Математическое моделирование и оптимизация структуры течения в ступени радиально-осевой турбины микрогазотурбинной установки

Александр Леонидович Карташев, Андрей Анатольевич Мартынов

Аннотация


В настоящей статье приведена информация об основных отличительных особенностях микрогазотурбинных установок и их преимуществах по сравнению с прочими автономными источниками электрической энергии. Дано обоснование использования турбины радиально-осевого типа в микрогазотурбинной установке номинальной мощностью 100 кВт. Рассмотрены начальные аналитические проектировочные расчеты данной турбины (без применения средств вычислительной газодинамики) с указанием соответствующих методик расчета. Приведены особенности радиально-осевой турбины как турбомашины, в которой срабатывается большой теплоперепад и имеет место высокая степень реактивности. Описан подход к параметризации геометрии профиля лопатки соплового аппарата турбины с использованием дуг окружностей, кривых Безье 
и прямолинейных участков. Для данной параметрической геометрии в программном комплексе ANSYS построены расчетная сетка и расчетная модель. Выполнено параметрическое исследование течения в сопловом аппарате различной геометрической конфигурации и определены оптимальные конфигурации по величине скоростного коэффициента для разных значений угла выхода потока из соплового аппарата, где минимальная граница диапазона рассматриваемых углов ограничена технологией изготовления. После исследования соплового аппарата рассмотрена ступень турбины (с учетом течения в рабочем колесе), для которой также были установлены границы 
изменения геометрических параметров и выполнена серия расчетов. По результатам расчетов определена оптимальная геометрическая конфигурация ступени турбины по критерию максимизации коэффициента полезного действия. Результаты расчета представлены в графическом виде, а также в виде полей скорости и давления в межлопаточных каналах соплового аппарата и рабочего колеса.

Ключевые слова


микрогазотурбинная установка; радиально-осевая турбина; вычислительная гидродинамика

Полный текст:

PDF

Литература


Obzor i sostoyanie razvitiya sovremennykh gazoturbinnykh ustanovok maloy moshchnosti [Overview and State of Development of Modern Gas Turbines of Small Power]. Available at: http:// stcmtt.ru/wp-content/uploads/2011/05/0001x.pdf (accessed 19 January 2015).

Degtyar B.G., Kartashev A.L., Martynov A.A. [Investigation of Modes of Micro Gas Turbine Power Plant]. Bulletin of South Ural State University. Ser. Mechanical Engineering Industry, 2013, no. 2,

iss. 13, pp. 132–135. (in Russ.)

Baturin O.V., Smirnova Yu.D. [Selection of Optimal Scheme and Workflow Options AutoNomous Mikrogazoturbinnoy Installation]. Bulletin of Samara State Aerospace University, 2012, no. 3, pp. 257–262. (in Russ.)

Mitrokhin V.T. Vybor parametrov i raschet tsentrostremitel'noy turbiny na stastionarnykh i perekhodnykh rezhimakh [Selection of Parameters and Calculation of the Centripetal Turbine at Steady

State and Transient Conditions]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1974. 228 p.

Sherstyuk A.N. Radialno-oseviye turbiny maloy moshchnosti [Low Power Francis Turbines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1976. 208 p.

Dmitrieva I.B., Shabliy L.S. [Automatic Creation of Volumetric Model of Airfoil in ANSYS TurboGrid Based on the Traditional View of Its Geometry]. Bulletin of Samara State Aerospace University, 2011, no. 3, pp. 106–111. (in Russ.)

Opyt ispol'zovaniya ANSYS CFX pri dovodke konstruktsii lopatok turbiny aviatsionnogo dvigatelya [Experience with ANSYS CFX in Finishing the Construction of the Turbine Blades of Aircraft Engine]. Available at: http://cae-expert.ru/sites/default/files/opyt_ispolzovaniya_ansys_cfx_pri_dovodke_ konstrukcii_lopatok_turbiny_aviacionnogo_dvigatelya.pdf (accessed 20 January 2015).

