автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему: Повышение эффективности рабочих колес судовых осевых малорасходных турбин
Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности рабочих колес судовых осевых малорасходных турбин"
На правах рукописи
Фершалов Андрей Юрьевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧИХ КОЛЕС СУДОВЫХ ОСЕВЫХ МАЛОРАСХОДНЫХ ТУРБИН
05.08.05 Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ имени В.В. Куйбышева).
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Грибиниченко Матвей Валерьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент
Семенюк Анатолий Васильевич
доктор технических наук, профессор Добржанский Виталий Георгиевич
Ведущая организация: Дальневосточный научно-исследовательский
проектно-изыскательный и конструкторско-технологичекий институт морского флота (ОАО «ДНИИМФ»), г. Владивосток
Защита состоится "10" июня 2011 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.055.01 при Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ имени В.В. Куйбышева) по адресу: 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10, ауд. А-302, тел +7(4232)26-51-18, факс +7(4232)26-69-88.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.
Автореферат разослан " " мая 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Энергоресурсы в настоящее время постоянно дорожают, поэтому задача создания высокоэкономичных двигателей различного назначения для судов является актуальной.
Успешное развитие отечественной энергетики, водного и воздушного транспорта, газовой промышленности и других отраслей народного хозяйства в значительной мере зависит от эффективности и надежности тепловых турбо-машин. Области применения последних относятся к приоритетным направлениям развития науки, техники и технологий в Российской Федерации (транспортные, авиационные и космические системы; энергетика и энергосбережение), а также к критическим технологиям по направлению "Технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем".
В транспортной энергетике, к которой относятся автономные подводные аппараты, для обеспечения требований мобильности и автономности часто приходится создавать турбоприводы с ограниченным расходом рабочего тела (РТ). В таких случаях снижаются площади проходных сечений проточной части турбин и использование в них ступеней с полным подводом РТ требует применения недопустимо малых высот рабочих лопаток (РЛ). Вследствие этого приходится применять сопловые аппараты (СА) с частичным (парциальным) подводом РТ к рабочему колесу (РК). В результате этого появляются дополнительные потери энергии на вентиляцию в зоне неактивной дуги и на краях дуги подвода РТ.
По данным Московского (МАИ) и Куйбышевского (КуАИ) авиационных институтов снижение парциальности от 1,0 до 0,15 в осевых малорасходных турбинах приводит к снижению КПД с 75 до 50%, что негативно сказывается на эффективности энергетической установки в целом, особенно морских подводных аппаратов, так как снижает уровень автономности аппарата, являющийся оценкой целесообразности установки турбины.
Одним из возможных вариантов решения задачи, обусловленной парци-альностью, является применение сверхзвуковых (высокоперепадных) малорасходных турбин (МРТ), предложенных И.И. Кирилловым, которые имеют СА с малыми конструктивными углами выхода сопел. Такое решение позволило получить турбины с полным подводом РТ и исключить названные выше потери. Такие конструкции предполагают использование РК, имеющие каналы с большим углом поворота. Последнее приводит к повышению концевых потерь энергии из-за увеличения кривизны канала и, как следствие, повышению градиента давления между выпуклой и вогнутой стенками канала. Вторичные течения потока РТ интенсифицируются и расширяют вихревую зону с повышенными потерями энергии. Поэтому условием применения подобных конструкций является преобладание потерь от парциальности над потерями, связанными с применением РК с большим углом поворота потока.
Для конструирования РК с большим углом поворота проточной части нельзя применять стандартные методики проектирования, так как сохранение приемлемой толщины РК возможно при большом относительном шаге лопаток РК.
Повышение эффективности МРТ требует решения задачи аэродинамического совершенствования и расчетного определения оптимальных геометрических характеристик и режимов работы проточных частей РК с большим углом поворота потока. Исследования в этом направлении на плоских решетках проведены в СПбГПУ Куприяновым О.Е., но РК такой конструкции в составе ступени остались не исследованы.
На эффективность МРТ особенно сильно влияют РК в многоступенчатых турбинах, так как ошибочная оценка аэродинамических свойств РТ за РК приводит к неправильному профилированию следующей ступени.
По данным Калужского турбинного завода увеличение коэффициента скорости в рабочей решетке полноразмерных турбин на 1% повышает мощность ступени на 0,73%.
Вопрос правильного профилирования РК для МРТ является актуальным, так как снижение потерь энергии в РК позволит повысить эффективность работы турбинной ступени.
Цель работы: повышение эффективности сверхзвуковых осевых малорасходных турбин путем оптимизации конструктивных характеристик и режимных параметров проточной части РК.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Выполнены статистический анализ и математическая обработка результатов экспериментальных измерений.
