Численное исследование влияния окружной неоднородности потока на силовое нагружение лопаток ТВД

Abstract

Одним из способов снижения динамических напряжений на рабочие лопатки, при условиях эксплуатации, близких к резонансным, может быть уменьшение внешних возбуждающих сил. В работе приведены результаты численного исследования влияния окружной неравномерности потока перед рабочим колесом на уровень нестационарных аэродинамических сил, приложенных к рабочим лопаткам турбины. При численном моделировании течения задавалась неоднородность поля полной температуры на входе в турбин, а также пленочное охлаждение соплового аппарата. Проведены расчёты нестационарных течений в ступени турбины высокого давления для трех вариантов геометрии соплового аппарата: 1 – с исходной геометрией, имеющей одинаковые площади геометрического горла в каждом межлопаточном канале; 2 – с геометрией, полученной чередованием двух типов секторов, по три канала в каждом, имеющих увеличенную а2 или уменьшенную а1 площадь горла; 3 – с геометрией, полученной чередованием каналов, имеющих увеличенную а2 или уменьшенную а1 площадь горла. По результатам Фурье-анализа нестационарных сил проведен спектральный анализ динамической составляющей этих сил. Получено снижения уровня нестационарных аэродинамических сил на рабочей лопатке по частоте z∙fn, где fn – частота вращения ротора, z – количество лопаток соплового аппарата.One of the methods used for the reduction of dynamic stresses in turbine blades when operating conditions are close to resonance conditions can be the reduction of external exciting forces. This scientific paper gives the data of numerical investigation of the influence of circumferential inhomogeneity before the turbine wheel on the level of nonstationary aerodynamic forces applied to turbine blades. With regard to the numerical flow simulation the full temperature field inhomogeneity was specified at the turbine inlet including the film deposition of the nozzle diaphragm. Nonstationary flows in the high pressure turbine stage were calculated for the three geometrical options of nozzle diaphragm: 1 – the initial geometry has the same area of geometric throat in each blade channel; 2 – the geometry obtained by the interlacing the two types of sectors; each includes three channels that have the enlarged area а2 or the reduced area а1 of throat; 3 – the geometry obtained by the interlacing of channels that have the enlarged area а2 or the reduced area а1 of throat; Using the Fourier – analysis data for nonstationary forces the spectral analysis of the dynamic component of these forces was done. A decrease in the level of nonstationary aerodynamic forces of z∙fn frequency was obtained for the turbine blade, where fn is the rotor speed, z is the number of blades in the nozzle diaphragm.