Современное состояние вопроса исследования течения в межлопаточном канале

 Газовая турбина – один из основных агрегатов газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД). В ней энергия нагретого движущегося газа превращается в механическую работу на валу. Одним из многих элементов в газовой турбине являются лопатки, с помощью которых и происходит преобразование энергии [2].

Повышение эффективности и надежности тепловых турбомашин требует совершенствования их проточных частей, и в первую очередь -лопаточных аппаратов. В настоящее время в турбомашинах используют большое количество лопаточных решеток, высокая эффективность которых подтверждена экспериментами на стендах и натурными испытаниями. Однако, в процессе модернизации существующего парка или проектирования новых тепловых турбин практически всегда требуется разрабатывать, новые лопаточные венцы. Для разрабатываемых ГТУ характерно проектирование проточных частей турбомашин на основе трёхмерных расчётов с учётом концевых потерь и взаимной связи аэродинамики газового потока, охлаждения деталей и их прочности [3].

В настоящее время все большее число расчётов теплового и газодинамического состояния лопаток осуществляется численно с использованием современных компьютерных CFD (Computational Fluid Dynamic) технологий, основы которых изложены в работах по проектированию и анализу. К наиболее совершенным компьютерным программам, реализующим CFD-технологии, можно отнести Fluent, STAR-CD, Ansys-CFX, которые дают возможность моделировать газодинамические процессы.

В последнее время созданы и широко применяются в коммерческих  пакетах двух-параметрическая  k-ω модель Уилкокса, однопараметрическая  модель Спаларта-Аллмараса, модель сдвиговых напряжений Ментера, RNG- k-ε модель, Realisable- k-ε модель и др [4].

Исследование влияния относительной высоты коротких сопловых лопаток трех различных типов на потери в турбинных решетках показала, что зависимости коэффициента суммарных потерь в исследуемых решетках от их относительной высоты имеют прямолинейные, выпуклые и вогнутые участки; существует диапазон изменения относительной высоты, в котором суммарные потери изменяются незначительно. Оценка эффективности осевой турбины при различных условиях скорости представляет изменение вращательной скорости, сопровождающейся изменениями в эффективности.

Определение параметров газа в турбинной ступени при подводе или отводе тепла через поверхности деталей показал, что подвод сравнительно небольшого количества тепла вызвал увеличение скорости на выходе из направляющего аппарата.

В работе [4] по разработке основных научно-технических решений для оценки локальных и интегральных характеристик двухмерного и трехмерного течения газа в решетках осевых турбин, с помощью универсального гидродинамического программного пакета Fluent. Им выявлена зависимость, между высотой рабочей лопатки и структурой течения при различных значениях числа Маха, а так же установлены методические рекомендации по выбору параметров, которые позволят обеспечить оптимальную точность результатов расчета.

В работе [1] рассмотрены методика и результаты применения современных программных средств численного моделировании течения вязкого газа в решетках осевых турбин. Показана достижимость приемлемой для инженерных целей точности расчетной оценки локальных и интегральных характеристик двух- и трехмерного турбулентного течения газа в решетках турбомашин при использовании двух типичных универсальных гидродинамических программных пакетов (SINF и STAR-CD).

Литература

1.   Галаев С.А.: Численное моделирование течения вязкого газа в решетках осевых турбомашин: методика и результаты применения современных программных средств.: Дисс. канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2006, 166с.
2.   Михальцев В.Б., Моляков В.Д. Теория и проектирование газовой турбины. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 104 с.
3.   Слободина Ф.А., Малинин В.В., Малилин А.В. Повышение эффективности работы лопаточной машины путем оптимизации формы лопатки// Авиационно-Космическая техника и технология. 2011, №9 (83). С. 68-72.
4.   Туапетел Д.В.: Численное моделирование течения вязкого газа в рабочих лопатках осевых турбин с целью снижения в них потерь кинетической энергии.: Дисс. канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2010, 114с.