CC BY
5
Научная статья УДК 621.515.001.5
https://doi.org/10.24143/2073-1574-2023-1-23-29 EDN GLIXLZ
Влияния угла наклона сопел на коэффициент скорости центростремительной турбины с частичным облопачиванием
рабочего колеса
Алексей Алексеевич Крюков
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, Владивосток, Россия, [email protected]
Аннотация. Рассматривается численный эксперимент с тремя группами малорасходных центростремительных турбин с частичным облопачиванием рабочего колеса. Разработаны геометрические модели турбинных ступеней с частичным облопачиванием рабочего колеса при различном угле наклона сопел. Исследуются центростремительные турбинные ступени с частичным облопачиванием рабочего колеса. Рассчитывается коэффициент полезного действия и коэффициент скорости сопел центростремительной турбины. Проведено численное моделирование течения рабочего тела с применением элементов вычислительной газодинамики. Выявлены максимальные значения коэффициента скорости соплового аппарата и коэффициента полезного действия турбинной ступени. Разработаны геометрические модели турбинных ступеней с различным углом наклона сопел, определены граничные условия эксперимента, проанализированы и представлены результаты эксперимента. Приводятся графики зависимости коэффициента скорости сопел и коэффициента полезного действия ступени центростремительной малорасходной турбины. Проведен сравнительный анализ коэффициента скорости сопла и коэффициента полезного действия трех турбинных ступеней с различным углом наклона сопел соплового аппарата. Сделаны выводы о необходимости дальнейшего рассмотрения мероприятий по совершенствованию проточной части рабочего колеса для увеличения эффективности ступени.
Ключевые слова: сопловой аппарат, коэффициент потерь, кинетическая энергия, численный метод, эксперимент, расчетная сетка, газодинамика, малорасходная турбина
Для цитирования: Крюков А. А. Влияния угла наклона сопел на коэффициент скорости центростремительной турбины с частичным облопачиванием рабочего колеса // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2023. № 1. С. 23-29. https://doi.org/10.24143/2073-1574-2023-1-23-29. EDN GLIXLZ.
Original article
Influence of nozzle inclination angle on velocity coefficient of inflow turbine with partial blading of runner
Aleksei A. Kriukov
Far Eastern State Technical Fisheries University, Vladivostok, Russia, [email protected]
Abstract. The paper considers a numerical experiment with three groups of low-consuming inflow turbines with partial blading of the runner. Geometrical models of the turbine stages with partial blading of the runner at different angles of the nozzle inclination have been developed. The inflow turbine stages with partial blading of the runner are investigated. The efficiency and speed coefficient of the inflow turbine nozzles are calculated. There has been carried out numerical modeling of the working fluid flow by using the computational gas dynamics elements. Pick values of the nozzle apparatus velocity coefficient and the turbine stage efficiency are defined. Geometric models of the turbine stages with different nozzle inclination angles are developed, the boundary conditions of the experiment are determined, and the experiment results are analyzed and shown. There are given the dependence graphs of the nozzle velocity coefficient and the efficiency of a low-consuming inflow turbine stage. Comparative analysis of the nozzle velocity coefficient and the efficiency of three turbine stages with different inclination angles of the nozzles in the nozzle apparatus has been carried out. Conclusions are drawn about further procedures on improving the flow part of the runner to increase the efficiency of the stage.
© Крюков А. А., 2023
Keywords: nozzle apparatuse, loss coefficient, kinetic energy, numerical method, experiment, computational grid, gas dynamics, low-consumption turbine
For citation: Kriukov A. A. Influence of nozzle inclination angle on velocity coefficient of inflow turbine with partial blading of runner. Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies. 2023;1:23-29. (In Russ.). https://doi.org/10.24143/2073-1574-2023-1-23-29. EDN GLIXLZ.
я я я -е--е-
к я я к я ч И
2 £
Введение
Перспективной задачей развития мирового водного транспорта является повышение уровня безопасности, экологичности и эффективности грузоперевозок. Один из пунктов данной задачи -поиск новых способов повышения энергоэффективности судовых энергетических установок (СЭУ) [1, 2]. Востребованными источниками сбросовой энергии являются уходящие газы судовых дизелей и охлаждающая вода. Увеличение эффективности работы СЭУ за счет источников сбросового тепла, таких как утилизационные котлы и турбогенераторы, окажет положительное влияние на экономические и экологические показатели СЭУ [3].
