Моделирование потерь энергии в центростремительной турбине с частичным облопачиванием рабочего колеса

В работе выполнено исследование коэффициентов потерь кинетической энергии соплового аппарата и рабочего колеса в центростремительной турбинной ступени с частичным облопачиванием рабочего колеса. Отмечается, что центростремительные малорасходные турбины являются надежными и производительными устройствами, предназначенными для привода различных агрегатов. Благодаря компактным размерам они особенно востребованы в различных отраслях машиностроения. Однако для повышения эффективности и снижения затрат на производство необходимо постоянное совершенствование технологии изготовления ступеней турбин. Часть центростремительных турбин являются парциальными, что приводит к дополнительным потерям энергии. Рассмотрены парциальные ступени, в которых отсутствуют потери от вентиляции, — турбины с частичным облопачиванием рабочего колеса. Для моделирование таких турбин в работе использован программный пакет ANSYS CFX. Путем использования ANSYS Design Modeler для создания геометрической модели и определения граничных условий, а также выбора соответствующей сетки были получены зависимости коэффициентов потерь в сопловом аппарате и рабочем колесе. Исследование показало, что степень парциальности и число Маха ступени турбины оказывают существенное влияние на коэффициенты потерь в проточной части соплового аппарата и рабочего колеса. Для учета этих зависимостей в процессе моделирования получены эмпирические зависимости, являющиеся неотъемлемой частью процесса проектирования центростремительных турбин. Использование полученных эмпирических зависимостей позволяет более точно прогнозировать характеристики и производительность турбин данного типа, а также дополнить существующую математическую модель течения потока в проточной части малорасходной центростремительной турбины с частичным облопачиванием рабочего колеса.

1. Соловьев А. В. Повышение эффективности судовых энергетических установок / А. В. Соловьев, М. М. Чиркова, Н. Ф. Попов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2018. — № 4. — С. 101–106. DOI: 10.24143/2073-1574-2018-4-101-106.

2. Ерофеев В. Л. О возможностях использования вторичных энергетических ресурсов в судовых ДВС / В. Л. Ерофеев, В. А. Жуков, О. В. Мельник // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — Т. 9. — № 3. — С. 570–580.

3. Абул К. А. Оценка возможностей утилизационных установок главных двигателей крупнотоннажных судов транспортного флота / К. А. Абул // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2009. — № 1. — С. 121–125.

4. Матвеенко В. Т. Характеристики рабочих процессов воздухонезависимых одноконтурных микрогазотурбинных установок для подводной техники / В. Т. Матвеенко, В. А. Очеретяный, А. В. Дологлонян // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — Т. 9. — № 3. — С. 612–618. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-3-612-618.

5. Епифанов А. А. Расчет трехмерного течения в ступенях малорасходных турбин / А. А. Епифанов, А. И. Кириллов, В. А. Рассохин // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. — 2012. — № 1 (142). — С. 65–70.

6. Забелин Н. А. Исследование особенностей течения в малорасходных турбинных ступенях конструкции ЛПИ / Н. А. Забелин, Г. Л. Раков, В. А. Рассохин, А. А. Себелев, М. В. Смирнов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. — 2013. — № 1 (166). — С. 45–53.

7. Rassokhin V. The design of microturbine units with low-consumed turbines constructed by LPI for heat recovery of exhaust gases of internal combustion engines / V. Rassokhin, N. Zabelin, H. Kunte, J. Seume, S. Olennikov, M. Cherkasova, A. Sebelev // 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.

8. Rakov G. A low emission axial-flow turbine for the utilization of compressible natural gas energy in the gas transport system of Russia / G. Rakov, V. Rassokhin, N. Zabelin, S. Olennikov, A. Sebelev, A. Sukhanov, S. Schislyaev // International Journal of environmental & science education. — 2016. — Vol. 11. — No. 18. — Pp. 11721–11733.

9. Smirnov M. V. Effects of hub endwall geometry and rotor leading edge shape on performance of supersonic axial impulse turbine. Part I / M. V. Smirnov, A. A. Sebelev, N. A. Zabelin, N. I. Kuklina // Proceedings of 12th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics. — Stockholm, Sweden, 2017. — Paper ID: ETC2017–100.

10. Крюков А. А. Трехмерное численное моделирование малорасходной центростремительной турбины с частичным облопачиванием рабочего колеса / А. А. Крюков, С. В. Чехранов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2021. — № 1. — С. 74–80. DOI: 10.24143/2073-1574-2021-1-74-80.

11. Крюков А. А. Сравнение значений коэффициентов скорости в турбинной ступени с частичным облопачиванием рабочего колеса / А. А. Крюков, С. В. Чехранов // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2021. — Т. 13. — № 2. — С. 257–265. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-2-257-265.

12. Крюков А. А. Численное исследование течения потока в ступени центростремительной турбины с частичным облопачиванием рабочего колеса / А. А. Крюков, С. В. Чехранов // Морские интеллектуальные технологии. — 2020. — № 4–1 (50). — С. 114–120. DOI: 10.37220/MIT.2020.50.4.016.

13. Чехранов С. В. Математическая модель радиальной малорасходной турбины с частичным облопачиванием рабочего колеса / С. В. Чехранов, Р. Р. Симашов // Транспортное дело России. — 2015. — № 6. — С. 222–226.