автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Принципы построения многорежимных многоступенчатых малорасходных турбин

^ ^ На правах рукописи

О

<-и

со ^ А. см

ГОЛОВИН НИКИТА МИХАЙЛОВИЧ

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МНОГОРЕЖИМНЫХ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН

Специальность 05.04.12 Турбомэшины и комбинированные турбоустановки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.А. Рассохин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Ю.П. Кузнецов

кандидат технических наук В.Д. Гаев

Ведущая организация: НИИ "Мортеплотехника"

Защита состоится "13" Ои^УЪР<$> 1998 г. в /& часов на заседании диссертационного Совета К 063.38.23 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: 195152, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, главный учебно!Й корпус, аудитория №

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

Ласкин А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Малорасходные турбины (МРТ) находят широкое именение в различных областях промышленности и техники: наземном и морском анспорте, авиации, специальной технике, энергетике. МРТ используются в качестве помогательных турбин судовых турбоприводов, для привода агрегатов автомобилей, мрлетов и вспомогательных агрегатов ракетных двигателей, в качестве двигателей >рских подводных аппаратов и т.д. Особое внимание в настоящее время уделяется 1зработке и созданию автономных энергетических установок (АЭУ) , способных |ботатъ в широком диапазоне графиков нагрузок на базе турбинных двигателей, эактически во всех областях применения требования высокой экономичности работы ¡ляются обязательным условием. От уровня экономичности турбин в большой степени висит эффективность установки или агрегата в целом. Поэтому, необходимо при эссогабаритных ограничениях получать максимальную мощность с секундного расхода 1плива на разных режимах работы для обеспечения высоких технико-экономических »ебований. Массогабаритные и прочностные ограничения, а также требования щежности и простоты конструкции, обуславливают необходимость применения -югоступенчатых малорасходных турбин (ММРТ), работающих при сравнительно низких эстотах вращения, соответствующих частоте вращения потребителя, что исключает аличие механического редуктора с составе АЭУ.

Характерные особенности МРТ: малые величины объемного расхода рабочего гла и относительных высот сопловых и рабочих лопаток; транс- и сверхзвуковое этекание решеток; широкий диапазон изменения срабатываемого перепада энтальпий, ти особенности МРТ могут приводить к понижению их эффективности. В связи с этим, а экже учитывая большое многообразие конструктивных и кинематических схем турбин того класса, возникает необходимость детального проектирования и оптимизации ^рбины с учетом конкретных особенностей и условий эксплуатации.

Большинство современных методик проектирования турбин предполагают выбор птимальных геометрических параметров для номинального режима. При таком подходе сновополагающим фактором является достижение максимального КПД и не читывается экономичность на переменном режиме работы турбины.

Таким образом, разработка программ расчета и оптимизации, позволяющих ценить эффективность работы ММРТ и проводить многорежимную оптимизацию роточной части в широком диапазоне варьирования геометрических и режимных араметров в настоящее время является актуальной.

Целью работы является создание программного комплекса многорежимной оптимизации многоступенчатых малорасходных турбин различных конструкций, с использованием теоретически и экспериментально обоснованных математических моделей (ММ) физических процессов и явлений в проточной части, а также элементов систем автоматического проектирования (САПР).

Для реализации цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

• Разработка алгоритма предварительного выбора геометрических и режимных параметров ММРТ, позволяющих осуществить многорежимную оптимизацию;

• Обобщение экспериментальных характеристик элементов МРТ разного типа с целью использования данных для расчетов влияния геометрических и режимных параметров, в широком диапазоне их изменения;

• Разработка математических моделей переменного режима работы малорасходных ступеней различных конструкций для унификации программного комплекса многорежимной оптимизации ММРТ;

• Разработка математической модели и программ многорежимной оптимизации ММРТ;

• Разработка программы автоматического проектирования элементов ММРТ.