В последнее время набирает популярность использование ресурсов Мирового океана как источника полезных ископаемых, аквакультуры и сырьевой базы. При этом используется подводная техника, ее цели связаны с добычей полезных ископаемых, биоресурсов и пр. Обеспечение энергией подводных аппаратов зависит от степени энергооснащенности самих аппаратов. Более компактными и энергонезависимыми являются малорасходные турбины (микротурбины) [4].
Цель исследования - определение максимального значения коэффициента скорости сопла и коэффициента полезного действия (КПД) турбинной ступени.
Задачи исследования:
- создание геометрических моделей турбинных ступеней с различным углом наклона сопел;
- генерирование конечно-элементной расчетной сетки для сопловой решетки;
- осуществление виртуального опыта по требованиям и граничным критериям исследуемой модели;
- анализ значения ф и КПД трех групп турбинных ступеней с различным углом наклона сопел.
Объект исследования - центростремительные турбинные ступени с частичным облопачиванием рабочего колеса (РК).
Предмет исследования - КПД и коэффициент скорости сопел центростремительной турбины.
Метод исследования - численное моделирование течения рабочего тела с применением элементов вычислительной газодинамики.
Постановка задачи
Приоритетное значение КПД создает цель по совершенствованию характеристик устройств и механизмов. Снижение потерь энергии от парци-альности привело к появлению новейших типов турбин. Одним из таких типов являются турбома-шины с частичным облопачиванием РК.
Выявление КПД турбинной ступени, а также коэффициента скорости сопел при различном значении угла наклона сопел позволит судить о возможном совершенствовании соплового аппарата (СА) в частности и ступени в целом. Значительное количество научных исследований в сфере малорасходных турбомашин, опубликованных в российских [5-7] и зарубежных изданиях [8, 9], проводились с использованием элементов вычислительной газодинамики, которые описывают перемещение рабочего тела в ступени. Численные эксперименты с использованием виртуального газодинамического стенда осуществляются в соответствии с рекомендациями, описанными в источниках [10, 11].
В качестве объекта исследования выбрана ступень с техническими параметрами, которые приведены в табл. 1. Трехмерная модель объекта исследования представлена на рис. 1.
Таблица 1 Table 1
Габаритные параметры ступени центростремительной турбины Dimensional parameters of the inflow turbine stage
Угол наклона лопаток СА, град Высота сопла lc, мм D0, мм D1, мм D2, мм Шаг сопел tcA, мм Ширина горла a1, мм Высота сопла l1, мм Zca, шт. Zpk, шт.
12,46 16,31 20,80 2,53 60 50 27,5 5,88 1,45 2,53 27 34
Рис. 1. Трехмерные турбинные ступени модели объекта исследования Fig. 1. Three-dimensional turbine stages of the model of a research object
Результаты исследования
В проведенном на виртуальном стене численном эксперименте степень парциальности является постоянной, относительный шаг рабочей лопатки остается неизменным. Эксперимент проводился с пар-циальностью 0,059; 0,118; 0,206; 0,412 и 1,00 [12].
r
o
<
.
a
На рис. 2 представлены поля скоростей с турбинной ступенью при различном угле наклона сопел а1г в СА.
в a
i
Рис. 2. Поле скоростей в проточной части турбомашины: а - при а1г = 12,46°; б - при а1г = 16,31°; в - при а1г = 20,80° Fig. 2. Velocity field in the flow part of the turbomachine: a - at а1г = 12.46°; б - at а1г = 16.31°; в - at а1г = 20.80°
б
а
в
На рис. 2 отмечена зависимость коэффициента скорости сопел СА и КПД от угла выхода потока рабочего тела а!г на некотором диапазоне значений щ/С0. Снижение угла а1г приводит к увеличению потерь на трении в соплах из-за увеличения протяженности канала, также повышаются кромочные
и концевые потери. Анализируя данные (табл. 2-4), можно прийти к выводу, что увеличение угла приводит к уменьшению потерь в сопловом канале до оптимального значения а1г. Дальнейшее увеличение а1г приводит к увеличению потерь.
