Комбінований метод аеродинамічної оптимізації ступеня осьової турбіни - Максюта, Дмитро Ігорович (НТУ "ХПІ", 2016)
Дисертація присвячена розробці комбінованого методу аеродінамічної оптимізації ступеня осьової турбіни, який ґрунтуючись на почерговому вирішенні одновимірної та тривимірної задач, дозволяє значно підвищити ефективність всього ступеня враховуючи як характер течії робочого тіла в решітках, так і вплив на неї витоки. На підставі сучасної тенденцій до використання методів чисельної аеродинаміки (CFD) при оптимізації проточних частин осьових турбін і при цьому задіяючи якомога більшу кількість управляючих параметрів в оптимізаційному процесі, запропонований комбінований метод оптимізації. Запропонований метод використовує одновимірну та тривимірну оптимізації, що дозволяє істотно підвищувати аеродинамічну ефективність ступенів, при цьому значно заощаджуючи час, необхідний для проведення розрахунків. При розробці методу оптимізації достовірність застосування методів CFD підтверджена шляхом триетапного порівняння результатів розрахунків з результатами експериментальних досліджень. Для отримання більш точних даних кількості витоки робочого тіла в радіальний зазор при проведенні етапу одновимірної оптимізації, розроблена методика для визначення коефіцієнта витрати вісерадіального ущільнення в залежності від його геометричних і режимних характеристик, а також з урахуванням зсуву ротора відносно статора від теплового розширення. Дана методика розроблялася шляхом проведення серії CFD розрахунків. Додатково проведено CFD дослідження для порівняння вісерадіальних ущільнень з прямоточними та виявлення нових ефективних конструкцій ущільнень, яке показало, що шляхом створення штучної шорсткості на валу прямоточного ущільнення можна зменшити витрату через нього на 45 % в порівнянні з вісерадіальними ущільненнями. За допомогою запропонованого методу оптимізації та методики розрахунку витоки в вісерадіальному ущільненні виконана оптимізація 3-го ступеня ЦВТ турбіни К-540-23,5. Результати проведених розрахунків показали, що абсолютний ККД нового ступеня збільшився більш ніж 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.
The combined method of aerodynamic optimization of the axial turbine stage
Keywords: ступінь осьової турбіни; комбінована оптимізація; одновимірна та тривимірна теорії; CFD моделювання; ущільнення; методика оцінки витоки; збільшення ККД; автореферат дисертації; axial turbine stage; combined optimization; one-dimensional and three-dimensional theory; CFD modeling; direct-flow and axial-radial seal; leakage assessment methodology; efficiency increasing; 621.165