Секция 1. Тепловые электрические станции

УДК 621.165

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ

В ТУРБИННЫХ РЕШЕТКАХ

АВЕРИН Н.И. ИГЭУ, г. Иваново

Науч. рук. канд. техн. наук, доцент ГРИГОРЬЕВ Е.Ю.

Турбина является самым распространенным двигателем для привода генератора электрического тока на тепловых и атомных электрических станциях. Простота и надежность конструкции, большая единичная мощность ставят турбину выше, чем другие двигатели.

Основным узлом турбин является проточная часть, состоящая из турбинных ступеней, которые в свою очередь состоят из сопловых и рабочих решеток. Здесь как раз и происходит движение пара в случае паровой турбины или горячих газов в газовой турбине, и именно здесь возникают самые большие потери в турбинах. Эти потери напрямую связаны с аэродинамикой турбинных решеток.

В ходе проведения исследований на физическом стенде [1] был разработан метод снижения концевых потерь путем установки системы оребрения на ограничивающих стенках. Система оребрения позволила снизить общий уровень потерь на 1 %.

Однако для полноты исследований необходимо получить внутреннюю картину течения рабочей среды. При физических испытаниях сделать это довольно проблематично в первую очередь с точки зрения трудоемкостных затрат, поэтому дальнейшее исследование проводилось численным методом. Результаты физических испытаний в этом случае использовались для верификации численной модели.

Для численного решения использовался инженерный пакет Ansys CFX-14. При создании математических моделей турбинной решетки сохранялись полное геометрическое и кинематическое подобие с экспериментальными моделями. В качестве рабочей среды был принят воздух при свойствах идеального газа, физические свойства воздуха (вязкость, теплопроводность) задавались автоматически встроенной библиотекой для воздуха при соответствующей температуре и давлении.

3D-модель турбинных решеток строилась в инженерном пакете Solid Works. В расчетной области – межлопаточном канале, строилась сетка в виде призм, четырёхгранников, октаэдров, тетраэдров, общая размерность сетки в зависимости от рассматриваемого варианта турбинной решетки (высоты) была в пределах (0,5…1,5)·106 элементов.

Турбулентное стационарное течение вязкой среды моделировалось осредненными по Рейнольдсу уравнениями Навье-Стокса. Степень турбулентности входного потока рассчитывалась с помощью стандартной
k-ε-модели. Полагалось, что на поверхностях стенок трубопровода выполняются условия прилипания, а теплообмен с наружной поверхности и внутренними элементами не учитывается.

В качестве входных граничных условий при проведении расчета задавалось полное давление и противодавление на выходе из турбинной решетки, равное атмосферному; начальный уровень турбулентности (степень турбулентности) на уровне 5 %, температура потока 20 °С, абсолютное значение шероховатости стенок 10 мкм.

Полученная внутренняя картина течения подтвердила высокую эффективность предложенной системы оребрения с точки зрения снижения концевых потерь в турбинных решетках. В картине течения не выявлено возникновение характерных парных вихрей. А полученная зависимость изменения коэффициента потерь от длины лопатки (рисунок 1) позволяет сделать вывод о высокой роли системы ореберения ограничивающих полок на снижение потерь в турбинных решетках с малой длиной лопатки.

Рис. 1. Зависимость коэффициентов потерь в турбинной решетке С9012А в зависимости от относительной высоты лопаток, здесь 1 – для стандартной решетки,
2 – в случае использования направляющих ребер на ограничивающих пластинах

Литература

1. Аверин Н.И.Разработка и исследование способов снижения потерь в турбинных решетках / Н.И. Аверин, Е.Ю. Григорьев,
А.Е. Зарянкин // Теплоэнергетика «Энергия-2016»: XI международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Иваново, 5-7 апреля 2016 года: материалы конференции. – Иваново: УИУНЛ ИГЭУ.– 2016.– Т.1. – С.194.

УДК 621.311