The Results of Calculations of the Axial Turbine Stage with Different Meridional Outlines of Its Adjustable Nozzle Vane
Abstract
Turbomachines with adjustable (rotary) nozzle vanes (ANV) find increasingly broader use in various technical fields owing to their featuring lower loss of efficiency in comparison with other flow rate changing methods. Improvement of their efficiency is becoming more important while fulfilling the manufacturability and reliability requirements.
Three options for shaping the meridional outlines of the adjustable nozzle vane (ANV) and the blades themselves, which are rather complex items for manufacture, are studied by calculation:
option 1 – with conventional cylindrical meridional surfaces and blades cut at the ends with spherical surfaces, which ensure an acceptable (around 0.3 mm) minimum tip clearance above the leading and trailing edges only at the smallest of the possible blade angles, and in the root section – only at the maximum blade angle (of the required range);
option 2 – with spherical outlines and blades cut along a sphere equidistant to the outline spheres (with a clearance of around 0.3 mm);
option 3 – with flat meridional outlines in the form of a polyhedral prism and blades with flat ends equidistant to the prism faces (with a clearance of around 0.3 mm);
The results of calculations carried out in the ANSYS CFX software package are described and analyzed, which have shown a slight advantage in efficiency ηri (by around 2%) for options 2 and 3. For these options, the decrease in efficiency with an increase in the flowrate above its design value is less noticeable than for option 1, and with flowrates lower than the design one, the values of efficiency ηri are the same for all options.
References
2. Пат. № 2106498 РФ. Диагональная силовая турбина / В.А. Плотников // Бюлл. изобрет. 1998. № 3.
3. Конюков В.Л. Влияние угла поворота лопаток регулируемого соплового аппарата турбонаддувочного агрегата дизеля на параметры газа перед турбиной // Вестник Керченского гос. морского технолог. ун-та. 2019. Вып. 2. С. 54—64.
4. Федотов А.С. Совершенствование проточной части турбинной ступени с регулируемым сопловым аппаратом: автореф. дисс. … канд. техн. наук. Харьков: Харьковский политехн. институт им. В.И. Ленина, 1984.
5. Лазарев Л.Я, Фадеев В.А. Исследование особенностей течения в осевой ступени турбины с регулируемым сопловым аппаратом // Вестник МЭИ. 2022. № 5. С. 101—111.
6. Arimizu H. e. a. Development of Variable Geometry Turbocharger for Gasoline Engine // Mitsubishi Heavy Industries Techn. Rev. 2019. V. 56. No. 2. Pp. 1—12.
7. Ревзин Б.С. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты. М.: Недра, 1986.
8. Щегляев А.В. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин. М.: Энергоатомиздат, 1993.
9. Барский И.А. Скоростные характеристики турбины с регулируемыми сопловыми аппаратами // Известия ВУЗов. Серия «Авиационная техника». 1973. № 3. С. 64—68.
10. Кириллов И.И., Кузмичёв Р.В. Влияние на КПД и на степень реактивности турбинной ступени угла поворота направляющих лопаток // Известия ВУЗов. Серия «Энергетика». 1959. № 2. С. 101—110.
11. Мухтаров М.Х. Исследование плоских решёток регулируемых сопловых аппаратов осевых турбин // Труды ЦИАМ. 1970. № 559.
12. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Лазарев Л.Я. Атлас профилей лопаток осевых турбин. Машиностроение, 1965.
13. Троицкий Н.И., Моляков В.Д. Экспериментальные исследования силовой турбины с регулируемым сопловым аппаратом // Известия ВУЗов. Серия «Машиностроение». 2021. № 8(737). С. 58—66.
---
Для цитирования: Лазарев Л.Я., Фадеев В.А. Результаты расчетов осевой турбинной ступени с различными меридиональными обводами регулируемого соплового аппарата // Вестник МЭИ. 2023. № 2. С. 125—136. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-2-125-136.
#
1. Kustarev Yu.S., Kostyukov A.V. Osevye Turbiny Transportnykh GTD. M.: Izd-vo MGTU «MAMI», 2006. (in Russian).
2. Pat. № 2106498 RF. Diagonal'naya Silovaya Turbina. V.A. Plotnikov. Byull. Izobret. 1998;3. (in Russian).
3. Konyukov V.L. Vliyanie Ugla Povorota Lopatok Reguliruemogo Soplovogo Apparata Turbonadduvochnogo Agregata Dizelya na Parametry Gaza Pered Turbinoy. Vestnik Kerchenskogo Gos. Morskogo Tekhnolog. Un-ta. 2019;2:54—64. (in Russian).
4. Fedotov A.S. Sovershenstvovanie Protochnoy Chasti Turbinnoy Stupeni s Reguliruemym Soplovym Apparatom: Avtoref. Diss. … Kand. Tekhn. Nauk. Khar'kov: Khar'kovskiy Politekhn. Institut im. V.I. Lenina, 1984. (in Russian).
5. Lazarev L.Ya, Fadeev V.A. Issledovanie Osobennostey Techeniya v Osevoy Stupeni Turbiny s Reguliruemym Soplovym Apparatom. Vestnik MEI. 2022;5:101—111. (in Russian).
6. Arimizu H. e. a. Development of Variable Geometry Turbocharger for Gasoline Engine // Mitsubishi Heavy Industries Techn. Rev. 2019;56;2:1—12.
7. Revzin B.S. Gazoturbinnye Gazoperekachivayushchie Agregaty. M.: Nedra, 1986. (in Russian).
8. Shcheglyaev A.V. Parovye Turbiny. Teoriya Teplovogo Protsessa i Konstruktsii Turbin. M.: Energoatomizdat, 1993. (in Russian).
9. Barskiy I.A. Skorostnye Kharakteristiki Turbiny s Reguliruemymi Soplovymi Apparatami. Izvestiya VUZov. Seriya «Aviatsionnaya Tekhnika». 1973;3:64—68. (in Russian).
10. Kirillov I.I., Kuzmichev R.V. Vliyanie na KPD i na Stepen' Reaktivnosti Turbinnoy Stupeni Ugla Povorota Napravlyayushchikh Lopatok. Izvestiya VUZov. Seriya «Energetika». 1959;2:101—110. (in Russian).
11. Mukhtarov M.Kh. Issledovanie Ploskikh Reshetok Reguliruemykh Soplovykh Apparatov Osevykh Turbin. