АНАЛІЗ ВПЛИВУ РЕЖИМНИХ І ГЕОМЕТРИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ЕФЕКТИВНІСТЬ РЕШІТОК ПРОФІЛІВ СТУПЕНІВ ОСЬОВИХ ТУРБІН

Р. Русанов; А. Русанов; М. Чугай

doi:10.15407/scine21.02.073

Автор(и)

Р. Русанов Інститут енергетичних машин і систем ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0003-2930-2574
А. Русанов Інститут енергетичних машин і систем ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0002-9957-8974
М. Чугай Інститут енергетичних машин і систем ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0002-0696-4527

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine21.02.073

Ключові слова:

методи проєктування, газодинамічна ефективність, проточна частина турбіни, активний ступінь, реактивний ступінь

Анотація

Вступ. Лопаткові роторні машини існують й активно використовуються у різних галузях понад сто років, зокрема й у турбінах і турбодетандерах осьового типу: парові та газові енергетичні турбіни, авіаційні газотурбінні двигуни тощо.
Проблематика. Сучасні методи проєктування і технології виробництва дозволяють створювати осьові турбіни з достатньо високою газодинамічною ефективністю, яка визначається незворотними втратами кінетичної енергії потоку в реальному процесі порівняно з ідеальним процесом, зазвичай, ізоентропним. На сьогодні стало майже нормою
те, що в нових турбінах на номінальних режимах роботи втрати кінетичної енергії нижчі за 10 %. Актуальним є встановлення величини реального, мінімального значення втрат кінетичної енергії, якого можна досягти в осьовій турбіні для відповідних умов роботи.
Мета. Дослідження впливу режимних і геометричних характеристик — ефективний кут статора, числа Рейнольдса й безрозмірної умовної швидкості теплового перепаду на ступені, на ефективність активних і реактивних ступенів решіток профілів осьових турбін.
Матеріали й методи. Застосовано сучасні чисельні методи розрахунку й проєктування проточних частин турбомашин, реалізованих у вигляді програмного комплексу IPMFlow.
Результати. Отримано низку нових результатів і закономірностей підвищення газодинамічної ефективності ступенів решіток профілів осьових турбін. Для кожної з розглянутих точок із заданими режимними і геометричними параметрами розроблено за принципом «раціонального» проєктування ступені решіток профілів, газодинамічна ефективність яких близька до максимально можливої. Показано, що при числах Рейнольдса більших за 5 × 10⁶, значення втрат кінетичної енергії у ступенях решіток профілів можуть бути нижчими 2 %.
Висновки. За результатами досліджень отримано низку нових результатів і закономірностей, які можуть бути застосовані при проєктуванні й модернізації осьових турбін з метою підвищення їхньої ефективності.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Біографія автора

Р. Русанов, Інститут енергетичних машин і систем ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України

Номер телефону для контакту: +38-095-423-51-21

Посилання

Bloch, H. P., Murari, P. S. (2009). Steam Turbines: Design, Applications, and Rerating. New York.

Shao, S., Deng, Q. H., Feng, Z. P. (2013, June). Aerodynamic optimization of the radial inflow turbine for a 100kW-class micro gas turbine based on metamodel-semi-assisted method. In Proceedings of the ASME Turbo Expo 2013 (3—7 June 2013, San Antonio). San Antonio. https://doi.org/10.1115/GT2013-95245

Guo, Z. D., Song, L. M., Zhou, Z. M., Li, J., Feng, Z. P. (2015). Aerodynamic analysis and multi-objective optimization design of a high pressure ratio centrifugal impeller. J. Eng. Gas Turbines Power, 092602—14. https://doi.org/10.1115/GT2014-25496

Witanowski, L., Klonowicz, P., Lampart, P., Klimaszewski, P., Suchocki, T., Jedrzejewski, L., Zaniewski, D., Ziółkowski, P. (2023). Impact of rotor geometry optimization on the off-design ORC turbine performance. Energy, 265, art. no. 126312 https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.126312.

Wu, R., Liu, D., Zheng, J., Tong, J., Ye, X. (2024). Optimization on Main Steam Pressure of a Steam Turbine Under Low Loads Based on IGWO-SVM. Dongli Gongcheng Xuebao/Journal of Chinese Society of Power Engineering, 44 (7), 1042— 1050. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2024.230345.

Miyoshi, I., Higuchi, S., Kishibe, T. (2013). Improving the performance of a high pressure gas turbine stage using a profiled endwall. Proceedings of the ASME Turbo Expo, 6 A. https://doi.org/10.1115/GT2013-95148

Zhang, R., Zhang, W., Gan, M., Xiao, W., Zeng, F., Zhao, D. (2024). Toward high-lift low-solidity design for incidence tolerant gas turbine blade profile. Energy, 309, art. no. 133034. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.133034

Zou, Z., Wang, S., Liu, H., Zhang, W. (2018). Axial turbine aerodynamics for aero-engines: Flow analysis and aerodynamics design. Axial Turbine Aerodynamics for Aero-Engines: Flow Analysis and Aerodynamics Design, 1—563. https://doi.org/10.1007/978-981-10-5750-2

Guzović, Z., Kastrapeli, S., Budanko, M., Klun, M., Rašković, P. (2024). Improving the thermodynamic efficiency and turboexpander design in bottoming organic Rankine cycles: The impact of working fluid selection. Energy, 307, art. no. 132642. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.132642.