Научную новизну диссертационной работы составляют:

• Обобщенные характеристики потерь кинетической энергии в проточных частях малорасходных ступеней;

• Математическая модель номинального и переменного режимов работы регулирующих ступеней и ступеней давления ММРТ;

• Математическая модель номинального и переменного режима ММРТ;

• Математическая модель многорежимной оптимизации ММРТ, позволяющая проводить выбор оптимальных ступней ММРТ и их геометрические и режимные параметры;

• Методика расчета пусковых и остановочных режимов, основанная на обобщении экспериментальных характеристик в широком диапазоне режимов работы ММРТ;

• Результаты численного эксперимента в рамках задачи многорежимной оптимизации ММРТ. Сравнительный анализ результатов многорежимной оптимизации ММРТ с оптимизацией на один режим для разных программ регулирования.

Достоверность и обоснованность научных результатов определяется обобщение!^ большого количества экспериментальных данных, применением в расчетах основны>

аконов сохранения, сравнением экспериментальных данных с результатами численного ксперимента, привлечением современных средств вычислительной математики.

Практическая ценность работы:. Разработана методика расчета и проектирования ММРТ и вычислительный программный комплекс для проектирования турбин на оптимальные параметры при заданных графиках нагрузок;

Разработаны инженерные алгоритмы расчета регулирующих ступеней и ступеней давления для расчета ММРТ на номинальный и переменный режимы; Создан комплекс программ САПР элементов проточной части ММРТ.

Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи, разработке методов расчета переменных режимов ММРТ, обобщении экспериментальных данных по юпловым и рабочим решеткам, созданием программного комплекса многорежимной )птимизации ММРТ, проведение численного эксперимента по оптимизации многоступенчатых МРТ на заданные графики нагрузок.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на 1аучно-технических сессиях по проблемам газовых турбин (Москва, 1996; Санкт-Петербург, 1997), научно-технической конференции МОП РФ и МАНВШ (Санкт-Петербург, I997), научно-технических семинарах кафедры "Энергетическое и атомное ■урбиностроение и авиационные двигатели" (1995-1997), НИИ "Мортеплотехника" (19S6, I997). По результатам работы имеется три публикации, выпущено 5 научно-технических этчетов.

На защиту выносятся принципы построения ММРТ, программный комплекс лногорежимной оптимизации многоступенчатых малорасходных турбин и математические модели физических процессов и явлений в проточной части регулирующих ступеней и ступеней давления..

Структура и объем работы. Общий объем диссертации 333 страницы, в том числе 156 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 191 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определяются направление и цель исследований, дается общая характеристика и структура работы. Показано, что выполненные исследования являются законченной частью крупных исследований, проводимых на кафедре "Энергетическое и атомное турбиностроение и авиационные двигатели" по созданию МРТ различного назначения

В первой главе сделан обзор различных кинематических схем МРТ (осевых, радиальных, одно-, двухступенчатых и т.д.), применение которых обусловлено широким

У

диапазоном режимов работы приводных механизмов, областями применения и используемым рабочим телом. Выделен ряд основных факторов, влияющих на эффективность МРТ, такие как малые объемные расходы, малые значения и/Со, высокие скорости, малые диаметры СА и РК. Все эти факторы влияют на выбор применяемой в тех или иных условиях конструкции МРТ. Проведенный анализ различных кинематических схем МРТ показал, что наиболее широко применяемые ступени - это одно- и двухвенечные. Одновенечная ступень, спроектированная на оптимальные параметры, при характеристических числах и/Со = 0.45...0.5, имеет высокую экономичность. Ступени такого типа наиболее просты по конструкции и имеют минимальные удельную массу и габариты. Для двухвенечных ступеней практически используемый оптимальный диапазон характеристик и/со = 0.20..0.25 позволяет снизить частоту вращения турбины или сработать повышенный теплоперепад. Известно, что при больших теплоперепадах достижение необходимой оптимальной окружной скорости ограничено прочностью РК. Увеличение числа ступеней в ММРТ позволяет снизить частоту вращения ротора, исключить механический редуктор, применяемый в классическом исполнении.

