автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение эффективности сопловых аппаратов осевых малорасходных турбин

На правах рукописи

у"/'

Акуленко Вера Михайловна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОПЛОВЫХ АППАРАТОВ СУДОВЫХ ОСЕВЫХ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН

Специальность 05.08.05 Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Владивосток - 2013

005542918

005542918

Работа выполнена в Дальневосточном федеральном университете (ДВФУ)

Научный руководитель:

Фершалов Юрий Яковлевич, кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Соболенко Анатолий Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры судовых энергетических установок Дальневосточного технического рыбохозяйственного университета (г. Владивосток)

Крукович Андреи Романович - кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры устройства и живучести корабля филиала военного учебно-научного центра ВМФ Военно-морской академии им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г.Кузнецова (г. Владивосток)

Ведущая организация

Дальневосточный научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско-технологический технологический институт морского флота, г. Владивосток.

Защита состоится 26 декабря 2013г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.056.17 при ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет» по адресу:

690922, г. Владивосток, о. Русский, б. Аякс-10, корп. 24, 10 этаж, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ДВФУ по адресу: 690600, г. Владивосток, ул. Алеутская, 65 б.

Объявление о защите и текст автореферата размещены на сайте ВАК и официальном сайте ДВФУ.

Автореферат разослан "_" ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук •и^'" А.Ю.Фершалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Тенденция к повышению параметров современных и перспективных судовых двигателей для привода агрегатов судовых энергетических установок, в качестве главных двигателей автономных судовых аппаратов - требование сокращения их массы и габаритов при обеспечении высокой эффективности - причина применения турбин с большим перепадом энтальпий. Эта тенденция проявляется как в зарубежном, так и в отечественном двигателестроении.

В судовой энергетике для обеспечения требований автономности часто приходится создавать турбоприводы с ограниченным расходом рабочего тела (РТ). Это определяет уменьшение площадей проходных сечений проточной части. Использование в таких турбинах ступеней с полным подводом РТ к рабочему колесу (РК) невозможно из-за недопустимо малых высот лопаток РК, что вынуждает изготавливать сопловые аппараты (СА) с частичным (парциальным) подводом РТ к РК. Это приводит к потерям энергии на вентиляцию в зоне неактивной дуги РК и на краях дуги подвода РТ к нему.

Одним из путей снижения парциальности является уменьшение угла выхода сопел. При конструировании малоугловых СА использование стандартных методик проектирования сопел приводит к недопустимо низкой эффективности СА. Эта проблема в настоящее время не решена.

Поэтому чрезвычайно актуальны и имеют большое практическое значение работы, направленные на определение оптимальных геометрических и режимных параметров проточных частей СА, позволяющих повысить эффективность малорасходных турбин (МРТ) и определять для проектирования РК параметры РТ на выходе из СА.

Актуальность работы связана с тем, что перспективы успешного развития судовой энергетики, а также других отраслей связаны с повышением эффективности и надежности тепловых турбомашин.

Актуальность исследований в области МРТ определяется направленностью на решение проблем экономики и организации промышленности, заложенных в "Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу", "Приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники Российской Федерации" и "Перечне критических технологий Российской Федерации", утвержденных Президентом РФ 30.03.2002 г. № Пр-576 /1-3/.

Расчеты и конструкторская проработка показали, что применение МРТ в малоразмерных газотурбинных двигателях (ГТД) упрощает конструкцию судового двигателя с сохранением эксплуатационных характеристик.

Производством ГТД занимаются фирмы Siemens, Mitsubishi, GM, Snecma, MTU, Lukas и др., предлагающие ряд таких установок с диапазоном мощностей 1... 100 МВт и КПД от 30 до 38%.

Широкое применение турбин в мире делает очевидным актуальность и необходимость исследований по их совершенствованию. Это подтверждается тем, что Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ им. П.И. Баранова) и авиадвигателестроительные отраслевые конструкторские бюро разработали проект "Стратегии развития газотурбинного двигателестроения Российской Федерации на 2007—2015 г. и на период до 2025 г.", утвержденный на заседании рабочей группы по интеграции предприятий авиационного двигателестроения 16.05.2007 г.

В ряде организаций исследователями (И.И. Кириллов, В.А. Рассохин) обобщены результаты изучения некоторых показателей МРТ различного назначения. Но в теоретическом и экспериментальном отношении объем и глубина исследований уступают аналогичным для полноразмерных турбин. Поэтому исследования, направленные на поиск оптимальных геометрических и режимных параметров проточных частей МРТ, позволяющих повысить их эффективность, актуальны и имеют большое практическое значение.

Особое внимание при исследовании МРТ с целью повышения их эффективности необходимо обратить на совершенствование СА. Согласно данным технической литературы, уменьшение эффективности СА на 1% приводит к снижению КПД на 2%. А неверная оценка газодинамических свойств РТ выходе из СА ведет за собой ошибочное профилирование РК, что еще больше снижает КПД ступени.

Все это свидетельствует о том, что для повышения КПД МРТ в первую очередь необходимо совершенствование СА и проведение исследований, направленных на изучение свойств РТ на выходе из них.

Научная значимость данного исследования состоит в повышении эффективности судовых сверхзвуковых осевых МРТ на основе исследований, связанных с определением оптимальных конструктивных параметров СА с малыми углами выхода РТ.

Цель и задачи работы

Целью работы является повышение эффективности сверхзвуковых СА для осевых МРТ за счет оптимального сочетания режимных параметров и конструкции проточной части сопел.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Основная задача - систематизация измерений, выполненных на экспериментальном стенде в СПбГПУ (лаборатория МРТ), которые являются исходными данными для настоящего исследования. По итогам систематизации проведен анализ полученных значений.

2. Разработаны математические модели регрессионного типа (в дальнейшем - регрессионные модели) для расчета коэффициента скорости СА МРТ и угла выхода потока РТ из соплового аппарата, проверена адекватность моделей экспериментальным материалам.

3. Проведен анализ физической сущности явлений на основе имитационного моделирования.

4. Разработаны основы методики расчётного определения газодинамических и конструктивных характеристик проточной части СА и проведены оптимизационные вычисления.

5. Разработаны рекомендации по проектированию сопел СА.

Научную новизну работы составляют:

1. Полученные характеристики СА в интервалах изменения исследуемых факторов: степени расширения сопел (/) - 1,0...2,82; конструктивного угла выхода сопел (а^) — 5...9°; конструктивного угла входа РК ({¡¡к) - 8,1... 14,1°; отношения окружной скорости РК к критической скорости РТ (и = и/а/ср) -0...0,44; числа Маха на выходе из сопел, вычисленного по теоретическим параметрам (МСц)- 1,09... 3,43;

2. Разработанная регрессионная модель для определения коэффициента скорости СА в зависимости от наиболее влияющих факторов: f;alK; и; Men,

3. Разработанная регрессионная модель, позволяющая определять угол выхода РТ из СА в зависимости от наиболее влияющих факторов: f; а1К; (¡¡к;

и; Мп,;

4. Полученные результаты численного эксперимента по определению коэффициента скорости СА и углов выхода из них РТ.

