Сравнение эффективности использования регулируемых (поворотных) сопловых лопаток в ступенях турбин различного типа
Ключевые слова:
турбинная ступень: осевая активная, радиально-осевая, осевая реактивная, регулируемые (поворотные) сопловые лопатки (ПСЛ), коэффициент полезного действия, переменный расход
Аннотация
Высокая эффективность ступеней турбин с регулируемыми (поворотными) сопловыми лопатками (ПСЛ) во многом определяется возможностью достижения минимально допустимого зазора между торцами поворотных сопловых лопаток и неподвижными корневым и периферийным меридиональными обводами и сохранения его при повороте лопаток, так как перетекания рабочего тела через зазоры являются основным источником потерь.
Осуществление требования минимальности и сохранности зазоров в поворотных сопловых аппаратах возможно за счёт использования различных типов турбинных ступеней — осевых, радиальных, радиально-осевых с активным либо реактивным облопачиванием рабочих колёс. При этом следует учитывать уровень сложности и стоимость технологического изготовления того или иного типа ступени.
Представлены результаты расчётного (в ANSYSCFX) исследования влияния переменных расходов рабочего тела на относительный внутренний КПД для четырёх вариантов турбинной ступени: осевой активной ступени (ОС-А); радиально-осевой ступени (РОС); ступени с радиальным сопловым аппаратом (РСА), кольцевым безлопаточным радиально-осевым каналом (КРОК) и осевым рабочим колесом (ОК); осевой реактивной ступени (ОС-Р).
Расчёты выполнены в широком диапазоне изменения частоты вращения и расхода (0,5 < Gi/G0 < 1,5). Проведён подробный анализ влияния отдельных составляющих потерь на КПД hoi. Наибольшие значения КПД hoi во всём диапазоне изменения расхода рабочего тела получены для радиально-осевой ступени (РОС).
Литература
1. Румянцев В.В., Лущеко В.А., Мавлеев И.Р., Павленко А.П. Турбокомпрессор с регулируемым сопловым аппаратом: газодинамический расчёт, 3D-моделирование, CFD-анализ, характеристики // Труды НАМИ. 2023. № 1(292). С. 6—18.
2. Yang D. e. a. An Investigation of the Performance and Internal Flow of Variable Nozzle Turbines with Split Sliding Guide Vanes // Machines. 2022. V. 10(11). P. 1084.
3. Конюков В.Л. Анализ ограничений по улучшению показателей судовых дизелей с наддувом при использовании регулируемого соплового аппарата // Морские технологии: проблемы и решения: Сб. статей участников Национальной науч.-практ. конф. Керчь, 2021. С. 56—59.
4. Chen H., Huang, L. Variable Geometry Turbine Nozzle Design for High Expansio Ratios // Proc. ASME Turbo Expo 2018: Power for Land, Sea, and Air. Oslo, 2018. P. GT2018-57013.
5. Feneley A.J., Pesiridis A., Mahmoudzadeh A.A. Variable Geometry Turbocharger Technologies for Exhaust Energy Recovery and Boosting — a Review // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2017. V. 71. Pp. 959—975.
6. Лазарев Л.Я., Фадеев В.А. Результаты расчётов осевой турбинной ступени с различными меридиональными обводами регулируемого соплового аппарата // Вестник МЭИ. 2023. № 2. С. 125—136.
7. Zhang J., Zangeneh. M. Multidisciplinary and Multi-point Optimization of Radial and Mixed-inflow Turbines for Turbochargers Using 3D Inverse Design Method // Proc. XIV Intern. Conf. Turbochargers and Turbocharging. 2020. Pp. 263—277
8. Лазарев Л.Я., Черных А.П., Михаленко В.А., Фадеев В.А. Исследование характеристик радиально-осевой ступени турбины (РОС) турбодетандерного агрегата системы низкотемператной сепарации (НТС) природного газа // Компрессорные технологии. 2022. № 6. С. 14—22.
9. Демин Ю.В., Игнатьевский Е.А., Фролов В.В. Результаты исследования модифицированной радиально-осевой ступени // Труды МЭИ. 1980. С. 14—17.
10. Фадеев В.А. Характеристики осевой турбинной ступени с радиальным сопловым аппаратом при полном и частичном подводе рабочего тела: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1992.
11. Щегляев А.В. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин. М.: Энергоатомиздат, 1993.
12. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. М.: Машиностроение, 1976.
13. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1986
---
Для цитирования: Лазарев Л.Я., Фадеев В.А. Сравнение эффективности использования регулируемых (поворотных) сопловых лопаток в ступенях турбин различного типа // Вестник МЭИ. 2024. № 5. С. 100—111. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-5-100-111
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Rumyantsev V.V., Lushcheko V.A., Mavleev I.R., Pavlenko A.P. Turbokompressor s Reguliruemym Soplovym Apparatom: Gazodinamicheskiy Raschet, 3D-modelirovanie, CFD-Analiz, Kharakteristiki. Trudy NAMI. 2023;1(292):6—18. (in Russian).