Таблица 2 Table 2
Значения коэффициента скорости СА и КПД при а1г = 12,46° и е = 0,059 Values of a velocity coefficient and efficiency of a nozzle apparatus at a1r = 12.46° and е = 0.059
Параметр Результат эксперимента
Частота вращения РК, мин-1 26 000 36 000 46 000 56 000 66 000 76 000
Давление на выходе из САр1, МПа 0,15 0,15 0,15 0,151 0,151 0,152
Скорость потока на выходе из СА с1, м/с 173,984 174,843 175,111 173,123 171,818 169,007
Коэффициент скорости СА ф 0,807 0,811 0,812 0,812 0,806 0,802
Внутренний КПД, % 1,788 1,989 2,497 2,510 2,349 1,331
«
о я
A
ч
£ я
Таблица 3 Table 3
Значения коэффициента скорости СА и КПД при а1г = 16,31° и е = 0,059 Values of a velocity coefficient of the nozzle apparatus and efficiency at а1г = 16.31° and е = 0.059
Параметр Результат эксперимента
Частота вращения РК, мин-1 26 000 36 000 46 000 56 000 66 000 76 000
Давление на выходе из СА р1, МПа 0,148 0,150 0,151 0,153 0,154 0,155
Скорость потока на выходе из СА с1, м/с 180,874 177,433 176,727 173,118 170,424 166,527
Коэффициент скорости СА ф 0,821 0,823 0,829 0,831 0,828 0,818
Внутренний КПД, % 2,412 3,213 3,443 3,814 3,453 1,862
я я я -е--е-
я rt ei
к Я
я к я
ч
И
<
2 £
Таблица 4 Table 4
Значения коэффициента скорости СА и КПД при а1г = 20,80° и е = 0,059 Values of a velocity coefficient of the nozzle apparatus and efficiency at а1г = 20.80° and е = 0.059
Параметр Результат эксперимента
Частота вращения РК, мин-1 26 000 36 000 46 000 56 000 66 000 76 000
Давление на выходе из СА р1, МПа 0,151 0,151 0,151 0,152 0,152 0,152
Скорость потока на выходе из СА с1, м/с 174,018 174,543 175,723 173,138 171,989 170,729
Коэффициент скорости СА ф 0,816 0,819 0,824 0,821 0,816 0,810
Внутренний КПД, % 2,098 2,479 3,125 2,978 2,533 1,521
Результаты анализа эффективности исследуемых моделей доказывают, что КПД ступени будет несколько выше в ступенях с оптимальным значением а1г. По мере повышения частоты вращения РК в диапазоне 26 000-76 000 мин-1 значение КПД также увеличивается, что свидетельствует о зависимости внутреннего КПД от и/С0.
Изменение размеров и ориентация лопаток может приводить к технологической погрешности при изготовлении, что способствует росту потерь и снижению внутреннего КПД. Согласно графикам на рис. 3 при расчете ступени нужно учитывать, что существуют оптимальные значения а!г.
Рис. 3. Графики зависимости ф и п от углов выхода потока а1г при различном значении «j/C0 и степени парциальности ступени s: а - при s = 0,059; б - при s = 0,118; в - при s = 0,206; г - при s = 0,412; д - при s = 1,00
Fig. 3. Graphs of dependence ф and п on the angle of the flow output а1г at different values of u1/C0 and the degree of partiality of the stage s: a - at s = 0.059; б - at s = 0.118; в - at s = 0.206; г - at s = 0.412; д - at s = 1.00
Заключение
В результате проведенного эксперимента влияния угла выхода потока а1г на эффективность ступени с частичным облопачиванием РК приходим к следующим выводам:
- получены значения коэффициентов скорости СА для турбинных ступеней с углом выхода потока а1г = 12,46-20,80°;
- снижение значения а1г приводит к увеличению кромочных, концевых потерь и потерь на трении;
- повышение значения а1г приводит к возрастанию профильных потерь и, как следствие, снижению значения ф;
- получены значения КПД для ступеней с а1г = 12,46-20,80°;
- максимальным значениям КПД и коэффициента скорости ф соответствуют оптимальные значения а1г;
- для дальнейшего увеличения эффективности ступени необходимо рассмотреть мероприятия по совершенствованию проточной части РК.