2. Разработаны основы методики, позволяющей по полученным замерам, устанавливать значения коэффициента скорости РК и угла выхода потока РТ.
3. Получены регрессионные математические модели для расчета коэффициента скорости РК МРТ и угла выхода потока РТ из РК в зависимости от режимных параметров и геометрических характеристик.
4. Проведен анализ влияния факторов, вошедших в математические выражения, на целевые функции.
5. Разработаны основы методики для расчета газодинамических и конструктивных характеристик проточной части РК.
6. Проведены оптимизационные вычисления коэффициента скорости РК.
Научную новизну работы составляют:
1. Характеристики РК в интервалах изменения исследуемых факторов: конструктивный угол входа РК (Р]К) - 8,13°. 14,1°; число Маха (MW2t) -0,38. 2,82; характеристическое число (U/C) - 0. 0,66; угол входа потока в РК АЗ,) - 2,86°. 31,72°; конструктивный угол выхода РК (р2к) - 8,44°. 15,35°.
2. Основы методики определения коэффициента скорости РК, угла выхода потока РТ из РК и их доверительных интервалов в работающей ступени турбины.
3. Регрессионные математические модели для расчета коэффициента скорости РК МРТ и угла выхода потока РТ из РК.
4. Значения коэффициентов скорости исследованных РК и угла выхода потока РТ из РК, полученные численным экспериментом.
5. Основы методики расчета газодинамических и конструктивных характеристик проточной части РК.
6. Значения совокупности исследуемых факторов, соответствующих максимально возможным коэффициентам скорости исследованных РК.
Объект исследований: рабочие колеса осевых малорасходных турбин.
Предмет исследований: оптимизация конструктивных параметров и режимных характеристик проточной части рабочих колес малорасходных турбин.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждена: статистической обработкой результатов измерений; использованием основных законов сохранения энергии и массы; сравнением результатов исследований с материалами других авторов; качественным согласованием экспериментальных результатов и модельными представлениями; проверкой регрессионных моделей на адекватность и непротиворечивостью известным научным положениям и фактам.
разработанные основы методики определения эффективности работы РК и угла выхода потока РТ из РК могут быть использованы при проектировании МРТ;
полученные регрессионные математические выражения для определения коэффициента скорости РК и угла выхода потока РТ из РК следует использовать при расчете РК МРТ различного назначения;
разработанные основы методики позволяют рассчитать конструктивные параметры проточной части РК, обеспечивающие максимально возможный коэффициент скорости РК (в диапазоне проведенных исследований) в зависимости от режимных параметров.
разработанные основы методики позволяют рассчитать угол выхода потока РТ из РК в случае необходимости проектирования следующей ступени.
Личный вклад автора. При непосредственном участии автора формировались задачи исследования, лично автором выполнены: обработка результатов эксперимента; разработка основ методики определения коэффициента скорости РК и угла выхода потока РТ из него; определение доверительного интервала экспериментальных значений коэффициента скорости РК и угла выхода потока РТ из него; разработка регрессионных зависимостей для расчета коэффициента скорости РК МРТ и угла выхода потока РТ из него; проведение и анализ численного эксперимента; разработка основ методики расчета газодинамических и
конструктивных характеристик проточной части РК; оптимизация геометрических и режимных параметров по коэффициенту скорости РК.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международном молодежном научном форуме-олимпиаде по приоритетным направлениям развития Российской Федерации, МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2010); международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» ЦИАМ (Москва, 2010); международной научно-практической конференции «XXXIX неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2010); научном семинаре кафедры «Теория воздушно-реактивных двигателей» МАИ (Москва, 2010); Всероссийской научной конференции «Успехи механики сплошных сред» ДВО РАН (Владивосток, 2009); Всероссийской конференции «XXXV-ая Дальневосточная Математическая Школа-Семинар имени академика Е.В. Золотова» ДВО РАН (Владивосток, 2010); Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы естествознания» ТОВВМИ (Владивосток, 2010); научном семинаре кафедры «Судовые энергетические установки» ДВГТРУ (Владивосток, 2010); научной конференции «Вологдинские чтения» ДВГТУ (Владивосток, 2007, 2010); региональной научно-технической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс» ДВГТУ (Владивосток, 2007, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, включая три статьи в рецензируемых российских научных журналах, входящих в список ВАК, патент РФ на изобретение и 13 статей в сборниках трудов российских и международных конференций и научных трудов высших учебных заведений.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований модельных РК по коэффициенту скорости и углу выхода потока РТ из РК.
2. Основы методики расчета интегральных газодинамических характеристик (\|/ и р2) РК в составе работающей ступени турбины.