2. Yang D. e. a. An Investigation of the Performance and Internal Flow of Variable Nozzle Turbines with Split Sliding Guide Vanes. Machines. 2022;10(11):1084.
3. Konyukov V.L. Analiz Ogranicheniy Po Uluchsheniyu Pokazateley Sudovykh Dizeley s Nadduvom pri Ispol'zovanii Reguliruemogo Soplovogo Apparata. Morskie Tekhnologii: Problemy i Resheniya: Sb. Statey Uchastnikov Natsional'noy Nauch.-prakt. konf. Kerch', 2021:56—59. (in Russian).
4. Chen H., Huang L. Variable Geometry Turbine Nozzle Design for High Expansio Ratios. Proc. ASME Turbo Expo 2018: Power for Land, Sea, and Air. Oslo, 2018:GT2018-57013.
5. Feneley A.J., Pesiridis A., Mahmoudzadeh A.A. Variable Geometry Turbocharger Technologies for Exhaust Energy Recovery and Boosting — a Review. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2017;71:959—975.
6. Lazarev L.Ya., Fadeev V.A. Rezul'taty Raschetov Osevoy Turbinnoy Stupeni s Razlichnymi Meridional'nymi Obvodami Reguliruemogo Soplovogo Apparata. Vestnik MEI. 2023;2:125—136. (in Russian).
7. Zhang J., Zangeneh. M. Multidisciplinary and Multi-point Optimization of Radial and Mixed-inflow Turbines for Turbochargers Using 3D Inverse Design Method. Proc. XIV Intern. Conf. Turbochargers and Turbocharging. 2020:263—277
8. Lazarev L.Ya., Chernykh A.P., Mikhalenko V.A., Fadeev V.A. Issledovanie Kharakteristik Radial'no-osevoy Stupeni Turbiny (ROS) Turbodetandernogo Agregata Sistemy Nizkotemperatnoy Separatsii (NTS) Prirodnogo Gaza. Kompressornye Tekhnologii. 2022;6:14—22. (in Russian).
9. Demin Yu.V., Ignat'evskiy E.A., Frolov V.V. Rezul'taty Issledovaniya Modifitsirovannoy Radial'no-osevoy Stupeni. Trudy MEI. 1980:14—17. (in Russian).
10. Fadeev V.A. Kharakteristiki Osevoy Turbinnoy Stupeni s Radial'nym Soplovym Apparatom pri Polnom i Chastichnom Podvode Rabochego Tela: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: MEI, 1992. (in Russian).
11. Shcheglyaev A.V. Parovye Turbiny. Teoriya Teplovogo Protsessa i Konstruktsii Turbin. M.: Energoatomizdat, 1993. (in Russian).
12. Sherstyuk A.N., Zaryankin A.E. Radial'no-osevye Turbiny Maloy Moshchnosti. M.: Mashinostroenie, 1976. (in Russian).
13. Ovsyannikov B.V., Borovskiy B.I. Teoriya i Raschet Agregatov Pitaniya Zhidkostnykh Raketnykh Dvigateley. M.: Mashinostroenie, 1986. (in Russian)
---
For citation: Lazarev L.Ya., Fadeev V.A. Comparison of the Effectiveness of Using Adjustable (Turning) Nozzle Vanes in Turbine Stages of Different Types. Bulletin of MPEI. 2024;5:100—111. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-5-100-111
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
2. Yang D. e. a. An Investigation of the Performance and Internal Flow of Variable Nozzle Turbines with Split Sliding Guide Vanes // Machines. 2022. V. 10(11). P. 1084.
3. Конюков В.Л. Анализ ограничений по улучшению показателей судовых дизелей с наддувом при использовании регулируемого соплового аппарата // Морские технологии: проблемы и решения: Сб. статей участников Национальной науч.-практ. конф. Керчь, 2021. С. 56—59.
4. Chen H., Huang, L. Variable Geometry Turbine Nozzle Design for High Expansio Ratios // Proc. ASME Turbo Expo 2018: Power for Land, Sea, and Air. Oslo, 2018. P. GT2018-57013.
5. Feneley A.J., Pesiridis A., Mahmoudzadeh A.A. Variable Geometry Turbocharger Technologies for Exhaust Energy Recovery and Boosting — a Review // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2017. V. 71. Pp. 959—975.
6. Лазарев Л.Я., Фадеев В.А. Результаты расчётов осевой турбинной ступени с различными меридиональными обводами регулируемого соплового аппарата // Вестник МЭИ. 2023. № 2. С. 125—136.