Описаны подходы, разработанные в МАИ, ЛКИ, НТУ и СПбГТУ, к выбору оптимальных геометрических параметров, таких как угол выхода потока и СА ои, степень парциальности s и высота лопаток li, определяющих заданный расход при фиксированном диаметре ступени. Одним из определяющих факторов является параметр пропускной способности А, предложенный профессором В.А. Рассохиным,

А = 4 • I • е • sin( ai ) / a'cp. (i)

Показано, что при А < 0.02 целесообразно использовать МРТ конструкции ЛПИ, а при А>0.02 - традиционные парциальные турбины. Задача определения оптимальных геометрических параметров может решаться как в полной постановке, когда находится соотношение между тремя параметрами, так и по частным зависимостям, дающим соотношение между двумя параметрами. Приведены значения КПД турбины в зависимости от выбранных a-i, s и Ц. Показано, что методики определения оптимальных в, h и щ должны применяться для предварительной оценки геометрии ступени и определения диапазона изменения искомых параметров. Окончательное определение оптимальной геометрии должно проводиться по расчетным методикам с использованием экспериментальных данных и обобщающих эмпирических зависимостей, с учетом всех потерь в ступени.

Рассмотрены способы изменения режима работы МРТ. Дан обзор методов оптимизации МРТ на переменных режимах. Описаны подходы и методы САПР элементов проточных частей МРТ. Сформулированы цели и задачи исследований.

1 «оммричгская модель МРТ

Вторая глава посвящена разработке математических моделей расчета ступеней 1МРТ. предварительному выбору геометрических параметров, необходимых для целили«»»™, последующей

оптимизации, обобщению экспериментальных данных потерь кинетической энергии в проточной части ступени МРТ. Предварительный выбор геометрических и режимных параметров необходим для нахождения начальной точки и ограничений для проведения оптимизации ММРТ.

Соответствующая ММ выбора геометрических параметров

ступени МРТ, основанная на анализе значений располагаемой мощности с учетом

масса габаритных показателей и требований технического задания. Для активной ступени это

Рис. 1. Блок-схема расчета одновенечной ступени

зыражение может быть представлено в виде:

к-1

1-

fP ЛТ 2 !

1.5

2-R-t-

(Рг

С*

vt-Z)cp •<?•/,-sim; (s.)

у

/1з выражения для располагаемой мощности возможно получить соотношения для К, е, си /1ли dcp в зависимости от заданных начальных параметров. Такие выражения и положены з основу модели оценки предварительных геометрических и режимных характеристик турбины. В случае, если располагаемая мощность не определена, а задан расход рабочего тела, аналогичные выражения определяются из формулы для расхода

G = -

Р,

к I*1! f 1 к -1 J L '-(If г | л- - Лср ■ /, - г ■ sin а

r-t;\i-<p2- i'-l" 1-fAf U J

(2)

£

Построена ММ малорасходных ступеней ММРТ, основанная на решении прямой задачи проектирования. Модель проточной части (ПЧ) представлена основными уравнениями, описывающими термогазодинамические процессы в ПЧ, модели определения потерь кинетической энергии и коэффициентов расхода на основании обобщенных экспериментальных данных в зависимости от геометрических и режимных параметров. Особенностями моделей являются расчет газодинамических процессов е шести характерных сечениях, расчет течения на активной и неактивной дугах подвода, е также расчет утечек в межвенечном пространстве и радиальном зазоре. Блок-схемь алгоритмов расчета одно- и двухвенечных ступеней представлены на рис. 1 и 2.

Параметрами, определяющими тип элементов проточной части являются коэффициенты скорости и расхода СА и РК. Эти параметры определяются на основе сделанных в работе обобщений экспериментальных данных. По выполненным в диссертационной работе обобщениям определяются и потери энергии в СА и РК. Метод построения обобщенных характеристик СА с осесимметричными круглыми соплами (САОС) основан на характеристиках одиночных сопел в широком диапазоне изменена геометрических и режимных параметров с учетом их взаимного влияния, а также взаимного расположения сопел. Выражение для суммарных потерь кинетической энергм представлено в виде составной функции, где для каждого конкретного диапазон: изменения степени перерезывания т имеется своя функциональная зависимость и н: границах интервалов обеспечивается непрерывность

при < т < Такс. - С = -ехр[-0.0095•(1-е-с)'/3-Мь -•(г-г^)'];

Рис. 2. Блок-схема ал

•f

зи Тзкс. < т < 0 - £ =M^.(l-exp[-0.037-(!-ic)-A/!t • г2]);

эи т ^ О - -(1-ехр[-0.01-(1-?с)-т2|).

