Features of Gas Flow in the Axial Stage of a Turbine with an Adjustable Nozzle Vane Assembly
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2022-5-101-111Keywords:
turbine stage, adjustable (rotary) nozzle vane assembly, end gaps in ANVA, losses, gap tightening measures, turbine stage efficiencyAbstract
The method of changing the gas flow rate through the turbine by adjusting (turning) the nozzle vanes has been known as the most economical one for more than 50 years. It is most widely used in transport gas turbines and internal combustion engine pressurization units. Recently, many articles have appeared in the technical literature on the advisability of using adjustable nozzle vane assemblies (ANVA) in advanced aircraft engines, power generating units, and in turbo-expander units of natural gas preparation and low-temperature separation systems. In all cases of using ANVAs, their developers are attracted by the possibility of economical and reliable provision of variable operating modes of installations.
The article shows by calculation that a decrease in the stage efficiency due to the presence of end gaps in the ANVA, related to the flow-over the nozzle vane ends on the profile pressure side to the suction side and subsequent interaction with the main flow through the interblade channel, can be so significant, especially with low-height vanes, that it can lead to vanishing the advantages of this flowrate changing method.
Design measures for tightening the gaps in the form of peripheral and root cylindrical bosses at the profile ends, which eliminate overflows in the vane end major part and partially screening the gap are proposed and studied.
A favorable effect of the proposed measures on the losses in the ANVA and in the turbine stage has been confirmed.
References
2. Кустарев Ю.С., Костюков А.В. Осевые турбины транспортных ГТД. М.: Изд-во МГТУ «МАМИ», 2006.
3. Бродов Ю.М. и др. Метод оценки технического состояния газотурбинных установок с изменяемой геометрией проточной части // Известия ВУЗов. Серия «Проблемы энергетики». 2016. № 3—4. С. 68—76.
4. Ревзин Б.С. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты. М.: Недра, 1986.
5. Комаров О.В., Ревзин Б.С., Бродов Ю.М. Эффективность применения регулируемых силовых турбин в газотурбинных установках и двигателях регенеративного и простого циклов // Теплоэнергетика. 2006. № 2. С. 73—77.
6. Емельянов Н.Э., Карышев А.К. Особенности применения регулируемого соплового аппарата в силовой турбине ГТУ // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2017. № 3—3. С. 48—51.
7. СТО Газпром 2–3.3–1226—2020. Система промысловой подготовки газа. Турбодетандерные агрегаты. Общие технические условия.
8. Fulara Sz., Chmielewski M., Gieras M. Experimental Research of the Small Gas Turbine with Variable Area // Proc. Inst. Mechanical Eng. Pt. G: J. Aerospace Eng. 2019. V. 233. Pp. 5650—5659.
9. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1986.
10. Федотов А.С. Совершенствование проточной части турбинной ступени с регулируемым сопловым аппаратом: автореф. дис. … канд. техн. наук. Харьков: Харьковский политехн. институт им. В.И. Ленина, 1984.
11. Комаров О.В. Исследования и одномерная оптимизация проточной части свободных силовых турбин с регулируемой первой ступенью приводных ГТУ и ГТД: автореф. дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург: Уральский гос. техн. ун-т, 2005.
12. Тарасов В.Н. Разработка рациональных методов проектирования парциально-импульсных турбин: автореф. дис. … доктора техн. наук. СПб.: Санкт-Петербургский гос. ун-т гражданской авиации, 2009.
13. Лазарев Л.Я. и др. Исследование характеристик радиально-осевой ступени турбины (РОС) с регулируемым (поворотным) сопловым аппаратом (РСА) турбодетандерного агрегата (ТДА), используемого в системе низкотемпературной сепарации (НТС) природного газа // Компрессорные технологии. 2022. № 6. С. 14—23.
