Введение к работе
Актуальность работы. Осевые малоразмерные турбины (ОМТ) находят широкое применение в современной технике. Они применяются как в узлах главных двигателей, так и для привода их многочисленных насосов, агрегатов и другого вспомогательного оборудования. Обширное применение малоразмерных турбин делает очевидным актуальность и необходимость детальных исследований по повышению их эффективности и надежности, что позволит снизить затраты материальных и невосстанавливаемых энергетических ресурсов.
Вследствие малых размеров проточной части (ПЧ), ОМТ характеризуются повышенными значениями относительных конструктивных зазоров (периферийных, боковых, корневых), а поэтому существенное значение приобретают потери, связанные с расходными процессами в отмеченных зонах, в которых теряется не только часть активного работоспособного газа, но под влиянием этих утечек меняется стуктура и энергетика основного потока. Эффективным способом снижения расходных потерь в ОМТ является установка бандажа на периферии рабочих лопаток. Но даже в случае возможности использования бандажа расходные потери в ОМТ еще остаются весьма значительными, а в ряде случаев и определяющими. Как показали авторские экспериментальные исследования осевой обандаженной турбины с предельно малыми углами выхода потока из соплового аппарата <хі=3 и большими углами поворота потока в рабочем колесе 9=168 (называемые в дальнейшем турбинами нетрадиционной геометрии), изменение рабочего надбандажного радиального зазора в небольших пределах от 0.3мм до 0.9мм (при геометрических размерах (ПЧ): hCa =16мм, DCP =109мм, и открытом осевом зазоре 5іп=1,2мм) вызвало падение КПД турбины с тіт=0,6 до %=0,4, т.е. в 1,5 раза, (рис.2)
Известно большое количество работ по оценке газодинамической эффективности ступеней осевых турбин, имеющих рабочие лопатки с бандажом, и влиянию на их КПД расходных потерь в зазорах ПЧ. Однако, рекомендации этих работ, относящиеся в своем большинстве для полноразмерных турбин, в условиях ОМТ значительно расходятся между собой. В ОМТ с парциальным подводом задача определения расходных потерь становится особенно сложной, гак как в проточной части таких турбин затруднено даже ставшее обычным деление газодинамических потерь на их отдельные составляющие. Поэтому разработка уточненной модели влияния всего комплекса конструктивных зазоров на эффективность ОМТ является весьма актуальной и практически необходимой задачей. Предварительные исследования автора указали на комплексное, взаимосвязанное влияние на расходные потери не только величин радиального и осевого зазоров, но и высо-
ты лопаток, среднего диаметра колеса, геометрических углов лопаточн венцов, степени парциальное, режимного фактора u/cs. В связи с эт выбор оптимальных величин, характеризующих пропускную способность ту бины e0pt; «lopt; (h/DCp)oPt, очевидно, должен производится с учет потерь во всех основных конструктивных зазорах с целью их комплекси минимизации на самом начальном этапе проектирования. Следует подчер нуть, что под таким углом зрения проблема оптимизации ОМТ до сих п не рассматривалась.
Целью работы является решение приоритетной задачи повышения К осевых малоразмерных турбин на основе создания методики оптимально проектирования с уточненными расчетными моделями расходных потерь зазорах их проточной части и новыми данными по потерям в СА и РК с ш: роким диапазоном изменения геометрических параметров. Работа посвяще: исследованию расходных потерь, связанных с утечкой рабочего тела конструктивные зазоры проточной части обандаженных турбин, в том чис парциальных и турбин нетрадиционной геометрии с предельно малыми угл ми выхода потока из соплового аппарата <хі<4. и большими углами ж» рота потока в рабочем колесе 6>167.
Поставленная цель определила следующие задачи, реализованные программе исследований:
-провести расчетно-экспериментальное исследование ОМТ и их эл ментов для оценки влияния основных параметров на экономичность, а та же на потери из-за наличия зазоров в проточной части осевых турбин полным и парциальным подводом, малой и нетрадиционной геометрии;
-разработать комплекс методик, алгоритмов и программ оптимизац ОМТ с блоками, уточняющими расходные потери в зазорах ІП и газодинам ческие потери в ее элементах;
- -создать комплекс технологического и автоматизированного экспер ментального оборудования для изготовления,испытания модельных ОМТ широким диапазоном изменения режимных и геометрических параметров;
-экспериментально проверить достоверность разработанных методик результатов оптимизации на созданных опытных ступенях ОМТ.
