Введение к работе
Актуальность проблемы. Тенденция к повышению параметров современных и перспективных судовых двигателей для привода агрегатов судовых энергетических установок, в качестве главных двигателей автономных судовых аппаратов - требование сокращения их массы и габаритов при обеспечении высокой эффективности - причина применения турбин с большим перепадом энтальпий. Эта тенденция проявляется как в зарубежном, так и в отечественном двигателестроении.
В судовой энергетике для обеспечения требований автономности часто приходится создавать турбоприводы с ограниченным расходом рабочего тела (РТ). Это определяет уменьшение площадей проходных сечений проточной части. Использование в таких турбинах ступеней с полным подводом РТ к рабочему колесу (РК) невозможно из-за недопустимо малых высот лопаток РК, что вынуждает изготавливать сопловые аппараты (СА) с частичным (парциальным) подводом РТ к РК. Это приводит к потерям энергии на вентиляцию в зоне неактивной дуги РК и на краях дуги подвода РТ к нему.
Одним из путей снижения парциальности является уменьшение угла выхода сопел. При конструировании малоугловых СА использование стандартных методик проектирования сопел приводит к недопустимо низкой эффективности СА. Эта проблема в настоящее время не решена.
Поэтому чрезвычайно актуальны и имеют большое практическое значение работы, направленные на определение оптимальных геометрических и режимных параметров проточных частей СА, позволяющих повысить эффективность малорасходных турбин (МРТ) и определять для проектирования РК параметры РТ на выходе из СА.
Актуальность работы связана с тем, что перспективы успешного развития судовой энергетики, а также других отраслей связаны с повышением эффективности и надежности тепловых турбомашин.
Актуальность исследований в области МРТ определяется направленностью на решение проблем экономики и организации промышленности, заложенных в "Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу", "Приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники Российской Федерации" и "Перечне критических технологий Российской Федерации", утвержденных Президентом РФ 30.03.2002 г. № Пр-576 /1-3/.
Расчеты и конструкторская проработка показали, что применение МРТ в малоразмерных газотурбинных двигателях (ГТД) упрощает конструкцию судового двигателя с сохранением эксплуатационных характеристик.
Производством ГТД занимаются фирмы Siemens, Mitsubishi, GM, Snecma, MTU, Lukas и др., предлагающие ряд таких установок с диапазоном мощностей 1... 100 МВт и КПД от 30 до 38%.
Широкое применение турбин в мире делает очевидным актуальность и необходимость исследований по их совершенствованию. Это подтверждается тем, что Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ им. П.И. Баранова) и авиадвигателестроительные отраслевые конструкторские бюро разработали проект "Стратегии развития газотурбинного двигателестроения Российской Федерации на 2007-2015 г. и на период до 2025 г.", утвержденный на заседании рабочей группы по интеграции предприятий авиационного двигателестроения 16.05.2007 г.
В ряде организаций исследователями (И.И. Кириллов, В.А. Рассохин) обобщены результаты изучения некоторых показателей МРТ различного назначения. Но в теоретическом и экспериментальном отношении объем и глубина исследований уступают аналогичным для полноразмерных турбин. Поэтому исследования, направленные на поиск оптимальных геометрических и режимных параметров проточных частей МРТ, позволяющих повысить их эффективность, актуальны и имеют большое практическое значение.
Особое внимание при исследовании МРТ с целью повышения их эффективности необходимо обратить на совершенствование СА. Согласно данным технической литературы, уменьшение эффективности СА на 1% приводит к снижению КПД на 2%. А неверная оценка газодинамических свойств РТ выходе из СА ведет за собой ошибочное профилирование РК, что еще больше снижает КПД ступени.
Все это свидетельствует о том, что для повышения КПД МРТ в первую очередь необходимо совершенствование СА и проведение исследований, направленных на изучение свойств РТ на выходе из них.
Научная значимость данного исследования состоит в повышении эффективности судовых сверхзвуковых осевых МРТ на основе исследований, связанных с определением оптимальных конструктивных параметров СА с малыми углами выхода РТ.
Цель и задачи работы
Целью работы является повышение эффективности сверхзвуковых СА для осевых МРТ за счет оптимального сочетания режимных параметров и конструкции проточной части сопел.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Основная задача - систематизация измерений, выполненных на экспериментальном стенде в СПбГПУ (лаборатория МРТ), которые являются исходными данными для настоящего исследования. По итогам систематизации проведен анализ полученных значений.
-
Разработаны математические модели регрессионного типа (в дальнейшем - регрессионные модели) для расчета коэффициента скорости СА МРТ и угла выхода потока РТ из соплового аппарата, проверена адекватность моделей экспериментальным материалам.
-
Проведен анализ физической сущности явлений на основе имитационного моделирования.
4. Разработаны основы методики расчётного определения
газодинамических и конструктивных характеристик проточной части СА и
проведены оптимизационные вычисления.
5. Разработаны рекомендации по проектированию сопел СА.