14. Щегляев А.В. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин. Кн. 1. М.: Энергоатомиздат, 1993
---
Для цитирования: Лазарев Л.Я., Фадеев В.А. Особенности течения газа в осевой ступени турбины с регулируемым сопловым аппаратом // Вестник МЭИ. 2022. № 5. С. 101—111. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-5-101-111
#
1. Topunov A.M. Teoriya Sudovykh Turbin. L.: Sudostroenie, 1985. (in Russian).
2. Kustarev Yu.S., Kostyukov A.V. Osevye Turbiny Transportnykh GTD. M.: Izd-vo MGTU «MAMI», 2006. (in Russian).
3. Brodov Yu.M. i dr. Metod Otsenki Tekhnicheskogo Sostoyaniya Gazoturbinnykh Ustanovok s Izmenyaemoy Geometriey Protochnoy Chasti. Izvestiya VUZov. Seriya «Problemy Уnergetiki». 2016;3—4:68—76. (in Russian).
4. Revzin B.S. Gazoturbinnye Gazoperekachivayushchie Agregaty. M.: Nedra, 1986. (in Russian).
5. Komarov O.V., Revzin B.S., Brodov Yu.M. Effektivnost' Primeneniya Reguliruemykh Silovykh Turbin v Gazoturbinnykh Ustanovkakh i Dvigatelyakh Regenerativnogo i Prostogo Tsiklov. Teploenergetika. 2006;2:73—77. (in Russian).
6. Emel'yanov N.E., Karyshev A.K. Osobennosti Primeneniya Reguliruemogo Soplovogo Apparata v Silovoy Turbine GTU. Aktual'nye Problemy Gumanitarnykh i Estestvennykh Nauk. 2017;3—3:48—51. (in Russian).
7. STO Gazprom 2–3.3–1226—2020. Sistema Promyslovoy Podgotovki Gaza. Turbodetandernye Agregaty. Obshchie Tekhnicheskie Usloviya. (in Russian).
8. Fulara Sz., Chmielewski M., Gieras M. Experimental Research of the Small Gas Turbine with Variable Area. Proc. Inst. Mechanical Eng. Pt. G: J. Aerospace Eng. 2019;233:5650—5659.
9. Ovsyannikov B.V., Borovskiy B.I. Teoriya i Raschet Agregatov Pitaniya Zhidkostnykh Raketnykh Dvigateley. M.: Mashinostroenie, 1986. (in Russian).
10. Fedotov A.S. Sovershenstvovanie Protochnoy Chasti Turbinnoy Stupeni s Reguliruemym Soplovym Apparatom: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. Khar'kov: Khar'kovskiy Politekhn. Institut im. V.I. Lenina, 1984. (in Russian).
11. Komarov O.V. Issledovaniya i Odnomernaya Optimizatsiya Protochnoy Chasti Svobodnykh Silovykh Turbin s Reguliruemoy Pervoy Stupen'yu Privodnykh GTU i GTD: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. Ekaterinburg: Ural'skiy Gos. Tekhn. Un-t, 2005. (in Russian).
12. Tarasov V.N. Razrabotka Ratsional'nykh Metodov Proektirovaniya Partsial'no-impul'snykh Turbin: Avtoref. Dis. … Doktora Tekhn. Nauk. SPb.: Sankt-Peterburgskiy Gos. Un-t Grazhdanskoy Aviatsii, 2009. (in Russian).
13. Lazarev L.Ya. i dr. Issledovanie Kharakteristik Radial'no-osevoy Stupeni Turbiny (ROS) s Reguliruemym (Povorotnym) Soplovym Apparatom (RSA) Turbodetandernogo Agregata (TDA), Ispol'zuemogo v Sisteme Nizkotemperaturnoy Separatsii (NTS) Prirodnogo Gaza. Kompressornye Tekhnologii. 2022;6:14—23. (in Russian).
14. Shcheglyaev A.V. Parovye Turbiny. Teoriya Teplovogo Protsessa i Konstruktsii Turbin. Kn. 1. M.: Energoatomizdat, 1993. (in Russian)
---
For citation: Lazarev L.Ya., Fadeev V.A. Features of Gas Flow in the Axial Stage of a Turbine with an Adjustable Nozzle Vane Assembly. Bulletin of MPEI. 2022;5:101—111. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-5-101-111