Теоретическая значимость:

1. Результаты физического эксперимента и имитационного моделирования расширяют представления о процессах, протекающих в проточных частях СА;

2. Предложена инженерная методика на основе регрессионных моделей для расчета и оптимизации газодинамических характеристик РТ на выходе из СА, которые могут быть использованы для разработки турбомашин судовой энергетики.

Практическая значимость:

1. Получены регрессионные модели для определения коэффициента скорости СА и угла выхода потока РТ из СА, которые следует использовать при проектировании СА МРТ различного назначения;

2. Разработаны зависимости, которые позволяют рассчитать конструктивные параметры проточной части СА, обеспечивающие максимально возможный коэффициент скорости СА (в диапазоне проведенных исследований) в зависимости от режимных параметров;

3. Результаты работы были положены в основу методики расчета коэффициента скорости СА и угол выхода потока РТ из него.

Методология и методы исследования

Работа основана на экспериментальном подходе с использованием методов математического моделирования. Использовался регрессионный анализ и имитационное моделирование для определения коэффициента скорости СА и угла выхода РТ из него.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследований модельных СА по коэффициенту скорости и углу выхода потока РТ из СА;

2. Регрессионные модели для расчета коэффициента скорости СА МРТ и угла выхода потока РТ из СА;

3. Результаты анализа влияния газодинамических и конструктивных характеристик проточной части сопел на энергетическую эффективность СА.

4. Инженерная методика расчета и оптимизации газодинамических характеристик РТ на выходе из СА.

Объект исследований: сопловые аппараты осевых малорасходных турбин.

Предмет исследований: конструктивные параметры и режимные характеристики проточной части сопловых аппаратов осевых малорасходных турбин.

Достоверность результатов подтверждена: статистической обработкой результатов измерений; использованием основных законов сохранения; сравнением результатов исследований с материалами других авторов; качественным согласованием экспериментальных результатов и модельных представлений; проверкой разработанных моделей на адекватность и непротиворечивость известным научным положениям и фактам.

Личный вклад автора. При непосредственном участии автора формировались задачи исследования, лично автором выполнены: обработка измерений; определение доверительного интервала экспериментальных значений коэффициента скорости СА и угла выхода потока РТ из него; разработка регрессионных зависимостей для расчета коэффициента скорости СА МРТ и угла выхода потока РТ из него; проведение и анализ численного эксперимента; оптимизация геометрических и режимных параметров по коэффициенту скорости СА.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на региональной научно-технической конференции «Молодёжь и научно-технический прогресс» ДВГТУ, Владивосток, 2007 г.; на научной конференции «Вологдин-ские чтения» ДВГТУ, 2010 г.; на X Международном форуме студентов, аспирантом и молодых ученых стран ATP, 2010; на региональной научно-технической конференции «Молодёжь и научно-технический прогресс» ДВГТУ, Владивосток, 2010 г.; на научной конференции «Вологдинские чтения» ДВГТУ, 2011 г.; на региональной научно-технической конференции «Мо-

лодёжь и научно-технический прогресс» ДВГТУ, Владивосток, 2011 г.; на научных семинарах кафедры Судовой энергетики и автоматики ИШ ДВФУ; на Международной научной конференции "Актуальные проблемы народнохозяйственного комплекса: инновации и инвестиции", г. Москва, 2012.

Результаты исследования используются в учебном процессе по образовательным программам 180103.65 "Судовые энергетические установки" 180100.62 "Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры". Внедрены в научную и проектную деятельность Научно-внедренческого центра Международного исследовательского института. Результаты исследований применялись при выполнении программы "Научный фонд ДВФУ" "Оптимизация энергетической эффективности сопловых аппаратов малорасходных турбин" (соглашение № 12-08-13011-14/13).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, включая две статьи в рецензируемых российских научных журналах, входящих в перечень ВАК, 11 статей в сборниках трудов российских и международных конференций и научных трудов высших учебных заведений.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 143 стр., включая 72 иллюстрации и 16 таблиц. Список литературы содержит 95 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и показано, что для увеличения КПД высокоперепадных МРТ необходимо применять СА с малыми углами выхода сопел для снижения или ликвидации потерь кинетической энергии, связанных с парциальным подводом РТ в РК. Выполнен критический анализ состояния рассматриваемого вопроса, по результатам которого выявлены недостатки конструкций сопел и сформулированы задачи исследования СА МРТ. Представлена научная новизна и структурная схема диссертации.

В первой главе выполнен анализ полученных ранее результатов различных авторов в области исследования турбин, рассмотрены существующие методы исследований МРТ и их СА. Рассмотрены возможности способов исследования газодинамических характеристик СА турбин: теоретическим (на основе решения уравнений сохранения энергии, состояния и движения РТ аналитическими методами), численным (на основе численного решения уравнений На-вье-Стокса) и экспериментально-теоретическим (на основании экспериментальных исследований характеристик проточной части с последующим получением математических зависимостей по экспериментальным материалам).

Исследования течения газа в проточной части СА выполняют в одномерной постановке (исследование предполагает получение интегральных характе-

ристик коэффициента скорости СА и угла выхода потока РТ из него в виде результирующего вектора), двумерной постановке (получение характеристик потока РТ в какой-либо плоскости в узлах сетки в виде векторов) и трехмерной постановке (получение характеристик потока РТ по всей проточной части в узлах сетки в виде векторов).

Расчеты потока РТ в каналах СА и на выходе из них предполагают решение полного уравнения Навье-Стокса, что в настоящее время аналитически выполнить невозможно, особенно с учетом вращения РК.

Численные методы перспективны при анализе картины течения и для расчета интегральных характеристик потока в соплах для широкого диапазона режимов обтекания. Применять результаты расчетов правомочно только после экспериментального подтверждения. Решения численными методами не учитывают технологии изготовления моделей СА, оказывающей влияние на шероховатость поверхности и отклонение от формы. Последние дают значительную погрешность при малых размерах проточной части.

Наиболее надежен и точен экспериментально-теоретический метод, основанный на систематизации и обобщении экспериментальных данных, получаемых на моделях и позволяющих определить эмпирические зависимости, учитывающие влияющие факторы. Метод обеспечивает достоверные исходные данные для проектирования проточной части СА МРТ.

Экспериментальные исследования СА МРТ в двумерной и трехмерной постановках приводят к неприемлемо высокой погрешности, что обусловлено влиянием малых размеров проточных частей МРТ и вращения РК. Можно утверждать, что полученные численными методами результаты, скорее всего, невозможно подтвердить экспериментально, поэтому результаты исследования СА такой конструкции представляются в виде интегральных характеристик коэффициента скорости СА и угла выхода РТ из него.