Popov G.M., Kolmakova D.A., Krivtsov A.V. Gazodinamicheskaya i prochnostnaya dovodka malorazmernoy osevoy turbiny [Gas Dynamics and Strength Finishing of Small Axial Turbine]. Available at: http://www.mai.ru/upload/iblock/a6e/a6e50d69976d6fd176f3b4a6a9985bfe.pdf (accessed 20 January 2015).

Panov D.Yu., Ris V.V., Smirnov E.M. Ispol'zovanie ANSYS CFX dlya prognozirovaniya kharakteristik reshetki soplo vykh lopatok gazovoy turbiny s profilirovannoy tortsevoy stenkoy [Using ANSYS CFX to Predict the Characteristics of the Lattice Gas Turbine Nozzle Vanes with Shaped End Wall]. Available at: http://www.cadfemcis.ru/case-studies/art/artcl/ispolzovanie-ansys (accessed 20

January 2015).

Grigoryev V.A., Kalabukhov D.S., Radko V.M. Chislennoe gazodinamicheskoe modelirovanie odnostupenchatykh tsentrostremitel'nykh turbin sverhmaloy moshchnosti [Numerical Gas-Dynamic Simulation Single-Stage Centripetal Low Power Turbine]. Available at: file:///F:/Downloads/vidv_2013_ 2_21.pdf (accessed 22 January 2015).

Krivtsov A.V., Shabliy L.S., Baturin O.V. Gas-Dynamic Modeling of Gas Turbine Engine Components Collaborative Workflow. Open mechanical engineering journal, 2014, no. 8, pp. 445–449.

DOI: 10.2174/1874155X01408010445

Leyek Z. An Investigation into Performance Modeling of a Small Gas Turbine Engine. Australia, Published by Air Vehicles Division, 2012. 31 p. DOI: 10.1115/GT2013-94405

Swirydczuk, J. CFD Modelling of Turbine Stage Stator/Rotor Interaction. Available at: http://www.task.gda.pl/files/quart/TQ2006/02/TQ210P-E.PDF (accessed 15 May 2015).

Autef V.N.D., Chew J.W., Hills N.J., Brunton I.L. Turbine Stator Well-Flow Modeling. 8th International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows. Lyon,

July 2007.

Coutadin D., Bucchieri L., Brugali L., Galbiati M. Optimisation Techniques Applied to the Design of Gas Turbine Blades Cooling Systems. Available at: http://www.enginsoft.com/assets/img/

tecnology/cfd/03.GasTurbineBladesCooling.pdf (accessed: 15 May 2015). DOI: 10.1115/GT2006-90771

Sridhar M., Sunnam S., Goswami S., Lin J.S. CFD Aerodynamic Performance Validation of a Two-Stage High Pressure Turbine. Turbine Technical Conference and Exposition. Vancouver, 2011,

vol. 7, pp. 1175–1184. DOI: 10.1115/GT2011-45569

Einzinger J. Design Optimization of Flow Path with ANSYS Workbench and OptiSLang.

Available at: http://www.dynardo.de/fileadmin/Material_Dynardo/bibliothek/WOST_5.0/ WOST_5_ Praesentation_Einzinger.pdf (accessed 15 May 2015).

Wiberg W., Anton N. Aerodynamic Design of a Gas Turbine Rotor Blade for the KTH Test Turbine. Available at: http://lup.lub.lu.se/luur/download?func=downloadFile&recordOId= 3857854&fileOId=3857860 (accessed 15 May 2015).

Marcu B. Turbine Design and Analysis for the J-2X Engine Turbopumps. Available at: http:// ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20080036829.pdf (accessed 17 May 2015).

ANSYS CFX Tutorials. Available at: http://congtrinhthep.vn/tailieuketcaucom/Umy/28-01-2012/ans-cfx%20tutor(draft).pdf (accessed 17 May 2015).


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.