аким же образом обобщены данные по коэффициентам расхода САОС и на их основе злучена эмпирическая зависимость ¡дса в виде цса = ц'сд -Кце, где К(?е - коэффициент, -штывающий влияние числа Г?еф.

Обобщены экспериментальные данные по сопловым аппаратам с прямоугольными эплами. В результате обобщения экспериментальных исследований использованы звестные зависимости коэффициента потерь энергии Сса от угла ап, относительной ьюоты Т, = 11 /Ъ,, а также величины относительной толщины выходной кромки

;,га1 = -0.5233 +1.8640-Ми ~ 2.3352 ■ А/г, 4-1.2495 ■м\, - 0.2АО-мЬ ■ (М,, < 2)

Обычно при определении коэффициента скорости СА <рсд используется коэффици-нт интегральных потерь, полученный на основании экспериментальных исследований ольшого количества СА с малым углом выхода, без разделения на потери трения, кро-очные, вторичные, так как условия и характер течения в решетках СА малорасходных /рбин значительно отличаются от течения в решетках полноразмерных турбин. В работе роведены обобщения экспериментальных данных по характеристикам СА алорасходных турбин с малыми углами выхода конструкции ЛПИ. Интегральный зэффициент скорости СА представляется в виде <рСл=Фсл(рс1т>7сМи)- На рис.3

$"7=0.1093 - 0.0076 • аи + 0.00023 ■ от,2,

проиллюстрированы обобщенные зависимости <?са для air = 5 градусов. Для определения рса при промежуточных значениях угла «1Г ис-

пользовался метод интерполяции.

Рис. 3. Коэффициент скорости СА при aw - 5°.

3.0

Переменный режим работы СА учитывается коэффициентом <рсх, который показывает, во сколько раз эффективность работы СА на переменном режиме отличается от работы на номинальном <Рсл-<Ра.1фа-Коэффициент получен по

по

экспериментальным данным и учитывает суммарное изменение всех видов потерь в С/ при изменении режима работы:

срС1 = 0.38386 + 1.61554-Ми + 1.43996-Mi, + 0.510-.Ш -0.07138-ЛТ?,

В качестве аргумента принято относительное число Маха Л?„ -MuIMf,, Mft- расчетно« число Маха, соответствующее минимуму интегральных потерь:

а) - М?,(5")-3.5723-1.85227-7с +0.42422-/' +0.0401-7';

б)- 1.4008 + 0.94783-/с -0.73702-/^ + 0.18785- 7^ В) - М'(9°) = -0.0724 + 2.45533- -1.19022-/" + 0.21553-7!-

Значение Mf, для промежуточных значений угла air определяются интерполяцией.

Рассмотрены и обобщены данные по РК, построенных с помощью дуг окружностей, РК лемнискатного типа и РК с рабочими решетками с больши! относительным шагом (конструкции ЛПИ).

Для определения коэффициента скорости для РК, построенных с помощью дуг окружностей, используется аналитическая зависимость, предложенная Линхардтом Х.Д.:

1-0.228

180

•[1-0.05 ^-l)2]-[1-0.06-(5,/У (

Эта зависимость определена от основных влияющих факторов: угла поворота поток 02=180°- -((51Г+(Згг); отношения ЬгЛг и числа М«1. Зависимость получена для рабочу сверхзвуковых колес с отношением 02к/12>10 в предположении, что отношение толщин выходной кромки к шагу решетки и отношение радиального зазора к высоте лопатк меньше 0.02. Зависимость содержит в себе составляющую потерь от утечки. Суммарны потери в РК лемнискатного типа с плоскими решетками определяются с применение способа, развитого в работах Самойловича Г.С., Троянского Б.М., а также Погодина Ю.1\ для сверхзвуковых решеток, как ^ = Спр + ¿¡«онц + где профильные потер составляются из потерь трения и кромочных потерь; концевые потери определяются к; разность между опытными значениями общих потерь и профильными потерями г данным продувок плоских решеток и представляются обобщенными зависимостям

увеличение потерь энергии при наличии угла атаки =К„

Ч

ЯП/7, в'П/?,,.