Исследование СА было проведено в составе ступени, благодаря чему были учтены все особенности работы реальной турбинной ступени (обратное влияние на СА возмущений потока, исходящих от кромок рабочих лопаток).

В результате проведенного анализа технической литературы были выбраны факторы, наиболее влияющие на коэффициент скорости СА и угол выхода потока РТ из него (степень расширения сопел (/); конструктивный угол выхода сопел («1Л-); конструктивный угол входа в РК отношение

окружной скорости РК к критической скорости РТ (и = и/а№у, число Маха, вычисленное по теоретическим параметрам (Меи)), которые использовались для исследований и построения регрессионных зависимостей.

Во второй главе приведено описание конструкции экспериментального стенда, изготовленного в СПбГПУ Ю.Я. Фершаловым (рис. 1) на котором им были проведены измерения, послужившие исходными данными для развития

последующих разделов исследований.

Стенд предназначался для динамического и статического исследования осевых МРТ, работающих при больших перепадах давлений (кт <60), и позволял получать суммарные характеристики модельных ступеней в широком диапазоне изменения частот вращения РК (0<п<500 с"1) и перепадов давления

(2<жт <60) при изменении Р0* -0,2 ... 0,8 МПа и Р2 - 0,10 ... 0,015 МПа.

Рабочим телом служил воздух. Для повышения достоверности экспериментальных данных в стенде применяли взвешенный СА, обладавший одной степенью свободы (вращения).

Рис. 1. Состав экспериментального стенда (Фершалов, 2000)

Стенд позволил получить интегральные характеристики СА посредством измерения момента количества движения потока РТ и давления перед и за СА, расхода, температуры и частоты вращения ротора. В работе были исследованы 9 модельных СА, разработанных Ю.Я. Фершаловым (табл. 1, рис. 2).

Таблица 1 Характеристики модельных СА

Параметр СА 1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 2-3 3-1 3-2 3-3

Угол выхода, град 5 5 5 7 7 7 9 9 9

Ширина критического сечения, мм 2,3 4,4 6,5 3,3 6,3 9.3 4,2 8,1 12,0

Ширина выходного сечения, мм 6,5 6,5 6,5 9,3 9,3 9,3 12,0 12,0 12,0

Отношение площадей 2,82 1,48 1,00 2,82 1,48 1,00 2,82 1,48 1,00

Все СА имели следующие параметры: средний диаметр - 170 мм, количество сопел - 6; высота каналов - 7 мм; шаг лопаток СА - 86,01 мм; степень парциалыюсти - 0,902, ширина СА - 20 мм.

Доверительные оценки средних значений основывались на гипотезе нормального закона распределения случайных ошибок измерения. Допущение о нормальном распределении было проверено по критерию Шапиро-Уилка с 95%-ной доверительной вероятностью.

При обработке замеров определены и исключены выбросы. Величина случайной погрешности замеров составила менее 1,2%. Суммарная погрешность замеров от случайной и приборной погрешностей составила менее 3,3%. Величина погрешности определялась с 95%-ной доверительной вероятностью.

А-А

Рис. 2. Модельные СА: 1 — разгонный участок сопла; 2 — косой срез; 3 — продольная ось проточной части; 4 — окружность, имеющая средний диаметр (Вер) МРТ

В главе приведено описание методики определения газодинамических характеристик СА, особенность которой заключалась в нахождении характеристик РТ за СА измерением крутящего момента на нем. Разработанная методика основана на законах сохранения момента, количества движения, энергии и массы и позволяла определить коэффициент скорости СА по параметрам РТ перед и за ним. В результате расчет сводился к определению двух газодинамических функций СА - коэффициента скорости и угла выхода потока РТ.

Исходные данные имели погрешность, поэтому для нахождения газодинамических функций решалась задача поиска их минимума и максимума от влияющих замеров с ограничениями в виде доверительного интервала. После нахождения максимума и минимума искомой функции определялась их полусумма, которая в последующем принималось за математическое ожидание, а максимальное и минимальное значения - за доверительные границы функции.

В результате расчетов по всему эксперименту средняя (максимальная ... минимальная) погрешность по коэффициенту скорости СА составила 3,6% (5,5 ... 1,4%) и по углу выхода потока РТ из СА 11,1% (20,1 ... 8,9%).

На основании анализа литературных источников, проведенном в первой главе, аналитические зависимости коэффициента скорости СА и угла выхода потока РТ из СА были приняты в виде полинома второго порядка:

5 5 5

<Р = Ьо + + Л X Ъцх^х] - коэффициент скорости СА, (1)

/=1 ¡=^=1

где 6, и Ьу - коэффициенты полинома; Ху—/; х^-а1К; Хз-Рис', х^-и ; х^-Мсп, 5 5 5

= ¿0 + Х^/*/ + X! Е Ь^Х] - угол выхода потока РТ из СА, (2)

,=1 1=\]=\

где и Ьу - коэффициенты полинома; X]-/; х2-ахк; Хз-^к, х^-и ; ху-Мси-

В третьей главе на основании результатов обработки замеров, снятых при проведении опытов на стенде в СПбГПУ, автором выведены зависимости, отражающие формализованные математические модели коэффициента скорости СА (<р\ являющегося показателем их эффективности и угла выхода потока РТ из СА («1). Адекватность вычисленных значений (р и а\ оценивалась по критерию Фишера.

Проведен анализ значимости коэффициентов регрессионных моделей, который показал, что все члены полиномов, являющихся математическими моделями у и «,, имеют право на существование.

Проведен корреляционный анализ взаимосвязей физических явлений среди различных факторов, влияющих на величину <р и а,, и выявлена очередность факторных признаков по степени их значимости на результат. Оценка значимости была проведена с помощью критерия Стьюдента.

По значимости влияния на <р элементы регрессионной модели расположились в следующем порядке по убыванию: Мс1(; /а\к\ /Л/с/г; /; /и; /

- - ? ~~ 2 - -2 Р\ци\ иМсу(; Мс11; / ; и\ и ; а\кМс!,. Для этих элементов модели связь

нельзя считать случайной. Нижеперечисленные элементы зависимости не име-

1 1 ют значимого коэффициента корреляции: ; Рхк^Ыи а1 К@\К' А К >

?Р\К> а\Ки> «1 К-

Этим проверка связи элементов модели с у не была ограничена. Даже те элементы, у которых коэффициент корреляции оказался незначимым, могут иметь связь с целевой функцией. Связь может быть опосредованной. Корреляция не определяет причинно-следственные связи, она определяет только, насколько тесно связаны экспериментальные точки с исследуемой функцией. В связи с этим, чтобы не потерять результат, были проведены исследования с по-

мощью имитационного моделирования, которое включало в себя одномерную оптимизацию по каждому фактору и четырехмерную оптимизацию.