7. Zhang J., Zangeneh. M. Multidisciplinary and Multi-point Optimization of Radial and Mixed-inflow Turbines for Turbochargers Using 3D Inverse Design Method // Proc. XIV Intern. Conf. Turbochargers and Turbocharging. 2020. Pp. 263—277
8. Лазарев Л.Я., Черных А.П., Михаленко В.А., Фадеев В.А. Исследование характеристик радиально-осевой ступени турбины (РОС) турбодетандерного агрегата системы низкотемператной сепарации (НТС) природного газа // Компрессорные технологии. 2022. № 6. С. 14—22.
9. Демин Ю.В., Игнатьевский Е.А., Фролов В.В. Результаты исследования модифицированной радиально-осевой ступени // Труды МЭИ. 1980. С. 14—17.
10. Фадеев В.А. Характеристики осевой турбинной ступени с радиальным сопловым аппаратом при полном и частичном подводе рабочего тела: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1992.
11. Щегляев А.В. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин. М.: Энергоатомиздат, 1993.
12. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. М.: Машиностроение, 1976.
13. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1986
---
Для цитирования: Лазарев Л.Я., Фадеев В.А. Сравнение эффективности использования регулируемых (поворотных) сопловых лопаток в ступенях турбин различного типа // Вестник МЭИ. 2024. № 5. С. 100—111. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-5-100-111
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Rumyantsev V.V., Lushcheko V.A., Mavleev I.R., Pavlenko A.P. Turbokompressor s Reguliruemym Soplovym Apparatom: Gazodinamicheskiy Raschet, 3D-modelirovanie, CFD-Analiz, Kharakteristiki. Trudy NAMI. 2023;1(292):6—18. (in Russian).
2. Yang D. e. a. An Investigation of the Performance and Internal Flow of Variable Nozzle Turbines with Split Sliding Guide Vanes. Machines. 2022;10(11):1084.
3. Konyukov V.L. Analiz Ogranicheniy Po Uluchsheniyu Pokazateley Sudovykh Dizeley s Nadduvom pri Ispol'zovanii Reguliruemogo Soplovogo Apparata. Morskie Tekhnologii: Problemy i Resheniya: Sb. Statey Uchastnikov Natsional'noy Nauch.-prakt. konf. Kerch', 2021:56—59. (in Russian).
4. Chen H., Huang L. Variable Geometry Turbine Nozzle Design for High Expansio Ratios. Proc. ASME Turbo Expo 2018: Power for Land, Sea, and Air. Oslo, 2018:GT2018-57013.
5. Feneley A.J., Pesiridis A., Mahmoudzadeh A.A. Variable Geometry Turbocharger Technologies for Exhaust Energy Recovery and Boosting — a Review. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2017;71:959—975.
6. Lazarev L.Ya., Fadeev V.A. Rezul'taty Raschetov Osevoy Turbinnoy Stupeni s Razlichnymi Meridional'nymi Obvodami Reguliruemogo Soplovogo Apparata. Vestnik MEI. 2023;2:125—136. (in Russian).
7. Zhang J., Zangeneh. M. Multidisciplinary and Multi-point Optimization of Radial and Mixed-inflow Turbines for Turbochargers Using 3D Inverse Design Method. Proc. XIV Intern. Conf. Turbochargers and Turbocharging. 2020:263—277
8. Lazarev L.Ya., Chernykh A.P., Mikhalenko V.A., Fadeev V.A. Issledovanie Kharakteristik Radial'no-osevoy Stupeni Turbiny (ROS) Turbodetandernogo Agregata Sistemy Nizkotemperatnoy Separatsii (NTS) Prirodnogo Gaza. Kompressornye Tekhnologii. 2022;6:14—22. (in Russian).
9. Demin Yu.V., Ignat'evskiy E.A., Frolov V.V. Rezul'taty Issledovaniya Modifitsirovannoy Radial'no-osevoy Stupeni. Trudy MEI. 1980:14—17. (in Russian).
10. Fadeev V.A. Kharakteristiki Osevoy Turbinnoy Stupeni s Radial'nym Soplovym Apparatom pri Polnom i Chastichnom Podvode Rabochego Tela: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: MEI, 1992. (in Russian).
11. Shcheglyaev A.V. Parovye Turbiny. Teoriya Teplovogo Protsessa i Konstruktsii Turbin. M.: Energoatomizdat, 1993. (in Russian).
12. Sherstyuk A.N., Zaryankin A.E. Radial'no-osevye Turbiny Maloy Moshchnosti. M.: Mashinostroenie, 1976. (in Russian).
13. Ovsyannikov B.V., Borovskiy B.I. Teoriya i Raschet Agregatov Pitaniya Zhidkostnykh Raketnykh Dvigateley. M.: Mashinostroenie, 1986. (in Russian)
---
For citation: Lazarev L.Ya., Fadeev V.A. Comparison of the Effectiveness of Using Adjustable (Turning) Nozzle Vanes in Turbine Stages of Different Types. Bulletin of MPEI. 2024;5:100—111. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-5-100-111
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2024-06-18
Выпуск
Раздел
Турбомашины и поршневые двигатели (технические науки) (2.4.7)