Квх = 0.3 • (1 + 0.5 • Ьг/Ь)- Профильные потери на расчетных режимах представляются виде суммы потерь трения, кромочных и волновых ^ Такс

эдставление позволяет воспользоваться результатами обобщений по дозвуковым шеткам, а различие степени влияния каждого из параметров на потери для до- и ерхзвуковых решеток учесть Аналитические выражения для и С1ож

едставляются в виде уравнения регрессии в зависимости от основных параметров,

ияющих на потери трения: е, =31г+(3,,, К = t>=t2/b2, Сж =^ss- и на

sinp& " " b2

1Лновые потери: am, а,, a2, Rcn, Rk. Для определения кромочных потерь, обусловленных нечной толщиной выходных кромок, используем известное выражение

' -—ЛИ—где Дгр - толщина выходной кромки лопатки РК. Приведенные

1висимости могут быть использованы в диапазоне изменения: IVht = 1.0 ... 1.85 и (Др/а)1>2 0...0.35. На режимах, отличных от расчетного, коэффициент Спр можно найти из зотношения:

= где коэффициент к? находятся по уравнению

агрессии. Потери энергии, связанные с конечной длиной лопатки будем учитывать ззффициентом концевых потерь Сганц, который может быть определен по известному 0.13 Ь, п

ыражению Сковд -------. В итоге потери в сверхзвуковых активных решетках С* при

} -г /3

асчетном угле натекания и равномерном потоке на входе в решетку определяются как умма выражений Cs = С^ +4*^-

Суммарные потери в трансзвуковой кольцевой решетке определяются по формуле

^"проф.пюск ^"вт.плоск ^^"нест 'г; '

Для РК с большим относительным шагом разработана эмпирическая зависимость |ля определения коэффициентов суммарных потерь в РК = Спр + 0<онц + 0 + Снест для ;ледующих изменений границ геометрических параметров: a2/at = 1.0, ajai = 0.935, íj/b2 = var; a2/a( = 1.0, ajai = 1.05, t2/b2 = var; a2/at = 1.0, í2/b2 = 1.5, aja, = va r; aja i = 1.0, t2/b2 = 1.5, a2/at=var.

Проведена апробация описанной модели для различных регулирующих ступеней и ступеней давления ММРТ. Использовались как модельные турбины, так и натурные. Зсего было апробировано 14 ступеней давления и 7 двухвенечных регулирующих ступеней. Результаты апробации дают основания считать разработанные модели адекватными и пригодными для использования для расчета и многорежимной оптимизации МРТ. Абсолютная погрешность для различных МРТ составила 0.5. ..2.5%.

¡о

Третья глава посвящена разработке ММ многорежимной оптимизации ММРТ проведению численного эксперимента на основе этой модели. Представлена Mi

многоступенчатой МРТ для расчета номинального и переменного режимов (рис. 4 Модель состоит из трех основных блоков: расчет регулирующей ступени, расчет ступене давления, расчет расхода рабочего тела за регулирующей ступенью. В начал рассчитывается номинальный режим работы. Затем переходим к расчету переменны режимов. Процесс организован итерационно, чтобы обеспечить заданное значение Рг з

Нсходпые дашше ¿as Р с наша

•ч

ступени

Блок 1а

1, *

Расчет твеиетной рсгеллръ

ступени

Блок 16

ч /

Расчет ступеней лдвлрнп« Блоки 2ь..2п

Определение мошнистп н КПД отсека

Исходные данные для расчета переменного режима

Расчет одноеенечной регулирующей ступени Блок 1а

ПоследовйгельныЛ расчет оуиеней лввленпя ия переменном режиме Блоки 2'-.-2о

X

Оценка мощности и КПД отсек» на пере иешго к ре>*и-«е

Определение частоты ерашеапя турбины на переменном

режиме

Хара ктеристнкя турбины я переменном режим?