Анализ с помощью одномерной оптимизации сводился к нахождению максимального и минимального значений <р относительно одного фактора в границах его изменения, остальные факторы фиксировались поочередно на трех уровнях области проведения эксперимента: минимальном, среднем и максимальном. Эти действия повторялись с каждым фактором. Затем определялась разница между максимальным и минимальным значением функции при каждом факторе на каждом уровне, и эти значения были ранжированы по возрастанию. Места влияния каждого фактора на каждом уровне суммировались, и чем меньше сумма мест, тем более сильное влияние на <р оказывает фактор. Согласно исследованию, по сумме мест по степени влияния на <р факторы выстроились в следующем порядке: Мс11; f; р\к; а\к; и.

Анализ с помощью четырехмерной оптимизации сводился к нахождению максимального и минимального значений <р с помощью решения задачи оптимизации функций 4 переменных из 5 с ограничениями областью проведенного эксперимента, один фактор фиксировался поочередно на трех уровнях: минимальный, средний и максимальный. Эти действия повторялись с каждым фактором. Затем определялась разница между максимальным и минимальным значением функции при каждом факторе на всех уровнях, и эти значения ранжировались по убыванию: чем больше разница, тем более сильное влияние на <р оказывает фактор. Оказалось, что при таком исследовании все факторы, входящие в модель ср, оказывают на целевую функцию примерно одинаковое воздействие.

Кроме этого, был проведен графический (визуальный) анализ чувствительности отклика к вариациям исходных величин, который позволил проверить справедливость принимаемых решений и выводов о связи целевой функции с исследуемыми переменными.

На рис. 3 представлены кривые зависимостей <р = /(/)\ ср = /(ахк); (р = ч> = /(«); <р = /(Мси) при минимальных значениях других факто-

ров. Видно, что наибольшее изменение <р происходит при варьировании Л/Сц, на втором месте варьирование /, остальные кривые имеют примерно одинаковое изменение.

На рис. 4 представлены кривые зависимостей <р = /(/); <р = /(а\к)> <р = /{Р\к)'< <Р = /00; <Р = /О^сц) ПРИ средних значениях других факторов.

Видно, что наибольшее изменение у происходит при варьировании /, остальные кривые имеют примерно одинаковое изменение.

¿,1° 1\,2° Ь ¿,22

£<¡9 Йб"

Рис. 3. Зависимость (р при / = 1; а.\к = 5°; /3\к = 8,13°; и = 0:

1-<Р = /(7); 2 - <р = Ящк); 3— <р = ЯД*); 4 -,(р= /(и); 5 — </> = ДМс1,)

Рис. 4. Зависимость <р при / = 1,91; а1К = 7°; р1К = 11,2; и = 0,22;

1-9 = /(7); 2-<Р = Л«ис); 3 - *» = /(Ал-); 4- ср = /(и); 5- ? = /(мс11)

На рис. 5 представлены кривые зависимостей (р = /(/); ср = /{а\к)-, = /(Дл:); <» = /(и); <р = /(Мсц) при максимальных значениях других факторов. Видно, что наибольшее изменение <р происходит при варьировании /, на втором месте варьирование Мсц, остальные кривые имеют примерно одинаковое изменение.

ом^'"

4/ ___

ы И

А

/

1,91

2,82,

|Г

11,2° с1,22 2,26

14,1_

^Мс,

1,09 2,26 3,43

Рис. 5. Зависимость (р при / = 2,82; аж = 9°; = 14,1°; и = 0,44;

1-9 = /(7) / 2 - <р = /(а1А-) ; 3 - <р = /(Дя );4-<р = Г&);5-9 = ДМси )

Исследования позволили сделать вывод о том, что: регрессионная модель для расчета у адекватна экспериментальным данным; все факторы, входящие в модель, оказывают достаточное влияние на значение ¡р для того, чтобы считать

их значимыми; наиболее сильно влияют на целевую функцию М /; большое влияние на <р оказывают следующие сочетания факторов: /Мс1!\

«\КмсП> 7«; йМси\ рхки.

Проведенные по той же методике исследования, связанные с а\, показали, что: математическая модель регрессионного типа для расчета а\ адекватна экспериментальным данным; все факторы, входящие в модель, оказывают достаточное влияние на значение а\ для того, чтобы считать их значимыми; наиболее сильно влияют на целевую функцию Мс^; /; наиболее значимыми оказались следующие сочетания факторов: а\кМси\ /&\к> /и>

Р\Кмс1г> «1 Ки> а\кР\К-

В четвертой главе проведен анализ влияния различных факторов на (р и а\. Особое внимание при анализе результатов исследований было уделено не только самим факторам в изолированном виде, но и влиянию их сочетаний на характеристики СА.

На рис. 6 и 7 представлены зависимости влияния / и МСп на <р при минимальных (рис. 6) и максимальных (рис. 7) значениях исследуемых факторов. Характер кривых идентичен друг другу, различаются только абсолютные значения (р.

Рис. б. Коэффициент скорости СА в зависимости от степени расширения сопел и числа Маха при = 5°; [¡¡к — 8,13°; и/акр — О

Наиболее сильно на (р влияет Мс1(. От него зависит величина профильных потерь в сверхзвуковых соплах, особенно в их сверхзвуковой части и косом срезе. На втором месте по степени влияния на <р находится /. Это связано с тем, что для получения сверхзвуковых скоростей потока необходимо использовать суживающиеся-расширяющиеся сопла.

Рис. 7. Коэффициент скорости СА в зависимости от степени расширения сопел и числа Маха при а^ = 9°; р1К = 14,1°; и/аю> = 0,44

При отсутствии косого среза (сопло Лаваля) значение / напрямую связано с Мс11. В турбинах сопла СА имеют косой срез, который также играет роль расширяющейся части сопел и позволяет разогнать поток до скоростей больше скорости звука при суживающейся проточной части сопел. Максимальное изменение (р происходит при малых значениях МСи. При больших значениях Меи изменения минимальны благодаря тому, что в работу вступает косой срез сопел.

Показателем эффективности СА является д>, поэтому по нему были выполнены оптимизационные расчеты с целью определения режимных и геомет-

рических параметров, обеспечивающих максимальную эффективность. В результате расчетов было выявлено максимальное в пределах проведенного исследования значение д>, которое находится в области 0,95...0,99 при / = 1; а\к = 5°; Рж = 14,1°; и/а№ = 0; МСц - 2,13. По каждому модельному СА области оптимальных значений ср и соответствующих им режимных факторов приведены в табл. 2.

У СА с а\к = 5° заметно падение ср при увеличении /, это хорошо согласуется с результатами исследований других авторов и свидетельствует о том, что в сверхзвуковой части сопел появляются дополнительные потери энергии, которые отсутствуют в суживающихся соплах.

У СА с = 7° и разными / различие в максимальных значениях (р не замечено. А у СА с а\к = 9° заметен рост <р при увеличении /. Это связано с недостаточной пропускной способностью РК, из-за чего возмущения потока от кромок РК не сносятся по течению и негативно сказываются на эффективности СА. Косвенно этот вывод подтверждается тем, что оптимальное значение /З/к для всех СА составляет 14,1°.