Список источников
я я я -е--е-
к я я к я ч И
2 £
1. Соловьев А. В., Чиркова М. М., Попов Н. Ф. Повышение эффективности судовых энергетических установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2018. № 4. С. 101-106.
2. Ерофеев В. Л., Жуков В. А., Мельник О. В. О возможностях использования вторичных энергетических ресурсов в судовых ДВС // Вестн. гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2017. Т. 9. № 3. С. 570-580.
3. Абул К. А. Оценка возможностей утилизационных установок главных двигателей крупнотоннажных судов транспортного флота // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2009. № 1. С. 121-125.
4. Матвеенко В. Т., Очеретяный В. А., Дологлонян А. В. Характеристики рабочих процессов воздухонезависимых одноконтурных микрогазотурбинных установок для подводной техники // Вестн. гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2017. Т. 9. № 3. С. 612-618.
5. Епифанов А. А., Кириллов А. И., Рассохин В. А. Расчет трехмерного течения в ступенях малорасходных турбин // Науч.-техн. вед. Санкт-Петербург. гос. поли-техн. ун-та. 2012. № 1 (142). С. 65-70.
6. Забелин Н. А., Раков Г. Л., Рассохин В. А., Себе-лев А. А., Смирнов М. В. Исследование особенностей течения в малорасходных турбинных ступенях конструкции ЛПИ // Науч.-техн. вед. Санкт-Петербург. гос. политехн. ун-та. 2013. № 1 (166). С. 45-53.
7. Нгуен А. К., Лапшин К. Л. Характеристики и структура потока турбинной ступени с отрицательным градиентом степени реактивности // Науч.-техн. вед.
Санкт-Петербург. гос. политехн. ун-та. 2016. № 2 (243). С. 163-173.
8. Rassokhin V., Zabelin N., Kunte H., Seume J., Olen-nikov S., Cherkasova M., Sebelev A. The design of microturbine units with low-consumed turbines constructed by LPI for heat recovery of exhaust gases of internal combustion engines // Results of joint research activity of scientists from Saint-Petersburg State Polytechnical University and Leibniz University of Hannover. Polytechnical University Publishing House, 2014. P. 139-155.
9. Rakov G., Rassokhin V., Zabelin N., Olennikov S., Sebelev A., Sukhanov A., Schislyaev S. A low emission axial-flow turbine for the utilization of compressible natural gas energy in the gas transport system of Russia // International Journal of Environmental and Science Education. 2016. V. 11. N. 18. P. 11721-11733.
10. Крюков А. А. Численное моделирование коэффициента скорости соплового аппарата малорасходной турбины // Вестн. гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2021. Т. 13. № 6. С. 849-857.
11. Крюков А. А., Чехранов С. В. Сравнение значений коэффициентов скорости в турбинной ступени с частичным облопачиванием рабочего колеса // Вестн. гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2021. Т. 13. № 2. С. 257-265.
12. Крюков А. А., Чехранов С. В. Трехмерное численное моделирование малорасходной центростремительной турбины с частичным облопачиванием рабочего колеса // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2021. № 1. С. 74-80.
References
1. Solov'ev A. V., Chirkova M. M., Popov N. F. Pov-yshenie effektivnosti sudovykh energeticheskikh ustanovok [Improving efficiency of ship power plants]. Vestnik Astra-khanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Se-riia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2018, no. 4, pp. 101-106.
2. Erofeev V. L., Zhukov V. A., Mel'nik O. V.
0 vozmozhnostiakh ispol'zovaniia vtorichnykh energeticheskikh resursov v sudovykh DVS [On possibilities of using secondary energy resources in ship internal combustion engines]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo
1 rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2017, vol. 9, no. 3, pp. 570-580.
3. Abul K. A. Otsenka vozmozhnostei utilizatsionnykh ustanovok glavnykh dvigatelei krupnotonnazhnykh sudov transportnogo flota [Evaluation of possibilities of recycling
units of main engines on large-tonnage ships of transport fleet]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2009, no. 1, pp. 121-125.