Рис. 4. ММ номинального и пегэеменного оежимов ММРТ

турбиной. Описана модель МО регулирующей малорасходной ступени и построен модель многорежимной оптимизации ММРТ на заданные графики нагрузок. Основным исходными данными на ¡-ом режиме являются мощность турбины, частота вращени

if

бины, противодавление, свойства рабочего тела. Множество векторов режимных >аметров формирует программу регулирования МРТ, поэтому различные сочетания <имных параметров представляют собой разные программы регулирования, хматриваются шесть различных программ регулирования МРТ:

1 2) {rl,zciJ=U'l 3){pl„za,i=\t>\

0/ ? 1 ~ ^ H l,,i - 1,/i} Для избежания решений,

гадящих за область адекватности ММ, были введены ограничения в виде равенств и

- £

эавенств. Для ММРТ функция цели % = ---, где N, - внутренняя мощность турбины

i-ом режиме; Npacns - располагаемая мощность всей ММРТ; т - время работы турбины ¡-ом режиме; t - продолжительность работы всей турбины. Так как числитель ражения функции цели - величина, заданная графиком нагрузок, то максимум функции пи достигался путем определения минимума знаменателя. Следовательно, задача ксимизации функции цепи сводится к задаче минимизации суммарной располагаемой

щности = ¿(^.(/>0* Поиск минимума Nосуществляется на двух

эвнях: первый уровень - это оптимизация общережимных параметров; второй - опти-зация режимных параметров для регулирующей ступени при фиксированных ачениях общережимных параметров. Таким образом, оптимизация общережимных раметров осуществлялась в пространстве точек, в каждой из которых достигался ¡нимум Крась, по режимным параметрам. Для ММ многорежимной оптимизации югоступенчатой МРТ, описанная ранее модель многорежимной оптимизации МРТ, ляется вложенным блоком для оптимизации одной ступени. Оптимизация ММРТ оисходит итерационно по каждой ступени исходя из условия срабатывания заданного плоперепада. Блок-схема МО для ММРТ представлена на рис. 5.

Проведен численный эксперимент на основе разработанной модели югорежимной оптимизации ММРТ. Целью численного эксперимента было проведение авнительного анализа результатов многорежимной оптимизации ММРТ с оптимизацией I i-ый режим для разных программ регулирования. На рис. 6 представлены результаты в |де диаграмм относительного уменьшения (увеличения) располагаемой мощности МРТ. спроектированной на i-ый режим в сравнении с оптимизацией с учетом всех —I AiV' /

афиков нагрузок: AV™ = """/{„мо \ при заданном графике нагрузки Ne(t). Анализ

/ V* Р««1г 'шп

}зультатов показал, что выигрыш по располагаемой мощности (снижение расхода

(г.

Рис. 5. Блок-схема многорежимной оптимизации ММРТ

топлива) при многорежимной оптимизации составляет 0.1 - 17% в зависимости от графика нагрузки. Проектирование турбины на

Щ

тт&тту.

I

и максимальной мощности приводит к увеличению располагаемой мощности и да топлива на режимах с пониженной нагрузкой. Например, для графика нагрузки 0.45, 0.45, 0.1} соответствующий перерасход составляет от 0.6 до 3.0%. Увеличение эни работы ММРТ на максимальном режиме приводит к снижению расхода на 1чных режимах (для { п = 0.1, 0.1, 0.8} увеличение располагаемой мощности !вляет менее 1%). Сравнение эффективности различных программ регулирования 1ало, что наличие соплового регулирования приводит к снижению располагаемой

мощности для заданного графика мощностей на каждом режиме.

Также, была установлена возможность применения МО многоступенчатых МРТ в случаях, когда график нагрузки задан в виде непрерывной функции времени. В этом случае необходимо разбивать временной интервал на короткие промежутки, в которых режимные параметры слабо меняются и проездить ©птимизацию на каждом таком промежутке.

