Исследование и расчёт свободной силовой турбины с регулируемой первой ступенью приводного ГТД

Расчет КПД регулируемой ступени для любого угла поворота сопловых лопаток производится с использованием уточненной математической модели силовой турбины, приведенной в [1]. Однако алгоритм расчета усложняется и должны быть внесены определенные поправки, связанные с изменением кинематики потока и углов атаки на рабочих лопатках при повороте лопаток РСА.

Чтобы приступить к расчету, необходимо описать моделируемый объект (в нашем случае - ступень силовой турбины с регулируемым сопловым аппаратом), т.е. задать следующие параметрами ступени на расчетном режиме:

— угол выхода потока из соплового аппарата – α₁;

— угол выхода потока из рабочего колеса - α₂ ;

— кинематическая степень реактивности ступени - ρ;

— коэффициент нагрузки ступени - μ;

— коэффициент расхода - ;

— коэффициенты скорости в рабочем колесе и сопловом аппарате — φ  и ψ;

— долю энергии выходной скорости потока, используемая в ступени силовой турбины – α_В.С..

Примем на номинальном режиме угол потока на входе в рабочие каналы равным входному геометрическому углу профиля рабочей лопатки, т.е. будем считать на расчетном режиме угол атаки рабочей решетки нулевым. Кроме того, расчеты следует считать справедливыми для так называемой элементарной ступени. В реальной регулируемой ступени также должно быть учтено изменение кинематики потока на всех радиусах.

Определение КПД ступени на номинальном режиме производим на основании уточненной математической модели СТ, изложенной в [1]. Рассматриваем три вида КПД: адиабатический КПД, рассчитанный по параметрам заторможенного потока - η_ад^* , мощностной (внутренний) КПД - η_u , внутренний КПД ступени по заторможенным параметрам с половинной (частичной) потерей выходной скорости - η_u^*. Последний имеет значение для оценки эффективности одноступенчатой СТ с затурбинным диффузором.

Поворот лопаток регулируемого соплового аппарата характеризуется изменением любого из следующих параметров:

— угла выхода потока из соплового аппарата – α₁;

—площади проходного сечения на выходе из РСА F_СА;

—расхода рабочего тела через ступень.

Производим расчет треугольников скоростей ступени на нерасчетном режиме с учетом изменившегося значения угла от, и коэффициента расхода .

Используя планы треугольников скоростей на номинальном и полученном в результате поворота лопаток РСА режимах, после несложных преобразований известных соотношений между кинематическими параметрами ступени  получено выражение для определения кинематической степени реактивности ступени на нерасчетном режиме:

Далее вычисляем коэффициент нагрузки ступени, соответствующий изменившимся значениям α₁, ρ и .

Чтобы более точно определить КПД ступени при ее регулировании поворотом лопаток РСА, также необходимо учитывать дополнительное влияние угла атаки на коэффициент скорости в рабочем колесе ψ. В результате для расчета коэффициента скорости при изменении угла атаки рабочих лопаток, вызванное изменением α₁, в настоящей работе в соответствии с [4] по данным МЭИ было использовано следующее аналитическое выражение:

где k₁ =0,2...0,4 - для современных профилей с хорошо скругленной входной кромкой при углах атаки порядка ±20.

Аналогично рассчитываются коэффициенты скорости для каждой конкретной ступени с РСА в зависимости от заданных начальных параметров и угла поворота сопловых лопаток. Полученные уточненные значения ψ используются для дальнейшего расчета КПД регулируемой ступени.

Расчетное исследование по определению КПД регулируемой ступени при повороте лопаток РСА проводилось для следующих начальных параметров, характеризующих ступень на номинальном режиме:

— угол выхода потока из соплового аппарата – α₁₀=16⁰;

— кинематическая степень реактивности ступени – ρ₀=0,3;

— коэффициент нагрузки ступени – μ₀=1,761;

— коэффициент расхода - ;

— коэффициенты скорости в рабочем колесе и сопловом аппарате — φ₀=0,983  и ψ₀=0,979;

— доля энергии выходной скорости потока, используемая в ступени силовой турбины – α_В.С=0,5.

Пример результата расчета представлен на рис. 1-6. На нем изображены графики зависимостей КПД, степени реактивности, мощностного и эффективных мощностей ступени от угла α₁ при повороте лопаток соплового аппарата. Расчетный угол выхода потока из СА — 16̊.

Анализ результатов расчетов, представленных на рис. 2-7, и аналогичных, проведенных для номинальных значений углов α₁₀=16°, позволяет сделать заключение о том, что уменьшение угла выхода потока из СА на 10%, вызванное прикрытием лопаток РСА, приводит к росту мощностного КПД. По-видимому, это объясняется не столько изменением профильных потерь, сколько положительным влиянием на кпд уменьшающегося угла α₁.

Поворот сопловых лопаток в противоположном направлении, т.е. сопровождающийся увеличением проходного сечения на выходе из РСА и ростом угла α₁, приводит к резкому падению внутреннего КПД, что обусловлено как увеличением профильных потерь из-за больших отрицательных углов атаки, так и негативным влиянием на него возросших значений углов α₁.

Кроме того, были рассчитаны КПД по параметрам заторможенного потока η_ад^* и с половинной потерей выходной скорости η_u^* для тех же значений начальных (номинальных) параметров, характеризующих ступень. Анализ результатов расчета показал, что качественно кривые КПД η_u, η_u^*, η_ад^* в зависимости от α₁  не отличаются: небольшое (до 10%) прикрытие лопаток СА вызывает незначительное повышение всех трех видов КПД, а раскрытие — заметное его снижение.

Было установлено на максимально достижимый внутренний КПД ступени существенное влияние оказывает коэффициент расхода .

Поворот сопловых лопаток в сторону прикрытия уменьшает степень реактивности ρ и коэффициент расхода , что до достижения нулевой реактивности в корне лопаток благоприятно для роста мощностного КПД η_u.

В целом, анализ результатов расчетного исследования по влиянию поворота лопаток РСА на КПД регулируемой ступени позволяет заключить: первостепенное значение для наиболее эффективного использования ступени с РСА в силовой турбине имеет выбор угла выхода потока из СА на номинальном режиме.