Научную новизну работы составляют:
1. Полученные характеристики СА в интервалах изменения исследуемых
факторов: степени расширения сопел (/) - 1,0...2,82; конструктивного угла
выхода сопел (ац^) - 5... 9; конструктивного угла входа РК (Рік) - 8,1... 14,1 ;
отношения окружной скорости РК к критической скорости РТ (и = и/акр) -0...0,44; числа Маха на выходе из сопел, вычисленного по теоретическим параметрам (Ma,) - 1,09... 3,43;
2. Разработанная регрессионная модель для определения коэффициента
скорости СА в зависимости от наиболее влияющих факторов: f;alK; Рік, и;
3. Разработанная регрессионная модель, позволяющая определять угол
выхода РТ из СА в зависимости от наиболее влияющих факторов: /; аш; Рік,
и; Меи,
4. Полученные результаты численного эксперимента по определению ко
эффициента скорости СА и углов выхода из них РТ.
Теоретическая значимость:
-
Результаты физического эксперимента и имитационного моделирования расширяют представления о процессах, протекающих в проточных частях СА;
-
Предложена инженерная методика на основе регрессионных моделей для расчета и оптимизации газодинамических характеристик РТ на выходе из СА, которые могут быть использованы для разработки турбомашин судовой энергетики.
Практическая значимость:
1. Получены регрессионные модели для определения коэффициента ско
рости СА и угла выхода потока РТ из СА, которые следует использовать при
проектировании СА МРТ различного назначения;
2. Разработаны зависимости, которые позволяют рассчитать
конструктивные параметры проточной части СА, обеспечивающие
максимально возможный коэффициент скорости СА (в диапазоне проведенных
исследований) в зависимости от режимных параметров;
3. Результаты работы были положены в основу методики расчета коэффициента скорости СА и угол выхода потока РТ из него.
Методология и методы исследования
Работа основана на экспериментальном подходе с использованием методов математического моделирования. Использовался регрессионный анализ и имитационное моделирование для определения коэффициента скорости СА и угла выхода РТ из него.
Положения, выносимые на защиту
-
Результаты исследований модельных СА по коэффициенту скорости и углу выхода потока РТ из СА;
-
Регрессионные модели для расчета коэффициента скорости СА МРТ и угла выхода потока РТ из СА;
-
Результаты анализа влияния газодинамических и конструктивных характеристик проточной части сопел на энергетическую эффективность СА.
-
Инженерная методика расчета и оптимизации газодинамических характеристик РТ на выходе из СА.
Объект исследований: сопловые аппараты осевых малорасходных турбин.
Предмет исследований: конструктивные параметры и режимные характеристики проточной части сопловых аппаратов осевых малорасходных турбин.
Достоверность результатов подтверждена: статистической обработкой результатов измерений; использованием основных законов сохранения; сравнением результатов исследований с материалами других авторов; качественным согласованием экспериментальных результатов и модельных представлений; проверкой разработанных моделей на адекватность и непротиворечивость известным научным положениям и фактам.
Личный вклад автора. При непосредственном участии автора формировались задачи исследования, лично автором выполнены: обработка измерений; определение доверительного интервала экспериментальных значений коэффициента скорости С А и угла выхода потока РТ из него; разработка регрессионных зависимостей для расчета коэффициента скорости СА МРТ и угла выхода потока РТ из него; проведение и анализ численного эксперимента; оптимизация геометрических и режимных параметров по коэффициенту скорости СА.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на региональной научно-технической конференции «Молодёжь и научно-технический прогресс» ДВГТУ, Владивосток, 2007 г.; на научной конференции «Вологдин-ские чтения» ДВГТУ, 2010 г.; на X Международном форуме студентов, аспирантом и молодых ученых стран АТР, 2010; на региональной научно-технической конференции «Молодёжь и научно-технический прогресс» ДВГТУ, Владивосток, 2010 г.; на научной конференции «Вологдинские чтения» ДВГТУ, 2011 г.; на региональной научно-технической конференции «Мо-
лодёжь и научно-технический прогресс» ДВГТУ, Владивосток, 2011 г.; на научных семинарах кафедры Судовой энергетики и автоматики ИШ ДВФУ; на Международной научной конференции "Актуальные проблемы народнохозяйственного комплекса: инновации и инвестиции", г. Москва, 2012.
Результаты исследования используются в учебном процессе по образовательным программам 180103.65 "Судовые энергетические установки" 180100.62 "Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры". Внедрены в научную и проектную деятельность Научно-внедренческого центра Международного исследовательского института. Результаты исследований применялись при выполнении программы "Научный фонд ДВФУ" "Оптимизация энергетической эффективности сопловых аппаратов малорасходных турбин" (соглашение № 12-08-13011-14/13).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, включая две статьи в рецензируемых российских научных журналах, входящих в перечень ВАК, 11 статей в сборниках трудов российских и международных конференций и научных трудов высших учебных заведений.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 143 стр., включая 72 иллюстрации и 16 таблиц. Список литературы содержит 95 наименований.