Анализ результатов проведенного численного эксперимента показал целесообразность применения

оступенчатых МРТ, построенных на основе малорасходных ступеней конструкции , как имеющие более высокую эффективность по сравнению с ММРТ, построенных задиционных парциальных ступенях..

Рассмотрен подход к расчету пусковых и остановочных режимов ММРТ. В основу ода положена методика расчета номинального и переменного режимов, аботанная в диссертации, в которой использованы обобщения экспериментальных ктеристик потерь кинетической энергии и коэффициентов расхода в широком рвале изменения геометрических и режимных параметров. Время выхода турбины на 1M и перехода с режима на режим определяется временем набора заданной частоты цения. Для определения характеристики n = f(x) необходимо решить

. 6. Увеличение Npa«, при однореисимной оптимизации по сравнению с МО.

ференциальное уравнение J~=Mr

dr

-м„

где J - удельный расход через

>ину; Мг - момент турбины; МНЗГр. - момент нагрузочного устройства. Это уравнение ет быть преобразовано к виду

— J — 30' ' dr

30 л

ni ni

где т^в -

' У

внутренняя мощность турбины; Ытрасп располагаемая мощность турбины; Ы0 - мощное турбины на номинальном режиме; п0 - частота вращения турбины на номинальн< режиме; п, - частота вращения турбины на ¡-ом режиме. В работе приведе: характеристики пусковых и остановочных режимов ММРТ.

В четвертой главе изложен подход к САПР проточных частей ММРТ и описа! методики построения СА и РК.

Составными структурными частями САПР являются проектирующие подсистем которыми называют выделенные по некоторым признакам части САПР, обеспечивающ получение законченных проектных решений на основании МО и документов основн элементов ММРТ. Составными функциональными частями САПР являются техническс математическое, программное, информационное, лингвистическое, организационное методическое обеспечение.

Проектирование турбины состоит в построении сопловых, направляющих рабочих профилей части лопатки, соответствующих, полученным в оптимизационн расчете, геометрическим характеристикам ММРТ при наименьших потерях кинетическ энергии и заданных мощностей или расходов рабочего тела, соответствующих график; нагрузок, при заданном уровне запаса прочности. Практическое профилирован сводится к построению профилей и высот лопаток для выбранных контрольных сечен проточной части турбины. Задача проектирования профилей и высот лопат сформулирована следующим образом. Заданы высоты лопаток, углы входа потока решетку и выхода из нее, характерный линейный размер решетки, например ее шири В, а также площадь сечения профиля f или иной, связанный с прочностью, параме' Требуется построить профиль решетки, в котором заданный поворот поте осуществлялся бы с возможно меньшими потерями энергии и форму проточной час ММРТ. После окончания профилирования возможно сформировать транзитн графический файл для передачи его в графический редактор АВТОКАД д последующего оформления чертежа в соответствии с требованиями стандарта.

В пятой главе представлен ряд конструкций ММРТ, проектирование котор осуществлялось на основе, изложенных в диссертации, методик по конкретн! техническим заданиям промышленности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан комплекс программ многорежимной оптимизации многоступенчат МРТ, позволяющий осуществлять проектирование ММРТ на оптимальные парамет с учетом заданных графиков нагрузок, проводить выбор наиболее рациональн программ регулирования, с учетом налагаемых ограничений. Заложенные в програм

fS~

1етодики и модели дают возможность как проектировать новые турбины в оответствии с требованиями заказчика, так и проводить исследования возможности юдернизации существующих за счет изменения конструктивных и режимных арактеристик.

