Исследование режимов работы турбин, использующих конструкцию противовращения каскадов
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-2-94-101Ключевые слова:
биротативная турбина, противовращение турбин, турбина, турбокомпрессор, ГТД, ГТУ, биротативность, потери в турбине, профильные потери, многорежимностьАннотация
Одна из ключевых задач, которая стоит перед инженерами в процессе проектирования турбин, заключается в повышении внутреннего коэффициента полезного действия агрегата турбины. Как правило, такие задачи решаются путем увеличения температуры газа перед турбиной, совершенствования систем охлаждения и материалов, из которых она изготавливается. Однако, ввиду высокой степени совершенства современных энергетических установок, приращение КПД такими методами даже на считанные проценты оборачивается огромными капиталовложениями. Так, каждую декаду медианное значение коэффициента полезного действия актуальных ГТУ увеличивается в среднем на 2,9%. В связи с этим, особо перспективными можно считать иные конструктивные схемы турбин, в частности, — конструкции с противоврашением каскадов турбокомпрессора (или биротативности турбокомпрессора).
Исследована целесообразность применения технологии противовращения каскадов турбин на примере авиационных газотурбинных двигателей. Проведены оптимизационные расчеты квазидвумерных математических моделей течения потока газа внутри проточной части турбины трех схем исполнения для двух разных классов газотурбинных двигателей. По полученным данным построены следующие графики зависимостей различных видов коэффициента полезного действия: от степени реактивности и от угла входа потока в исследуемую ступень.
По полученным данным сделаны следующие выводы. Применение технологии противовращения каскадов без направляющего аппарата в составе многоступенчатой турбины ведет к незначительному снижению коэффициента полезного действия (на 0,5%), однако фиксируется достаточно существенное снижение массы и габаритов турбины (на 5%). Для турбины с малым количеством ступеней применение схемы биротативной турбины с направляющим аппаратом первой ступени противовращающегося каскада может увеличить коэффициент полезного действия турбины на 2% с уменьшением количества лопаток в первой противовращающейся ступени на 21%.
Полученные данные могут быть полезны при проектировании перспективных турбин как наземного, так и авиационного типов на этапах эскизного проектирования и выбора конструктивной схемы изделия.
Библиографические ссылки
1. Кишалов А.Е., Липатов В.Д. Исследование тенденций развития основных параметров газотурбинных установок // Вестник Уфимского гос. авиационного техн. ун-та. 2021. № 3. С. 89—97.
2. Ishikawa M., Terauchi M., Komori T., Yasuraoka J. Development of High Efficiency Gas Turbine Combined Cycle Power Plant // Mitsubishi Heavy Industries Ltd. Techn. Rev. 2008. V. 45. Pp. 15—17.
3. Попов К.М., Подвидз Г.Л., Грановский А.В., Карелин А.М., Лебедева Л.Я. Газодинамические особенности турбин с противоположным вращением роторов // Лопаточные машины и струйные аппараты. 1996. № 13. С. 244—258.
4. Cai R., Wu W., Fang G. Basic Analysis of Counter-rotating Turbines // Proc. ASME Intern. Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. 1990. V. 1. Pp. 1—8.
5. Moroz L., Pagur P., Govorushchenko Y., Grebennik K. Comparison of Counter-rotating and Traditional Axial Aircraft Low-pressure Turbines Integral and Detailed // Proc. Intern. Symp. Heat Transfer in Gas Turbine Systems. 2009. Pp. 1—13.
6. Самедов А.С., Вагаблы Э.Т. Перспективы и проблемы развития авиационных газотурбинных двигателей нового поколения // Молодой ученый. 2016. № 6(110). С. 177—181.
7. Jane’s Aero-engines. London: Jane's Information Group, 2020 — 2021.
8. Шустов И.Г. Двигатели 1944 — 2000. Авиационные, ракетные, морские, промышленные. М.: АКС-Конверсалт, 2000.
9. Иноземцев А.А., Нерадько А.В., Коняев Е.А. Авиационный двигатель ПС-90А. М.: Физматлит, 2007.
10. Батурин О.В., Колмакова Д.А., Попов Г.М., Матвеев В.Н. Получение уравнения для вычисления профильных потерь в венце осевой турбины при проектном расчете // Труды МАИ. 2018. № 101. С. 1—15.
11. Лапшин К.Л. Компьютерная оптимизация паровых и газовых турбин. СПб.: Изд-во СПбПУ, 2018.
12. Комаров О.В., Блинов В.Л., Шемякинский А.С. Тепловые и газодинамические расчеты газотурбинных установок. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2018.
13. Григорьев В.А. Выбор параметров и термогазодинамические расчеты авиационных газотурбинных двигателей. Самара: Изд-во Самарского гос. аэрокосм. ун-та, 2009.