3. Регрессионные математические зависимости для расчета коэффициента скорости РК МРТ и угла выхода потока РТ из РК.
4. Основы методики расчета газодинамических и конструктивных характеристик проточной части РК.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 125 стр., включая 76 стр. текста, 26 иллюстраций и 13 таблиц. Список литературы содержит 137 наименований.
Во введении обоснована актуальность работы и показано, что для уменьшения потерь кинетической энергии от парциальности рекомендуется использовать МРТ конструкции СПбГПУ. Выполнен критический анализ состояния рассматриваемого вопроса, по результатам которого выявлены недостатки и
сформулированы задачи исследования РК МРТ конструкции СПбГПУ. Представлена научная новизна работы и структурная схема диссертации (рис. 1).
В первой главе выполнен анализ полученных ранее результатов в области исследования РК турбин, рассмотрены существующие методы исследований МРТ и их РК и установлено, что исследования газодинамических характеристик рабочих колес турбин могут быть выполнены следующим образом: теоретически (на основании решения уравнений сохранения энергии, состояния и движения рабочего тела аналитическими методами), численно (на основании численного решения уравнений Навье-Стокса) и экспериментально-теоретически (на основании экспериментальных исследований характеристик проточной части с последующим получением математических зависимостей по экспериментальным материалам).
Исследования течения газа в проточной части РК выполняются в одномерной постановке (исследование предполагает получение интегральных характеристик коэффициента скорости РК и угла выхода потока РТ из РК в виде результирующего вектора, имеющего модуль и направление), двумерной постановке (получение характеристик потока РТ в какой-либо плоскости в узлах сетки в виде векторов, имеющих свой модуль и направление) и трехмерной постановке (получение характеристик потока РТ по всей проточной части в узлах сетки в виде векторов, имеющих свой модуль и направление).
Расчеты потока РТ в каналах РК предполагают решение полного уравнения Навье-Стокса, что в настоящее время аналитически выполнить невозможно, особенно с учетом вращения РК.
Численные методы перспективны при анализе картины течения и для расчета интегральных характеристик потока в рабочих решетках турбины в широком диапазоне режимов обтекания. Применять результаты расчетов, полученные этим методом, можно только после экспериментального подтверждения. Решения численными методами не учитывают технологии изготовления моделей РК, оказывающей влияние на шероховатость поверхности и отклонение от формы. Последние дают значительную погрешность при малых размерах проточной части.
В настоящее время наиболее надежен и точен экспериментально-теоретический метод, основанный на систематизации и обобщении экспериментальных данных, получаемых на моделях и позволяющих получить эмпирические зависимости, учитывающие влияющие факторы. Метод обеспечивает достоверные исходные данные для проектирования МРТ и позволяет получать интегральные характеристики турбины в целом и ее элементов.
Экспериментальные исследования РК конструкции СПбГПУ в двумерной и трехмерной постановках приводят к неприемлемо высокой погрешности расчетов, что обусловлено влиянием размеров проточных частей и вращения РК.
Рис. 1. Структура диссертационной работы
Учитывая последние особенности, можно утверждать, что полученные численными методами результаты, скорее всего, невозможно будет подтвердить экспериментально, поэтому результаты исследования РК такой конструкции представляются в виде интегральных характеристик.
Исследование РК необходимо было производить в составе ступени, так как это позволяло учесть все особенности работы реальной турбинной ступени (неравномерность натекающего потока на РЛ и параметров РТ из-за центробежных сил и нестационарность из-за вращения РК) и минимизировать ошибочность результатов.
В результате рассмотрения различных факторов были выбраны наиболее влияющие на коэффициент скорости РК и угол выхода потока РТ из РК, которые использовались для исследований и построения регрессионных зависимостей. Для построения регрессионной зависимости коэффициента скорости РК учитывались конструктивный угол входа РК, угол входа потока в РК и число Маха на выходе из РК по теоретическим параметрам. Для построения регрессионной зависимости угла выхода потока РТ из РК использовались конструктивный угол выхода РК, число Маха на выходе из РК по теоретическим параметрам и характеристическое число (отношение окружной скорости РК к абсолютной теоретической скорости на выходе из РК).
Во второй главе приведено описание конструкции экспериментального стенда, изготовленного в СПбГПУ (рис. 2), позволившего получить исходные материалы для последующих разделов работы.
Стенд предназначался для динамического и статического исследования осевых МРТ, работающих при больших перепадах давлений (7Гг< 60 и tQ < 500°С), и позволял получать суммарные характеристики модельных ступеней в широком диапазоне изменения частот вращения РК (0<л<500 с"1) и перепадов давления