НЛ2 1 t t / на уровень ПАС РЛ, потери КЭ и КПД для полуторной ступени СПбПУ-осевая-1; • результаты исследования влияния относительной высоты рабочей лопатки на распределение размахов и фаз ПАС по длине РЛ для ступени СПбПУосевая-1 и двух вариантов ступени V84.3.
Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, списка обозначений, 6 глав, заключения и списка литературы. Текст изложен на 133 страницах, диссертация содержит 94 рисунка, 5 таблиц, список использованных литературных источников, включающий 78 наименований.