Таблица 2 Максимальные значения коэффициента скорости СА

/ «1К (Р Рис и/акр Мен

СА 1-1 2,82 5° 0,93... 0,97 14,1° 0 3,16

СА 1-2 1,48 5° 0,94... 0,98 14,1° 0 2,64

С А 1-3 1 5° 0,95...0,99 14,1° 0 2,13

СА 2-1 2,82 7° 0,86...0,90 14,1° 0 2,97

СА 2-2 1,48 7° 0,86...0,90 14,1° 0 2,45

СА 2-3 1 7° 0,86... 0,90 14,1° 0 1,94

СА 3-1 2,82 9° 0,98...0,92 14,1° 0 2,77

СА 3-2 1,48 9° 0,86... 0,90 14,1° 0 2,25

СА 3-3 1 9° 0,84...0,88 14,1° 0 1,74

Анализ результатов выявил закономерности изменения <р 1. Наиболее сильно на эффективность СА оказывает влияние Мс1{, в связи с тем, что от его величины зависит интенсивность скачков уплотнения, на образование которых тратится энергия потока.

Увеличение Мс11 уменьшает степень влияния РК на СА, что обусловлено увеличением осевой составляющей скорости потока. Это приводит к уменьшению относительной скорости движения скачка в направлении потока, что препятствует возникновению отрыва на спинке соплового профиля. Кроме того, уменьшается продолжительность воздействия скачков уплотнения на косой срез СА вследствие увеличения относительной скорости скачка. Следует отметить, что увеличение скорости выхода потока из СА предполагает уменьшение

окружной скорости РК при одном и том же значении характеристического числа, что снижает потери от нестационарности.

2. На втором месте по влиянию на ¡р стоит /, благодаря которой происходит ускорение потока. При недостаточной величине / РТ не разгоняется до необходимой скорости, при чрезмерно большой величине / происходит перерасширение потока, сопровождающееся отрывом его от профиля и снижением его скорости.

3. На третьем месте по влиянию на <р находится я1А-. Его уменьшение увеличивает чувствительность потока, исходящего из сопел, к присутствию РК, особенно при вращении последнего. Это явление объясняется тем, что при малых а1К уменьшается осевая составляющая скорости потока и Мс1, становится меньше единицы. Отраженный от кромок лопаток РК скачок уплотнения через осевую составляющую скорости воздействует на поток, что отрицательно влияет на эффективность работы косого среза.

4. В отличие от МсИ и а1А- характеристическое число имеет двойственный характер влияния на СА. При его уменьшении, с одной стороны, скорость движения скачка уплотнения падает, т.е. увеличивается продолжительность его воздействия на СА, что способствует увеличению потерь, с другой стороны, это препятствует возникновению отрыва на спинке косого среза.

5. Влияние на эффективность СА [¡¡к само по себе незначительно, однако его величина определяет пропускную способность РК. При недостаточной пропускной способности усиливается обратное влияние РК на СА и снижается его коэффициент скорости.

Кроме самих факторов, сильное влияние на ср оказывают их сочетания:

1) / совместно с а1/( наиболее сильно влияют на ср, так как величина а]К определяет конфигурацию косого среза сопел, участвующего в расширении потока РТ. При малых а1Л- необходимы малые степени расширения и наоборот;

2) / выбирается в зависимости от Мсц с учетом величины ахк для обеспечения расширения потока во время его разгона без отрыва его от стенок профиля;

3) и/аю> при больших / сильнее влияет на (р. Это свидетельствует об ухудшении работы косого среза в расширяющихся СА по сравнению с сужающимися;

4) и/акр при больших Мсц не оказывает заметного влияния на (р, так как в этом случае скачки уплотнения от кромок РК не распространяются вверх по потоку, а сносятся вниз;

5) рост и/ацр при малых ахк до определенного значения играет положительную роль в эффективности СА, так как перемещение скачков уплотнения

вдоль косого среза прижимает поток к спинке косого среза, не давая ему оторваться от него, что улучшает условия течения и повышает <р.

На рис. 8 представлена зависимость влияния ахк и Ма, на ах при минимальных значениях исследуемых факторов. С ростом МСц а, монотонно увеличивается из-за отклонения потока в косом срезе сопел при сверхкритическом истечении РТ.

А

А

Рис. 8. Угол выхода РТ из СА в зависимости от угла выхода сопел и числа Маха при / = 1; ¡¡¡к = 8,13°; и/а№ = О

На рис. 9 представлена зависимость влияния а1К и МС/, на а\ при максимальных значениях исследуемых факторов. С ростом МСп значение а] сначала снижается из-за того, что отраженные от РК возмущения потока прижимают РТ к спинке косого среза, а затем увеличивается из-за увеличения осевой составляющей скорости РТ до сверхзвуковых значений. При больших а1К это явление проявляется сильнее.

Л

Л

Рис. 9. Угол выхода РТ из СА в зависимости от угла выхода сопел и числа Маха при / = 2,82; Рис = 14,1°; и/аю> = 0,44

Анализ результатов выявил закономерности изменения а, в зависимости от факторов.

1. Наиболее сильное влияние на а1 оказывает МсИ, в связи с тем, что от его величины зависит угол отклонения потока РТ.

2. На втором месте по его влиянию на стоит /, благодаря которой происходит ускорение потока. При недостаточной величине / РТ не разгоняется до необходимой скорости и скачки уплотнения, отраженные от РЬС, способствуют его отрыву от спинки косого среза сопел, тем самым увеличивается угол выхода потока.

3. На третьем месте по его влиянию на щ находится а]К. Его уменьшение увеличивает чувствительность потока, исходящего из сопел, к присутствию РК, особенно при вращении последнего. Это явление объясняется тем, что при малых а1К уменьшается осевая составляющая скорости потока, и Mclt становится меньше единицы.

Кроме самих факторов, сильное влияние на а, оказывают их сочетания:

1) Мс1, совместно с а1К наиболее сильно влияют на а\, так как от них зависит угол отклонения потока при сверхкритических теплоперепадах;

2) / совместно с ахк определяют расширительную способность сопел;

3) и/ацр совместно с Mclt определяют, будут ли отраженные от РК возмущения потока влиять на СА или будут сноситься вниз по потоку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Получены значения коэффициентов скорости СА со средней по всему эксперименту относительной погрешностью 3,6% и углов выхода потока РТ из СА - 11,1%.

2. Разработаны основы методики, позволяющей по известным параметрам РТ (полному давлению и температуре перед СА и статическому давлению за СА) определять ф и а\ в области проведенных исследований.

