Влияния высот лопаток рабочего колеса центростремительной турбины на газодинамику течения

Abstract

Актуальность исследования определяется необходимостью создания эффективных газотурбинных двигателей, применяемых в отрасли нефтегазового комплекса. Цель: при помощи модели пространственного течения газа в центростремительной турбине исследовать воздействие расчетного режима проектирования турбины на газодинамику течения в её рабочем колесе. Объект: центростремительная турбина энергоустановки малой мощности применяемого в отрасли нефтегазового комплекса. Методы. Для описания течения в турбине применяются уравнения пространственного потока. Для приведения этой системы уравнений к системе уравнений по двум координатам применяется метод прямых. Полученная система уравнений двумерного течения решается методом последовательных приближений. Результаты. На основе метода оптимального проектирования спроектированы рабочие колеса центростремительной турбины для различных расчетных давлений газа на входе. Результаты проектирования показали, что с увеличением расчетного давления газа на входе в турбину уменьшаются площади входного и выходного сечений проточной части. На базе одномерной модели течения в турбинах показано влияние высот лопатки рабочего колеса на КПД и мощность турбины. В результате проведения одномерного расчета можно констатировать, что с увеличением высот лопатки рабочего колеса взрастает КПД турбины, а эффективная мощность падает. Впервые для центростремительной турбины показано воздействие расчетного давления газа на входе в турбину, на газодинамику течения в её рабочем колесе. В результате проведенных исследований установлено, что с уменьшением расчетного давления газа на входе в турбину возрастает область отрыва течения в рабочем колесе. Линия области отрыва течения определена при условии равенства нулю меридианной проекции относительной скорости. Представлены экспериментальный и расчетный профиль скоростей за проточной частью турбины. При сопоставлении расчетного профиля скоростей с экспериментальным следует отметить, что применяемая модель расчета двумерного течения в турбине позволяет с хорошей точностью рассчитать газодинамику течения в ней.

The relevance of the research is determined by the need to create effective gas turbine engines used in the oil and gas industry. The aim of the research is to investigate the impact of the turbine design mode on flow gas dynamics in its impeller using the model of spatial gas flow in a centripetal turbine. Object: centripetal turbine of low power energy unit applied in the oil and gas industry. Methods. Spatial flow equations are used to describe the flow in the turbine. To bring this system of equations to the system of equations in two coordinates, the method of lines is used. The obtained system of two-dimensional flow equations is solved by the method of successive approximations. Result. Based on the optimal design method, the impellers of the centripetal turbine are designed for different design pressures of gas at the inlet. The design results showed that, with the increase of the calculated gas pressure at the turbine inlet, the area of the passage section at the inlet and outlet of the impeller decreases. On the basis of one-dimensional model of the flow in turbines the influence of the height of impeller blades on the turbine efficiency and power is shown. As a result of the research, it can be stated that with the increase in the height of the impeller blade, the efficiency of the turbine grows, and the effective power decreases. The effect of the calculated gas pressure at the turbine inlet on the gas dynamics of the flow in its impeller is shown for a centripetal turbine. As a result of the studies it was found that with a decrease in the calculated gas pressure at the turbine inlet, the region of the flow separation in the impeller increases. The line of the flow separation region is determined under the condition of zero Meridian projection of the relative velocity. The experimental and calculated velocity profile at the turbine outlet is presented. Comparison of the calculated velocity profile with the experimental one allows us to conclude that the applied model for calculating the two-dimensional flow in the turbine make it possible to calculate the gas dynamics of the flow in it with high accuracy.