14. Рудаков В.А., Сигалов Ю.В., Рассохин В.А. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Основы теории и алгоритм расчета. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006.
15. Лапшин К.Л. Проектирование проточных частей осевых тепловых турбин: учеб. СПб.: Изд-во СПбПУ, 2018.
16. Батурин О.В., Колмакова Д.А., Матвеев В.Н., Попов Г.М. Расчетное определение характеристик ступени турбины с помощью методов вычислительной газовой динамики. Самара: Изд-во Самарского гос. аэрокосм. ун-та, 2013.
---
Для цитирования: Волков Е.А., Барсков В.В. Исследование режимов работы турбин, использующих конструкцию противовращения каскадов // Вестник МЭИ. 2026. № 2. С. 94—101. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-2-94-101
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Kishalov A.E., Lipatov V.D. Issledovanie Tendentsiy Razvitiya Osnovnykh Parametrov Gazoturbinnykh Ustanovok. Vestnik Ufimskogo Gos. Aviatsionnogo Tekhn. Un-ta. 2021;3:89—97. (in Russian).
2. Ishikawa M., Terauchi M., Komori T., Yasuraoka J. Development of High Efficiency Gas Turbine Combined Cycle Power Plant. Mitsubishi Heavy Industries Ltd. Techn. Rev. 2008;45:15—17.
3. Popov K.M., Podvidz G.L., Granovskiy A.V., Karelin A.M., Lebedeva L.Ya. Gazodinamicheskie Osobennosti Turbin s Protivopolozhnym Vrashcheniem Rotorov. Lopatochnye Mashiny i Struynye Apparaty. 1996;13:244—258. (in Russian).
4. Cai R., Wu W., Fang G. Basic Analysis of Counter-rotating Turbines. Proc. ASME Intern. Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. 1990;1:1—8.
5. Moroz L., Pagur P., Govorushchenko Y., Grebennik K. Comparison of Counter-rotating and Traditional Axial Aircraft Low-pressure Turbines Integral and Detailed. Proc. Intern. Symp. Heat Transfer in Gas Turbine Systems. 2009:1—13.
6. Samedov A.S., Vagably E.T. Perspektivy i Problemy Razvitiya Aviatsionnykh Gazoturbinnykh Dvigateley Novogo Pokoleniya. Molodoy Uchenyy. 2016;6(110):177—181. (in Russian).
7. Jane’s Aero-engines. London: Jane's Information Group, 2020 — 2021.
8. Shustov I.G. Dvigateli 1944 — 2000. Aviatsionnye, Raketnye, Morskie, Promyshlennye. M.: AKS-Konversalt, 2000. (in Russian).
9. Inozemtsev A.A., Nerad'ko A.V., Konyaev E.A. Aviatsionnyy Dvigatel' PS-90A. M.: Fizmatlit, 2007. (in Russian).
10. Baturin O.V., Kolmakova D.A., Popov G.M., Matveev V.N. Poluchenie Uravneniya Dlya Vychisleniya Profil'nykh Poter' v Ventse Osevoy Turbiny pri Proektnom Raschete. Trudy MAI. 2018;101:1—15. (in Russian).
11. Lapshin K.L. Komp'yuternaya Optimizatsiya Parovykh i Gazovykh Turbin. SPb.: Izd-vo SPbPU, 2018. (in Russian).
12. Komarov O.V., Blinov V.L., Shemyakinskiy A.S. Teplovye i Gazodinamicheskie Raschety Gazoturbinnykh Ustanovok. Ekaterinburg: Izd-vo Ural'skogo Universiteta, 2018. (in Russian).
13. Grigor'ev V.A. Vybor Parametrov i Termogazodinamicheskie Raschety Aviatsionnykh Gazoturbinnykh Dvigateley. Samara: Izd-vo Samarskogo Gos. Aerokosm. Un-ta, 2009. (in Russian).
14. Rudakov V.A., Sigalov Yu.V., Rassokhin V.A. Kamery Sgoraniya Gazoturbinnykh Dvigateley. Osnovy Teorii i Algoritm Rascheta. SPb.: Izd-vo Politekhn. Un-ta, 2006. (in Russian).
15. Lapshin K.L. Proektirovanie Protochnykh Chastey Osevykh Teplovykh Turbin: Ucheb. SPb.: Izd-vo SPbPU, 2018. (in Russian).
16. Baturin O.V., Kolmakova D.A., Matveev V.N., Popov G.M. Raschetnoe Opredelenie Kharakteristik Stupeni Turbiny s Pomoshch'yu Metodov Vychislitel'noy Gazovoy Dinamiki. Samara: Izd-vo Samarskogo Gos. Aerokosm. Un-ta, 2013. (in Russian)
---
For citation: Volkov E.A., Barskov V.V. The Operating Modes of Turbines with Counter-rotating Cascades. Bulletin of MPEI. 2026;2:94—101. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-2-94-101
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