3. Получены регрессионные математические модели коэффициентов скорости СА и углов выхода потока из них. Проверка адекватности расчетных по моделям значений со значениями, полученными на основе эксперимента, осуществлялась по критерию Фишера. Для коэффициента скорости СА расчетное значение критерия - 1,178 (для угла выхода РТ из СА - 1,095), а критическое при уровне значимости 0,05 - 1,226. Вычисленные значения критерия Фишера меньше критического, поэтому модели можно считать адекватными, в связи с чем, их можно рекомендовать к использованию при проектировании МРТ с СА, имеющими в своем составе сопла рассматриваемой конструкции.

5. Получены закономерности влияния режимных и конструктивных факторов на (р и а\. Несмотря на сверхзвуковую скорость истечения РТ из СА имеет место влияние РК, расположенного за ним. Анализ позволил выдвинуть

предположение, что это стало возможным из-за малых углов выхода РТ, что делает осевую составляющую скорости дозвуковой и через нее происходит воздействие на вылетающий из сопел поток возмущений, отраженных от кромок РК, что влечет за собой изменение газодинамических характеристик РТ на выходе из СА. Косвенным подтверждением этого является уменьшение угла выхода потока из СА до углов меньших конструктивному углу выхода сопел (менее 3°).

7. При проведении оптимизационных вычислений получено максимально возможное значение (р, лежащее в области 0,95...0,99 при /=1; «¡^ 5°; /?;а=14Дс; и/акр = 0; МСи = 2,13. Эффективность СА оценивалась на базе регрессионной зависимости в следующем диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров: / =1,0...2,82; а1Л-=5...Р°; р1К =8,13... 14,1°; и/а№=0...0,44; Мс„=1,09...3,43.

Из этого можно заключить, что исследованные СА, разработанные на кафедре Судовой энергетики и автоматики ИШ ДВФУ и кафедре «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели» СПбГПУ, конкурентоспособны по отношению к традиционным СА.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Публикации в изданиях перечня ВАК:

1. Фершалов Ю.Я., Акуленко В.М. Угол выхода рабочего тела из сопловых аппаратов осевых малорасходных турбин с соплами новой конструкции

// Научное обозрение. -2011. - № 4. - С. 91-96.

2. Фершалов Ю.Я., Акуленко В.М. Коэффициент скорости сопловых аппаратов осевых малорасходных турбин с соплами новой конструкции // Научное обозрение. - 2011. - № 5 - С. 362-369.

Публикации в сборниках трудов российских и международных конференций и научных трудов высших учебных заведений:

1. Акуленко В.М., Фершалов Ю.Я. Новая конструкция сопловых аппаратов осевых малорасходных турбин // Народное хозяйство: вопросы инновационного развития. - 2012. - № 5. - С. 154-158.

2. Фершалов Ю.Я., Акуленко В.М., Фершалов М.Ю. Сопловые аппараты турбин и их эффективность // Вестн. МГУ им. адм. Г.И. Невельского — 2011. -Вып. 47. - С. 70-77.(Серия «Судостроения и судоремонт»).

3. Фершалов Ю.Я., Акуленко В.М., Фершалов М.Ю., Цыганкова Л.П. Методы профилирования сопловых аппаратов турбин и определение направ-

ленности исследований их эффективности // Вестн. ДВГТУ : электрон, журн. -2011. - № 1 (6). - С. 92-105. URL: http://vestnikfentu.dvfu.ru/vestnik/2011/1/fershalov/

4. Фершалов Ю.Я., Фершалов А.Ю., Акуленко В.М. и др. Перспективность исследований и области применения малорасходных турбин // Воло-гдинские чтения: сб. материалов науч. конф. - Владивосток, 2010. - С. 159-164.

5. Акуленко В.М. Дальневосточная научная школа кораблестроителей профессора Н.В. Барабанова // Труды Арсеньевского технологического института (филиала) ДВГТУ. Вып. 1. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. -С. 5-21.

6. Акуленко В.М. Период становления научной школы Н.В. Барабанова // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта: сб. науч. тр. Вып. 46. - Владивосток: ДВГТУ, 2006. - С. 64-66.

7. Акуленко В.М., Аносов А.П. Публикации научной школы Н.В. Барабанова как объективный показатель эффективности ее деятельности // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта Сб. науч. тр. Вып. 46. - Владивосток: ДВГТУ, 2006. - С. 48-59.

8. Акуленко В.М. Дальневосточная научная школа кораблестроителей профессора Н.В. Барабанова // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта: сб. науч. тр. Вып. 45. — Владивосток: ДВГТУ, 2005. - С. 9-24.

9. Акуленко В.М. Исследование проблем прочности морских лесовозов на кафедре конструкции судов ДВПИ (ДВГТУ) // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта: сб. науч. тр. - Владивосток: ДВГТУ, 2004. - С. 71-86.

10. Каменская Л.Н., Акуленко В.М. Особенности стратегического управления в высших учебных заведениях // Молодежь и научно-технический прогресс: сб. материалов региональной науч.-практ. конф. Владивосток, 2011. — Владивосток, 2011. - С. 179-182.

11. Maximets T.V., Akulenko V.M., Minaev A.N. The state of shiprepairing and shipbuilding base of Primorsky Région in period 1990-2000 and development prospects // Proceedings The Fourteenth Asian Technical Exchange and Advistory Meeting and Marine Structures. - Vladivostok, 2000. P. 352-355.

Акуленко Вера Михайловна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОПЛОВЫХ АППАРАТОВ СУДОВЫХ ОСЕВЫХ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН

Специальность 05.08.05 Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 18.11.2013 Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,27. Тираж 110 Заказ 645 Отпечатано Дирекции публикационной деятельности ДВФУ 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201 45 53 во

Акуленко Вера Михайловна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОПЛОВЫХ АППАРАТОВ ОСЕВЫХ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН

Специальность

05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Ю.Я. Фершалов

Владивосток 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..................................................... 7

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................11

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................17

1.1. Роль сопловых аппаратов в эффективности турбин..............................17

1.2. Профилирование сопловых аппаратов. Обоснование выбора прямоугольных сопел..............................................................................18

1.3. Анализ методов исследования сопловых аппаратов турбин...............20

1.4. Выбор факторов для построения математических моделей................25

1.4.1. Факторы, влияющие на коэффициент скорости

сопловых аппаратов..........................................................................25

Выводы по п. 1.4.1.......................................................................................44

1.4.2. Обоснование выбора факторов для исследования

их влияния на коэффициент скорости СА ....................................45

Выводы по п. 1.4.2.......................................................................................49

1.4.3. Факторы, влияющие на угол выхода потока рабочего тела

из сопловых аппаратов ....................................................................52

1.5. Задачи исследований................................................................................55

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................................56

2.1. Описание экспериментального стенда...................................................56

2.1.1. Элементы стенда...............................................................................57

2.1.2. Системы измерения и управления стендом.