Методы исследования. Решение задач для достижения поставленн цели осуществлялось с помощью теоретического анализа, обобщения резу тагов уже известных работ, подробного экспериментального исследован модельных ОМТ. Планирование эксперимента выполнено с помощью метод математической теории эксперимента.
Научную новизну диссертационной работы представляют:
-разработанная в целом математическая модель ОМТ с уточнением в личины расходных потерь в зазорах ПЧ;
-разработанный метод оптимизации параметров ОМТ с учетом влияния расходных потерь в зазорах с использованием критериальных комплексов;
-результаты расчетно-экспериментальнсго исследования влияния конструктивных зазоров ПЧ на экономичность ОМТ как с полным и парциальным подводом, гак и турбин с малой и нетрадиционной геометрией;
-результаты эксперимергального исследования потерь в сопловых и рабочих решетках ОМТ в зависимости от геометрических и режимных параметров и обобщающие аппроксимационные зависимости суммарных потерь q>=f (ao,oci,h,Dcp) и 4=f(3i,B2.h,DCp).
Достоверность полученных результатов подтверждается: согласованностью выводов расчетного анализа и результатов экспериментальных исследований, методически обоснованным планом поставленных опытов, а также высокой степенью надегшости автоматизированной системы измерений, сбора и обработки экспериментальной информации; соблюдением условий подобия при экспериментальных исследованиях; оценкой погрешности измерений. Полученные результаты не противоречат известным работам других авторов.
Практическая ценность заключается в том, что результаты исследований доведены либо до универсальных аналитических зависимостей, либо до уровня конкретных инженерных методик и пакетов программ для ПВЭМ на основе разработанной математической модели оптимизации параметров турбин. Создан уникальный экспериментально-технологический комплекс для изготовления и испытания ОМТ с широким диапазоном их геометрических и режимных параметров, позволяющий расширить знания о рабочем процессе ОМТ и непосредственно использовать полученные данные при разработке перспективных турбоагрегатов.
Личный вклад автора определяется: разработкой методик и программ расчета оптимальных параметров турбин; проведением расчетов и анализа результатов расчетного исследования; проектированием и изготовлением опытных образцов турбин и измерительных приборов; разработкой проектно-конструкторской документации и участием в монтаже, автоматизации и доводке экспериментального стенда; разработкой необходимого программно-математического обеспечения автоматизации эксперимента; планированием, подготовкой, и проведением экспериментальных исследований; обработкой и анализом опытных данных; разработкой рекомендаций, следующих из анализа результатов работы.
Реализация. Результаты работы и выводы использовались в ряде научно-исследовательских работ кафедры: при разработке в МАИ высокоэкономичной восемнадцатиступенчатой пароводородной турбины перспективного ГДТ, при модернизации турбинного узла малогабаритного парогенератора
на базе турбокомпрессора ТК-18 по заказу ИВТАН РФ, в создании инжеж ной методики, учитывающей влияние конструктивных параметров бг; 5i;c 02; h; DCp на эффективность турбинных ступеней форсированных ГДТ пс леднего поколения для НПО им.В.В.Чернышова и АООТ А.Люлька-Сатурн, создании автономного турбопривода внутритрубного исследовательскс снаряда по заказу АО Газпрома РФ, в совершенствовании лопаточных мал малоразмерных теплохолодильных установок по заказу НИИ НТ МАИ и едщ му конверсионному наряд-заказу приоритетного финансирования.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсужд лись на Всесоюзной конференции "Газотурбинные и комбинированные усі новки" 17-19 ноября 1987 года в МВТУ; на XL научно-технической сесс комиссии РАН по газовым турбинам 7-9 сентября 1993 года, г.Рыбине международной конференции "Aviation-the Ways of Progress" 23-26 нояС 1993 года, г.Москва; на Всероссийской НТК, посвященной памяти акадеь ка В.Н.Кондратьева 5-Ю сентября 1994 года, г.Рыбинск; на Межвузовск научно-технической конференции "Конверсия и высокая технология" 29 д кабря 1995 года в МАИ; на XX Научных чтениях по космонавтике, посї щенных памяти академика С.П.Королева, 30 января 1996 года в МГУ.
Публикации. Содержание диссертации отражено в выпущенных 20 нау но-технических отчетах и в 14 опубликованных статьях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит введения, четырёх разделов, заключения, списка использованных источн ков. Она содержит 199 страниц, в том числе 55 страниц рисунков и чет ре таблицы, список использованных источников содержит 144 наименоЕ ния.