4. Matveenko V. T., Ocheretianyi V. A., Dologlonian A. V. Kharakteristiki rabochikh protsessov vozdukhonezavisimykh odnokonturnykh mikrogazoturbinnykh ustanovok dlia podvodnoi tekhniki [Characteristics of working processes in air-independent single-circuit micro gas turbines for underwater equipment]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2017, vol. 9, no. 3, pp. 612-618.
5. Epifanov A. A., Kirillov A. I., Rassokhin V. A. Raschet trekhmernogo techeniia v stupeniakh maloraskhod-nykh turbin [Calculation of three-dimensional flow in stages
of low-consuming turbines]. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politekhnicheskogo universiteta, 2012, no. 1 (142), pp. 65-70.
6. Zabelin N. A., Rakov G. L., Rassokhin V. A., Sebelev A. A., Smirnov M. V. Issledovanie osobennostei teche-niia v maloraskhodnykh turbinnykh stupeniakh konstruktsii LPI [Investigation of flow characteristics in low-consuming turbine stages of LPI design]. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politekhnicheskogo universi-teta, 2013, no. 1 (166), pp. 45-53.
7. Nguen A. K., Lapshin K. L. Kharakteristiki i struktu-ra potoka turbinnoi stupeni s otritsatel'nym gradientom stepeni reaktivnosti [Characteristics and flow structure of turbine stage with negative gradient of reactivity degree]. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politekhnicheskogo universiteta, 2016, no. 2 (243), pp. 163-173.
8. Rassokhin V., Zabelin N., Kunte H., Seume J., Olen-nikov S., Cherkasova M., Sebelev A. The design of microturbine units with low-consumed turbines constructed by LPI for heat recovery of exhaust gases of internal combustion engines. Results of joint research activity of scientists from Saint-Petersburg State Polytechnical University and Leibniz University of Hannover. Polytechnical University Publishing House, 2014. Pp. 139-155.
9. Rakov G., Rassokhin V., Zabelin N., Olennikov S., Sebelev A., Sukhanov A., Schislyaev S. A low emission
axial-flow turbine for the utilization of compressible natural r
gas energy in the gas transport system of Russia. Interna- k
tional Journal of Environmental and Science Education, v
2016, vol. 11, no. 18, pp. 11721-11733. A
10. Kriukov A. A. Chislennoe modelirovanie koeffitsien- I ta skorosti soplovogo apparata maloraskhodnoi turbiny l [Numerical modeling of speed coefficient of low-consuming g turbine nozzle apparatus]. Vestnik gosudarstvennogo univer- s siteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala n S. O. Makarova, 2021, vol. 13, no. 6, pp. 849-857. g
11. Kriukov A. A., Chekhranov S. V. Sravnenie znache- e nii koeffitsientov skorosti v turbinnoi stupeni s chastichnym l oblopachivaniem rabochego kolesa [Comparing values a of velocity coefficients in turbine stage with runner partial o blading]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo a i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2021, e vol. 13, no. 2, pp. 257-265. o
12. Kriukov A. A., Chekhranov S. V. Trekhmernoe v
chislennoe modelirovanie maloraskhodnoi tsentrostremi- c
tel'noi turbiny s chastichnym oblopachivaniem rabochego y
kolesa [Three-dimensional numerical simulation of low- S
consuming inflow turbine with runner partial blading]. Vest- B
nik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni- S'
versiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2021, f
no. 1, pp. 74-80. n
a
t c i
w
Статья поступила в редакцию 23.01.2023; одобрена после рецензирования 03.02.2023; принята к публикации 10.02.2023 a
The article was submitted 23.01.2023; approved after reviewing 03.02.2023; accepted for publication 10.02.2023 a
a
i 5'
o
Информация об авторе / Information about the author
Алексей Алексеевич Крюков - старший преподава- Aleksei A. Kriukov - Senior Lecturer of the Department
тель кафедры инженерных дисциплин; Дальневосточный of Engineering Disciplines; Far Eastern State Technical
государственный технический рыбохозяйственный уни- Fisheries University; [email protected] верситет; [email protected]