Замеряемые величины. Измерительные приборы........................58

2.1.3. Модельные сопловые аппараты .....................................................60

2

2.1.4. Модельные рабочие колеса..............................................................61

2.2. Методика обработки экспериментальных замеров ..............................64

2.3. Методика расчета газодинамических характеристик

сопловых аппаратов ................................................................................66

2.3.1. Последовательность расчета газодинамических характеристик сопловых аппаратов..........................................................................67

2.3.2. Погрешность определения газодинамических характеристик сопловых аппаратов..........................................................................70

2.3.3. Экспериментальные значения газодинамических характеристик сопловых аппаратов................................................70

2.3.3.1. Коэффициент расхода сопловых аппаратов........................70

2.3.3.2. Коэффициент скорости сопловых аппаратов

и угол выхода потока из них ................................................71

2.4. Разработка математических зависимостей............................................77

2.4.1. Выбор вида математической зависимости.....................................77

2.4.2. Определение коэффициентов полинома........................................78

2.4.3. Корреляционный анализ факторов.................................................79

2.4.4. Проверка адекватности модели экспериментальным данным.....79

2.4.5. Проверка значимости коэффициентов............................................80

Выводы по главе 2 ................................................................................................81

3. АНАЛИЗ СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ НА КОЭФФИЦИЕНТ СКОРОСТИ

ИССЛЕДУЕМЫХ ФАКТОРОВ.....................................................................82

3.1. Коэффициент скорости сопловых аппаратов........................................82

3.1.1. Математическая зависимость коэффициента скорости...............82

3.1.2. Анализ значимости коэффициентов

регрессионной модели.....................................................................83

3.1.3. Оценка влияния на коэффициент скорости

исследуемых факторов и их сочетаний .........................................85

3.1.4. Имитационное моделирование .......................................................87

3.1.4.1. Оптимизация по одному фактору......................................87

3.1.4.2. Четырехмерная оптимизация ............................................89

3.1.4.3. Визуальный анализ влияния факторов.............................90

Выводы по разделу 3.1.....................................................................................93

3.2. Угол выхода потока рабочего тела из сопловых аппаратов ................93

3.2.1. Математическая зависимость угла выхода потока....................93

3.2.2. Анализ значимости коэффициентов

регрессионной модели...................................................................94

3.2.3. Оценка влияния на угол выхода потока

исследуемых факторов и их сочетаний ..................................... 95

3.2.4. Имитационное моделирование ................................................... 96

3.2.4.1. Оптимизация по одному фактору................................... 96

3.2.4.2. Четырехмерная оптимизация......................................... 97

3.2.4.3. Визуальный анализ влияния факторов ......................... 98

Выводы по разделу 3.2................................................................................... 99

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ МОДЕЛЬНЫХ СА........ 101

4.1. Причины, влияющие на коэффициент скорости СА............................ 102

4.1.1. Влияние на коэффициент скорости СА степени расширения

и конструктивного угла выхода сопел............................................ 102

4.1.2. Влияние на коэффициент скорости СА степени расширения

сопел и конструктивного угла входа РК ......................................... 104

4.1.3. Влияние на коэффициент скорости СА степени расширения

сопел и характеристического числа................................................. 105

4.1.4. Влияние на коэффициент скорости СА степени расширения

сопел и числа Маха............................................................................. 106

4.1.5. Влияние на коэффициент скорости СА угла выхода сопел

и угла входа в РК................................................................................ 107

4.1.6. Влияние на коэффициент скорости СА угла выхода сопел

и характеристического числа............................................................ 109

4.1.7. Влияние на коэффициент скорости СА угла выхода сопел

и числа Маха........................................................................................ 110

4.1.8. Влияние на коэффициент скорости С А угла входа РК

и характеристического числа............................................................ 111

4.1.9. Влияние на коэффициент скорости СА угла входа РК

и числа Маха........................................................................................ 112

4.1.10. Влияние на коэффициент скорости СА характеристического числа и числа Маха....................................... 113

4.1.11 Оптимальное соотношение исследуемых факторов...................... 114

Выводы по разделу 4.1 ................................................................................... 116

4.2. Причины, влияющие на угол выхода РТ из СА ................................... 118

4.2.1. Влияние на угол выхода РТ из СА степени расширения

и конструктивного угла выхода сопел............................................. 118

4.2.2. Влияние на угол выхода РТ из СА степени расширения сопел

и конструктивного угла входа РК..................................................... 120

4.2.3. Влияние на угол выхода РТ из С А степени расширения

сопел и характеристического числа................................................. 121

4.2.4. Влияние на угол выхода РТ из СА степени расширения

сопел и числа Маха............................................................................. 122

4.2.5. Влияние на угол выхода РТ из С А угла выхода сопел

и угла входа в РК................................................................................ 123

4.2.6. Влияние на угол выхода РТ из С А угла выхода сопел

и характеристического числа............................................................ 124

4.2.7. Влияние на угол выхода РТ из СА угла выхода сопел

и числа Маха........................................................................................ 125

4.2.8. Влияние на угол выхода РТ из СА угла входа РК

и характеристического числа............................................................ 127

4.2.9. Влияние на угол выхода РТ из СА угла входа РК

и числа Маха........................................................................................ 128

4.2.10. Влияние на угол выхода РТ из СА

характеристического числа и числа Маха....................................... 129

4.2.11. Соотношения исследуемых факторов, при которых угол

выхода РТ из СА максимален............................................................ 130

Выводы по разделу 4.2 ................................................................................... 131

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..................................................................... 133

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................ 135

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1. Параметры и характеристики турбин и их элементов

С - расход рабочего тела

N - мощность

м - момент *

п\ - располагаемый перепад энтальпий на сопловой аппарат п — частота вращения и - окружная скорость (О - угловая скорость

акр — скорость звука в критическом сечении сопел

¡Лр - коэффициент расхода решетки

(р - коэффициент скорости сопловой решетки

- условная скорость, рассчитанная по полному изоэнтропийному перепаду на сопловой аппарат

и/а^р - характеристическое число

С, - коэффициент потерь кинетической энергии

£ ~ /и* - отношение статического давления рабочего тела на выходе

/ Л)

из сопел к полному давлению рабочего тела перед соплами

2. Геометрические характеристики проточных частей турбин и их элементов

и, г, г - оси координат, соответствующие направлению окружной скорости и , оси турбин 2 и радиусу Т

йСР - средний диаметр ступени / - высота лопатки

В- ширина решетки, измеренная вдоль оси Z t - шаг решетки а - горло решетки Р - площадь проходных сечений / = Геых/Ркр ~ степень расширения сопел

ССШ- конструктивный угол выхода сопловых аппаратов - угол выхода потока рабочего тела из сопловой решетки

3. Кинематические характеристики потока

с - абсолютная скорость м?— относительная скорость и - окружная скорость

ОС - угол между положительным направлением оси и и проекцией вектора абсолютной скорости на плоскости ги

