Введение к работе
Актуальность проблемы. Малорасходные турбинные ступени (МРТ) широко используются в энергетических установках подводных и космических аппаратов, системах бортовых источников питания, для привода вспомогательных агрегатов ракетных двигателей, в судовых турбинах заднего хода, агрегатах наддува двигателей внутреннего сгорания. Требования надёжности, простоты и технологичности конструкции, массогабаритные и прочностные ограничения, малые объёмные расходы рабочего тела при высоких начальных параметрах обусловим применение в основном парциальных активных одновенечных и двухвенечных сверхзвуковых МРТ. Практически во всех областях применения требование высокой экономичности в широком диапазоне режимов работы является обязательным условием.
Характерные особенности МРТ: малые величины объёмного расхода рабочего тела и относительных высот сопловых и рабочих лопаток; широкий диапазон изменения срабатываемого перепада энтальпий; сверхзвуковые скорости в проточной части; изменение величины и направления утечек рабочего тела приводят к значительному снижению эффективности особенно при переменном режиме работы. С другой стороны, сравнительно низкая эффективность МРТ и в конечном итоге всей энергетической установки на переменном режиме часто определяется используемым способом проектирования, при котором турбина расчитывается на номинальный режим и при этом достижение максимально возможного КПД является приоритетной задачей. Эффективность работы на переменном режиме хотя и учитывается при выборе окончательного варианта проточной части, но приобретает второстепенное значение.
В ряде случаев, определяемых конкретными условиями работы и использованием малых объёмов высокотемпературного и двухфазного рабочего тела, целесообразно применение МРТ конструкции ЖШ, к характерным особенностям которых относятся полный подвод рабочего тела (s=1), малые углы выхода потока из соплового аппарата (а]г=5...9) и использование рабочих решеток (РР) с большим относительным шагом (t/o=1.?....2.2), что позволяет устранить дополнительные потери от парциального подвода.
Эффективное использование таких МРТ в автономных энергетических установках (АЭУ) требует как экспериментального совершенствования ступеней при больших степенях расширения
рабочего тела, так и проведения обобщений потерь энергии в сопловых и рабочих решётках, разработки методов расчёта переменных режимов работы МРТ ЛПИ, позволяющих оценить эффективность работы сверхзвуковой МРТ и проводить многорежимную оптимизацию проточной части на заданный график нагрузки всей АЭУ в широком диапазоне варьирования геометрических и рекимных параметров.
Целью работы является повышение эффективности МРТ о большим относительным шагом лопаток на номинальном и переменном режимах в широком интервале варьирования геометрических и режимных параметров на основе экспериментального исследования ступеней, математического моделирования и оптимизации. Цель работы определила следущие задачи, реализованные в . программе исследований:
-экспериментальное исследование одноступенчатых МРТ конструкции ЛПИ на номинальном и переменном режимах работы;
-обобщение экспериментальных характеристик элементов МРТ в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров;
-разработку математических моделей алгоритмического типа переменного режима работы МРТ и апробацию моделей по результатам экспериментальных и натурных исследований;
-проведение многорежимной оптимизации МРТ на заданные графики нагрузки.
Научную новизну диссертационной работы составляют:
-экспериментальные характеристики одноступенчатых МРТ с большим относительным шагом рабочих лопаток на переменных режимах работы при больших степенях расширения рабочего тела (4<тст<30);
-математические модели переменного режима работы одновенечной и двухвенечной МРТ с большим относительным шагом рабочих лопаток;
-обобщения коэффициентов скорости сопловых аппаратов с малым углом выхода потока (5<а1г<9) и плоских рабочих решёток с большим относительным шагом (1.2
-многорекимная оптимизация геометрических и режимных параметров МРТ ЛПИ на основе задания графика нагрузки двумя
способами: расходом рабочего тела G=G(%) и мощностью МРТ N=ff(%), задаваемой графиком нагрузки АЭУ. многорекимная оптимизация позволяет повысить эффективность АЭУ на 2...5 абсолютных;
-численное исследование течения в сопловых каналах исследованных МРТ, установившее значительное локальное
2.
перерасширение потока вблизи критического сечения соплового канале.
Достоверность и обоснованность научных резуьтатов подтверждена оценкой погрешности измерений и методикой экспериментальных исследований, широким обобщением апробированных экспериментальных данных., использованием современных методов вычислительной математики, выполнением тестовых расчётов на различных моделях и сравнением полученных результатов с экспериментальными данными других- авторов.
Практическая ценность работы заключается б том, что испольвование при проектировании МРТ ЛПИ полученных экспериментальных зависимостей эффективности одноступенчатых МРТ и рабочих решёток о большим относительным шагом позволяет проводить выбор оптимальных геометрических характеристик ступеней по заданным режимным параметрам;
-применение при проектировании программного комплекса математических моделей переменного режима работы одноступенчатой и двухступенчатой МРТ ЛПИ позволяет выполнить однорежимную и многорежимную оптимизацию на заданные графики нагрузок;
-использование обобщений, обладавших высокой степенью информативности, характеристик кольцевых решёток сопловых
аппаратов tp=/fa1r, fc, M1t) и плоских, решеток с большим углом поворота потока Ф=/(ї/о, а^'а^, a^/a^, %р^> позволяет проводить оптимизацию основных геометрических и режимных, параметров решёток на ранних стадиях проектирования.
Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи, модернизации экспериментального стенда, проведении и анализе результатов экспериментальных исследований, обобщении характеристик сопловых и рабочих решёток ЛПИ, создании программного комплекса математических моделей переменного режима работы МРТ ЛПИ, проведении многорежимной оптимизации на заданные графики нагрузки.
Апробация работы. Основные результаты проведённых исследований докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Инновационные наукоёмкие технологии для России", СПоТТУ (1995 э о.-Петербург); International Symposium Heat Transfer Enhancement in Power Machinery (1995, Moscow); научно-технических семинарах НПО "Уран" ,1991г, НИИ "Мортеплотехника" 1993г.
Публикации. По результатам работы имеется три публикации,
выпущены 5 научно-технических отчётов.
На защиту выносятся результаты експериментального исследования одаовенечных МРТ, математическая модель переменного режима работы и обобщения газодинамических характеристик элементов, результаты многорежимной и однорежимной оптимизации МТТ с большим относительным шагом.
Структура и объем работа. Общий объём диссертации 290 страниц, в том числе 137 рисунков, 16 таблиц и список литературы из НО наименований. Имеется 4 приложения на 23 страницах.