Abdalhamid, A.M.K., Eltaweel, A. (2024). Design and analysis of a single-stage supersonic turbine with partial admission. Energy, 309, art. no. 133100. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.133100

Denton, J. D. (2017, June). Multall: An Open Source, CFD Based, Turbomachinery Design System. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 2B: Turbomachinery (June 26—30, 2017, Charlotte, North Carolina, USA). Charlotte, North Carolina. https://doi.org/10.1115/GT2017-63993

Zhang, M., He, L. (2015). Combining shaping and flow control for aerodynamic optimization. AIAA Journal, 53(4), 888—901. https://doi.org/10.2514/1.J053277

Wilson, D., Korakianitis, T. (2014). The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines. Cambridge, MA. https://doi.org/10.7551/mitpress/9940.001.0001

Arko, B. M., McQuilling, M. (2013). Computational study of high-lift low-pressure turbine cascade aerodynamics at low Reynolds number. Journal of Propulsion and Power, 29(2), 446—459. https://doi.org/10.2514/1.B34576

Michalek, J., Straka, P. (2013). A comparison of experimental and numerical studies performed on a low-pressure turbine blade cascade at high-speed conditions, low Reynolds numbers and various turbulence intensities. Journal of Thermal Science, 22(5), 413—423. https://doi.org/10.1007/s11630-013-0643-9

Ghelani, R., Roumeliotis, I., Saias, C. A., Mourouzidis, C., Pachidis, V., Norman, J., Bacic, M. (2024). Integrated Hybrid Engine Cycle Design and Power Management Optimization. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 146(10), art. no. 101007. https://doi.org/10.1115/1.4065020

Badum, L., Schirrecker, F., Cukurel, B. (2024). Multidisciplinary Design Methodology for Micro-Gas-Turbines — Part I: Reduced Order Component Design and Modeling. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 146(10), art. no. 101001. https://doi.org/10.1115/1.4064825

Du, Z., Cai, L., Zeng, J., Chen, Y., Zhou, X., Wang, S. (2024). Enhancing Aerodynamic Performance of a Non-Axisymmetric Endwall Contoured Cascade Through Section Profiling Method. Journal of Turbomachinery, 146(12), art. no. 121004. https://doi.org/10.1115/1.4065859

Duan, P. H., He, L. (2024). Design Optimization of Blade Tip in Subsonic and Transonic Turbine Stages — Part I: Stage Design and Preliminary Tip Optimization. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 146(9), art. no. 091001. https://doi.org/10.1115/1.4064325

Giel, P. W., Shyam, V., Juangphanich, P., Clark, J. P. (2020). Effects of trailing edge thickness and blade loading distributi on on the aerodynamic performance of simulated CMC turbine blades. Proceedings of the ASME Turbo Expo, 2B-2020, art. no. V02BT33A028. https://doi.org/10.1115/GT2020-15802

Wang, K., Chen, F., Yu, J., Song, Y., Ghorbaniasl, G. (2023). Effect of uncertain operating conditions on the aerodynamic performance of high-pressure axial turbomachinery blades. Energy, 283, art. no. 128991. https://doi.org/10.1016/j.energy. 2023.128991

Wang, X., Li, W., Zhu, Y., Zuo, Z., Chen, H. (2021). Optimal design and flow loss reduction mechanism of bowed guide vane in a compresses-air energy storage axial flow turbine. Energy Stor. Sci. Tech., 10(5), 1524—1535. https://doi.org/10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0338

Ghandi, H., Togh, R. A., Tousi, A. M. (2020). Investigation on the aerodynamic performance and boundary layer cha racteristics of high deflection industrial turbine cascade at off-design conditions. Journal of Mechanical Science and Technology, 34(12), 5261—5269. https://doi.org/10.1007/s12206-020-1127-y

Li, L., Zhang, W., Li, Y., Zhang, R., Liu, Z., Wang, Y., Mu, Y. (2024). A non-parametric high-resolution prediction method for turbine blade profile loss based on deep learning. Energy, 288, art. no. 129719. https://doi.org/10.1016/j.energy.2023. 129719

Duan, P., Tan, C. S., Scribner, A., Malandra, A. (2018). Loss generation in transonic turbine blading. Journal of Turbomachinery, 140(4), art. no. 041006. https://doi.org/10.1115/1.4038689

Miki, K., Ameri, A. (2024). Numerical Investigation of the Effect of Trailing Edge Thickness of Simulated Ceramic Matrix Composite Blades on Loss Profiles. Journal of Turbomachinery, 146(9), art. no. 091009. https://doi.org/10.1115/1.4065184

Miki, K., Ameri, A. (2022). Improved Prediction of Losses With Large Eddy Simulation in a Low-Pressure Turbine. Journal of Turbomachinery, 144(7), art. no. 071002. https://doi.org/10.1115/1.4053234

Przytarski, P. J., Wheeler, A. P. S. (2021). Accurate prediction of loss using high fidelity methods. Journal of Turbomachinery, 143(3), 1—13. https://doi.org/10.1115/GT201877125.

