Введение к работе
Актуальность проблемы. Малорасходные турбины (МРТ) находят широкое именение в различных областях промышленности и техники: наземном и морском экспорте, авиации, специальной технике, энергетике. МРТ используются в качестве помогательных турбин судовых турбоприводов, для привода агрегатов автомобилей, мрлетов и вспомогательных агрегатов ракетных двигателей, в качестве двигателей ірских подводных аппаратов и т.д. Особое внимание в настоящее время уделяется ізработке и созданию автономных энергетических установок (АЭУ) , способных іботать в широком диапазоне графиков нагрузок на базе турбинных двигателей, эактически во всех областях применения требования высокой экономичности работы іляются обязательным условием. От уровня экономичности турбин в большой степени висит эффективность установки или агрегата в целом. Поэтому, необходимо при эссогабаритных ограничениях получать максимальную мощность с секундного расхода іплива на разных режимах работы для обеспечения высоких технико-экономических іебований. Массогабаритные и прочностные ограничения, а также требования щежности и простоты конструкции, обуславливают необходимость применения -югоступенчатых малорасходньк турбин (ММРТ), работающих при сравнительно низких зстотах вращения, соответствующих частоте вращения потребителя, что исключает зличие механического редуктора с составе АЭУ.
Характерные особенности МРТ: малые величины объемного расхода рабочего
гла и относительных высот сопловых и рабочих лопаток; транс- и сверхзвуковое
этекание решеток; широкий диапазон изменения срабатываемого перепада энтальпий,
ти особенности МРТ могут приводить к понижению их эффективности. В связи с этим, а
зкже учитывая большое многообразие конструктивных и кинематических схем турбин
того класса, возникает необходимость детального проектирования и оптимизации
^рбины с учетом конкретных особенностей и условий эксплуатации. .,%-...
Большинство современных методик проектирования турбин предполагают выбор птимальных геометрических параметров для номинального режима. При таком подходе сновополагающим фактором является достижение максимального КПД и не читывается экономичность на переменном режиме работы турбины.
Таким образом, разработка программ расчета и оптимизации, позволяющих ценить эффективность работы ММРТ и проводить многорежимную оптимизацию роточнои части в широком диапазоне варьирования геометрических и режимных араметров в настоящее время является актуальной.
Целью работы является создание программного комплекса многорежимной оптимизации многоступенчатых малорасходных турбин различных конструкций, с использованием теоретически и экспериментально обоснованных математических моделей (ММ) физических процессов и явлений в проточной части, а также элементов систем автоматического проектирования (САПР).
Для реализации цели работы были поставлены и решены следующие задачи:
Разработка алгоритма предварительного выбора геометрических и режимных параметров ММРТ, позволяющих осуществить многорежимную оптимизацию;
Обобщение экспериментальных характеристик элементов МРТ разного типа с целью использования данных для расчетов влияния геометрических и режимных параметров, в широком диапазоне их изменения;
Разработка математических моделей переменного режима работы малорасходных ступеней различных конструкций для унификации программного комплекса многорежимной оптимизации ММРТ;
Разработка математической модели и программ многорежимной оптимизации ММРТ;
Разработка программы автоматического проектирования элементов ММРТ.
Научную новизну диссертационной работы составляют:
Обобщенные характеристики потерь кинетической энергии в проточных частях малорасходных ступеней;
Математическая модель номинального и переменного режимов работы регулирующих ступеней и ступеней давления ММРТ;
Математическая модель номинального и переменного режима ММРТ;
Математическая модель многорежимной оптимизации ММРТ, позволяющая проводить выбор оптимальных ступней ММРТ и их геометрические и режимные параметры;
Методика расчета пусковых и остановочных режимов, основанная на обобщении экспериментальных характеристик в широком диапазоне режимое работы ММРТ;
Результаты численного эксперимента в рамках задачи многорежимной оптимизации ММРТ. Сравнительный анализ результатов многорежимной оптимизации ММРТ с оптимизацией на один режим для разных программ регулирования.
Достоверность и обоснованность научных результатов определяется обобщениел-большого количества экспериментальных данных, применением в расчетах основны>
-5 аконов сохранения, сравнением экспериментальных данных с результатами численного ксперимента, привлечением современных средств вычислительной математики. Практическая ценность работы:. Разработана методика расчета и проектирования ММРТ и вычислительный программный комплекс для проектирования турбин на оптимальные параметры при заданных графиках нагрузок;
Разработаны инженерные алгоритмы расчета регулирующих ступеней и ступеней давления для расчета ММРТ на номинальный и переменный режимы; Создан комплекс программ САПР элементов проточной части ММРТ,
Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи, разработке методов расчета переменных режимов ММРТ, обобщении экспериментальных данных по юпловым и рабочим решеткам, созданием программного комплекса многорежимной эптимизации ММРТ, проведение численного эксперимента по оптимизации многоступенчатых МРТ на заданные графики нагрузок.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на іаучно-технических сессиях по проблемам газовых турбин (Москва, 1996; Санкт-Петербург, 1997), научно-технической конференции МОП РФ и МАНВШ (Санкт-Петербург, І997), научно-технических семинарах кафедры "Энергетическое и атомное "урбиностроение и авиационные двигатели" (1995-1997), НИИ "Мортеплотехника" (19S6, І997). По результатам работы имеется три публикации, выпущено 5 научно-технических этчетов.
На защиту выносятся принципы построения ММРТ, программный комплекс ілногорежимной оптимизации многоступенчатых малорасходных турбин и математические модели физических процессов и явлений в проточной части регулирующих ступеней и ступеней давления..
Структура и объем работы. Общий объем диссертации 333 страницы, в том числе 156 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 191 наименования.