4. Газодинамические параметры потока

Яе - число Рейнольдса М - число Маха Р - давление

Т - температура *

Т - температура торможения р - плотность

V - удельный объем К - газовая постоянная

к - показатель изоэнтропы И - энтальпия

4. Индексы

Ь - внутренний и - окружный opt - оптимальный min - минимальный t - теоретический кр - критический р - расчетный ср - средний

1 - сечение между сопловым аппаратом и рабочим колесом * - полные параметры из - изоэнтропийный

5. Сокращения

БИТМ - Брянский институт транспортного машиностроения ДВГТУ - Дальневосточный государственный технический университет КТЗ - Калужский турбинный завод КуАИ - Куйбышевский авиационный институт ЛКЗ - Ленинградский Кировский завод ЛКИ - Ленинградский кораблестроительный институт МАИ - Московский авиационный институт МЭИ - Московский энергетический институт НКИ - Николаевский кораблестроительный институт СПбГПУ - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

ЦИАМ - Центральный научно-исследовательский институт авиационного моторостроения

ИТ - индукторный тормоз

ков - колесо с осевым выходом

кпд - коэффициент полезного действия

МРТ - малорасходная турбина

РК - рабочее колесо

СА - сопловой аппарат

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований в области малорасходных турбин определяется их направленностью на решение проблем экономики и организации промышленности, заложенных в «Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», «Приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники Российской Федерации» и «Перечне критических технологий Российской Федерации», утвержденных Президентом РФ 30.03.2002 г. № Пр-576 [1-3].

В этих документах содержится следующее направление: разработка и внедрение энергосберегающих технологий производства электроэнергии и тепла с использованием органического топлива за счет повышения эффективности использования, в том числе интеллектуальной собственности, результатов научной и научно-технической деятельности.

В условиях современной экономики, когда затруднены прогнозные технико-экономические оценки, ответ на вопрос о коммерческой эффективности применения МРТ необходимо искать не только и не столько в области экономических взаимоотношений, но и в новых технических решениях, относящихся к совершенствованию МРТ.

В основе технического перевооружения страны должно быть создание и совершенствование таких конструкций машин, которые, обеспечивая высокие технические показатели, приведут к рациональному использованию и сокращению расходов сырья и энергии. Это обстоятельство относится к турбинам, которые широко применяют в различных областях народного хозяйства.

Малорасходные турбины широко используются в различных отраслях техники: в судостроении, в криогенном производстве, в станкоинструмен-тальной промышленности, в авиации, в двигателестроении и т.д.

В настоящее время МРТ находят применение в качестве приводных двигателей и вспомогательных турбоагрегатов в судостроении, авиации, в

составе мобильных электростанций. Условия эксплуатации МРТ предопределяют ряд основных требований, предъявляемых к турбинам такого класса:

• минимальные массогабаритные показатели при высокой удельной мощности (как следствие - значительные перепады энтальпий при малом числе ступеней);

• пониженная частота вращения ротора;

• возможность работы в широком диапазоне изменения мощности и частоты вращения;

• технологичность конструкции;

• простота и невысокая стоимость изготовления;

• надежность в эксплуатации;

• снижение вредных воздействий на окружающую среду (токсичность выхлопа, вибрации, шум).

Экономичность и массогабаритные характеристики МРТ оказывают существенное влияние на показатели эффективности агрегатов и установок, составными частями которых они являются.

Невысокая, как правило, эффективность малорасходных турбин обусловлена рядом особенностей, среди которых следует отметить:

• низкое число Рейнольдса;

• малая относительная длина лопаток СА и РК;

• большая относительная толщина кромок СА и РК;

• большая относительная шероховатость поверхностей;

• большие относительные зазоры;

• большие относительные длины подводящих и отводящих каналов.

Основными из этих особенностей, выделяющих МРТ из общего класса

турбомашин в отдельную группу, являются низкое число Рейнольдса и малая относительная длина лопаток СА и РК, что вызывает образование относительно толстого пограничного слоя РТ, а также повышенную неравномерность потока, что приводит к снижению общего уровня коэффициента полезного действия МРТ.

Известны результаты исследований МРТ различного назначения [1, 14, 27, 46, 54, 55, 73, 86 и др.], однако в теоретическом и экспериментальном плане количество работ значительно уступает аналогичным исследованиям полноразмерных турбин, поэтому исследования, нацеленные на решение проблем низкой эффективности МРТ (газодинамического совершенствования и выбора оптимальных геометрических и режимных параметров проточных частей МРТ), позволяющие повысить их КПД, актуальны и имеют большое практическое значение.

Для современных МРТ характерны следующие параметры: теплопере-пад - 400 кДж/кг, мощность - 10...600 кВт, расход рабочего тела - 0,05...2,0 кг/с, начальное давление - (5...60)105 Па, температура - 470...740 К, отношение давлений - 2... 160, характеристическое число - 0,07...0,22, степень впуска - 0,02.. .0,25, высота лопаток - 7...20 мм, КПД турбин - 0,25.. .0,65.

Малорасходные турбины с высокими начальными параметрами РТ и большими перепадами энтальпий работают в условиях сверхзвукового обтекания при малых объемных расходах. Для сохранения приемлемой высоты лопаток обычно применяют парциальный подвод, что связано с дополнительными потерями энергии. Альтернативным решением является применение МРТ конструкции ЛПИ [5, 19, 37], которая имеет полный подвод РТ и РК с большим относительным шагом лопаток. В ступенях с полным подводом использование данной конструкции приводит к росту высоты прочной части и снижению потерь с выходной скоростью. Сверхзвуковые МРТ такого типа и элементы их прочных частей исследованы недостаточно.

Сопловой аппарат является главнейшим элементом проточной части МРТ. От его совершенства существенно зависит КПД ступени. Изменению коэффициента скорости СА на 1 % соответствует изменение КПД примерно на 2 % [48]. Применительно к судовым турбинам, работающим, как правило, с изменяющейся нагрузкой, вопрос об определении параметров СА для сверхкритических перепадов имеет особенно большое значение. В связи с этим одним из основных путей решения проблемы повышения эффективно-

сти сверхзвуковых MPT являются: газодинамическое совершенствование С А, в которых уровень потерь энергии сравнительно высокий, а также получение данных об газодинамических характеристиках выходящего из СА потока РТ для оптимального проектирования РК МРТ.

В ряде организаций исследователями (И.И. Кириллов, В.А. Рассохин, C.B. Чехранов, Бусурин В.Н., Фершалов Ю.Я.) обобщены результаты изучения некоторых показателей МРТ различного назначения. Но в теоретическом и экспериментальном отношении исследования уступают аналогичным для полноразмерных турбин. Кроме этого до настоящего времени практически не изучены вопросы, связанные с обратным влиянием РК на эффективность СА.

Поэтому исследования, направленные на поиск оптимальных геометрических и режимных параметров СА (с учетом вращающегося РК), позволяющих повысить их эффективность, актуальны и имеют большое практическое значение.

Научная значимость данного исследования состоит в повышении эффективности судо