'азработана программа выбора геометрических и режимных параметров, юзволяющая на начальной стадии проектирования определить по исходным данным 1араметры турбины и варьируя их s задаваемых диапазонах получить |редварительную оценку геометрии ступеней турбины. Полученные данные ^пользуются в окончательном расчете геометрии и в процессе оптимизации ММРТ, Доведены обобщения коэффициентов скорости и расхода для различных ■онструщий СА по экспериментальным данным для широкого диапазона изменения еометрических и режимных параметров: угол ctir от 5° до 22°, геометрическая степень »асширения fc от 1 до 2.82, относительная высота лопатки ЬА < 3.0, режимный гараметр число Маха на выходе из СА М» от 0.5 до 3.0. Установлены зависимости ;оэффициентов потерь энергии в СА Сед от геометрических параметров СА, На их )снове построены зависимости, используемые в математических моделях расчета ¡опловых аппаратов.

Приведены обобщения экспериментальных данных по рабочим решеткам ступеней \ЛМРТ, Диапазон изменения режимного параметра М2 от 0,5 до 2,0, угла входа в РК (Ji я 8° до 40° при различных соотношениях проходных сечений a-i, am, аг. Представлены обобщения по потерям кинетической энергии в рабочих решетках, эазработаны алгоритмы и программы расчета сопловых аппаратов, рабочих и направляющих венцоа ММРТ на переменных режимах, Разработаны математические иодели и программы расчета экономичности регулирующих одновенечных и Эвухвенечных ступеней. Модель представляет собой иерархическую структуру, включающую в себя описания физических процессов в проточной части ступеней ^газодинамические процессы в СА, межвенцевом пространстве, РК, определение знутренних потерь).

Проведенные апробации математических моделей для одно- и деухеенечных ступеней в широком диапазоне варьирования режимных и геометрических тараметров (угол выхода потока из СА air от 5° до 22°, степень расширения сопла fc от 1. до 2,82, высота лопаток РК от 5 мм до 23 мм, средний диаметр Dop от 90 мм до 300 \лм, и/Со' от 0,05 до 0.45) свидетельствуют об удовлетворительном совпадении результатов расчетов с экспериментальными данными и возможности их использования для разработки новых ММРТ. Абсолютная погрешность расчетных значений составляет 0.5-2.5%.

и

7. На основе решения дифференциального уравнения для частоты вращения рото| турбины описана методика расчета пусковых и остановочных режимов ММРТ.

8. Проведен численный эксперимент на основании разработанных методик и програл на различные графики нагрузок для многоступенчатой малорасходной турбин Результаты численного эксперимента показывают, что многорежимная оптимизац позволяет снизить располагаемую мощность (расход топлива) турбины по сравнен с однорежимной оптимизацией до 18% в зависимости от графика нагруз» Установлена возможность применения программы многорежимной оптимизац ММРТ в случае, когда график нагрузки является непрерывной функцией времени, a i дискретной. Показано, что применение ММРТ с малорасходными ступенж конструкции ЛПИ дает значительное увеличение эффективности и экономичности i сравнению с традиционными парциальными ступенями.

9. На основании разработанных оптимизационных методик создан новый mi многоступенчатых МРТ, работающих на оптимальных параметрах на заданш графиках нагрузок.

10. Создана программа геометрического построения сопловых аппаратов и рабоч решеток на основе результатов расчета геометрических параметров. Програми дает возможность используя расчетные или оптимизационные данные построй элементы проточной части ММРТ для визуального анализа полученных результатов последующей корректировки и изготовления чертежей с использованием графичесю пакетов.

Основные результаты диссертации опубликованы в:

1. Рассохин В,А., Садовничий В.Н., Шемагин А.К., Антонов С.С., Головин Н.М. Принциг создания проточных частей перспективных турбин на основе профилей ЛПИ большим относительным шагом // Тезисы доклада XLIV научно-технической сессии г проблемам газовых турбин. 1996. Москва.

2. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Садовничий ВН., Головин Н.М. Разработка оптимизация паровых турбин ГПУ малой мощности на основе малорасходнь ступеней ЛПИ И Тезисы доклада XLV научно-технической сессии по проблема газовых турбин. 1997. Санкт-Петербург.

3. Бусурин В.Н., Рассохин В.А., Шемагин А.К., Головин Н.М. Многорежимная оптимизац автономных энергетических установок // Материалы научно-технической конференць МОП РФ и МАНВШ. 1997. Санкт-Петербург.