Комбинированный метод аэродинамической оптимизации ступени осевой турбины

Abstract

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.16 – турбомашины и турбоустановки. – Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, 2016. Диссертация посвящена разработке комбинированного метода аэродинамической оптимизации ступени осевой турбины, который основываясь на поочередном решении одномерной и трехмерной задач, позволяет значительно повысить эффективность всей ступени при этом учитывая как характер течения рабочего тела в решетках, так и влияние на него протечек. На основании современной тенденций к использованию методов вычислительной аэродинамики (CFD) при оптимизации проточных частей осевых турбин и при этом задействуя как можно большее количество управляющих параметров в оптимизационном процессе, предложен комбинированный метод оптимизации. Предложенный метод использует одномерную и трехмерную оптимизацию, что позволяет существенно повышать аэродинамическую эффективность ступеней, при этом значительно экономя время, необходимое для проведения расчетов. С помощью предложенного метода оптимизации и методики расчета протечек в осерадиальном уплотнении выполнена оптимизация 3-й ступени ЦВД турбины К-540-23,5. Результаты проведенных расчетов показали, что повышение эффективности ступени на этапе одномерной оптимизации происходит за счет выбора на среднем радиусе оптимальных α1, β2, значений степени реактивности ρ и относительного шага решетки t/b. Повышение эффективности ступени на этапе трехмерной оптимизации происходит за счет: выбора оптимального значения входного геометрического угла β1г рабочего профиля, обеспечившего улучшение обтекания профиля; устранения локальных диффузорных участков в межлопаточном канале; нахождения оптимальных законов закрутки, обеспечивающих равномерное натекание потока по всей высоте рабочих лопаток. Суммарно абсолютный КПД новой ступени увеличился более чем на 1 %.Thesis for degree of Candidate of Sciences in Technique for speciality 05.05.16 – turbomachinery and turbine-installations. – National Technical University "Kharkiv Polytechnical Institute", Kharkiv, 2016. This thesis deals with the development of the combined method of aerodynamic optimization of the axial turbine stage, based on the iterative usage of one-dimensional and three-dimensional theories, thereby can significantly improve the efficiency of the entire stage taking into account the nature of the flow around turbine profiles and the impact of leakage on it. Based on current trends of using computational fluid dynamic methods (CFD) while optimizing of the flow path of the axial turbines, with engaging the largest pos-sible number of control parameters in the optimization process, the combined optimization method is provided. Developed method uses one-dimensional and three-dimensional optimization theories and can noticeably improve aerodynamic efficiency of whole turbine stage, thus significantly saving the time required for the simulations. A three-step comprehensive comparison of the results of simulations with the experimental data confirmed the accuracy of CFD usage while developing the optimization method. To calculate amount of leakage in the radial clearance during one-dimensional optimization phase more accurate, the methodology of flow rate determining in axial-radial seals depending on geometrical, operational characteristics and considering rotor against stator displacement was developed using a series of CFD simulations. Advanced CFD study was conducted to compare the axial-radial seal with the straight-flow one and to identify the new more effective designs of seal. It was shown that creation of artificial roughness on the shaft of the straight-flow seal could reduce the leakage by 45 % compared to the axial-radial seal. Utilizing the developed optimization method and the methodology of leakage calculation in the axial-radial seal, the optimization of the 3rd stage of the high pressure turbine K-540-23,5 was made. As a result of the optimization a new stage with an absolute efficiency increase more than 1 % compared to the original design was obtained.