Vazquez, R., Antoranz, A., Cadrecha, D., Armananzas, L. (January, 2016). The Influence of Reynolds Number, Mach Num ber and Incidence Effects on Loss Production in Low Pressure Turbine Airfoils. ASME Turbo Expo. Paper No. GT2006-91121 https://doi.org/10.1115/GT2006-91121

Dellacasagrande, M., Lengani, D., Simoni, D., Ubaldi, M., Granata, A. A., Giovannini, M., Rubechini, F., Bertini, F. (2023). Analysis of unsteady loss sensitivity to incidence angle variation in low pressure turbine. Proceedings of the ASME Turbo Expo, 13B, art. no. v13bt30a037. https://doi.org/10.1115/GT2023-103770

Wang, J., Yin, Z., Zhang, H., Tang, H., Xu, Y., Chen, H. (2023). Adaptive prediction of turbine profile loss and multiobjective optimization in a wide incidence range. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 237(12), 2696—2713. https://doi.org/10.1177/09544062221140969

Ohiemi, I. E., Sunsheng, Y., Singh, P., Li, Y., Osman, F. (2023). Evaluation of energy loss in a low-head axial flow turbine under different blade numbers using entropy production method. Energy, 274, art. no. 127262, https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.127262

Guan, Y., Li, W., Zhu, Y., Wang, X., Zhang, Y., Chen, H. (2024). Energy loss analysis in two-stage turbine of compres sed air energy storage system: Effect of varying partial admission ratio and inlet pressure. Energy, 305, art. no. 132214. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.132214

Rusanow, A. V., Lampart, P., Pashchenko, N. V., Rusanov, R. A. (2016). Modelling 3D steam turbine flow using thermodynamic properties of steam IAPWS-95. Polish Maritime Research, 23(1), 61—67. https://doi.org/10.1515/pomr2016-0009

Yershov, S., Rusanov, A., Gardzilewicz, A., Lampart, P. (1999). Calculation of 3D viscous compressible turbomachinery flows. American Society of Mechanical Engineers, Pressure Vessels and Piping Division (Publication), 397 II, 143—154.

Lampart, P., Yershov, S., Rusanov, A., Szymaniak, M. (2004). Tip leakage/main flow interactions in multi-stage HP turbines with short-height blading. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2004, 5B, 1359—1367. https://doi.org/10.1115/GT2004-53882

Yershov, S., Rusanov, A., Shapochka, A., Lampart, P., Wirydczuk, J., Gardzilewicz, A. (2002). Shape optimization of two turbine stages using the deformed polyhedron method and a three-dimensional RANS solver. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 216(2), 203—213. https://doi.org/10.1243/09576500260049214

Rusanov, A., Rusanov, R., Klonowicz, P., Lampart, P., Żywica, G., Borsukiewicz, A. (2021). Development and experimental validation of real fluid models for CFD calculation of ORC and steam turbine flows. Materials, 14(22), 6879. https://doi.org/10.3390/ma14226879

Rusanov, A., Rusanov, R. (2021). The influence of stator-rotor interspace overlap of meridional contours on the efficiency of high-pressure steam turbine stages. Archives of Thermodynamics, 42(1), 97—114. https://doi.org/10.24425/ather. 2021.136949

Rusanov, A., Subotin, V., Shvetsov, V., Rusanov, R., Palkov, I., Chugay, M. (2022). Application of innovative solutions to improve the efficiency of the LPC flow part of the 220 MW NPP steam turbine. Archives of Thermodynamics, 43(1), 63—87. https://doi.org/10.24425/ather.2022.140925

Rusanov, A., Chugay, M., Rusanov, R. (2023). Advanced Computer Technologies in the New Flow Part Development for Reactive Type HPC Steam Turbine of T-100 Series. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 55—63. https://doi.org/10.1007/978-3-031-18487-1_6

Liepman, H. W., Roshko, A. (2002). Elements of gasdynamics. Mineola, New York. 464 p.

Powers, J. M. (2019). Lecture notes on gas dynamics. Notre Dame, Indiana.

Liu, P. (2021). A General Theory of Fluid Mechanics. Springer Singapore. 649 p. https://doi.org/10.1007/978-98 1-33-6660-2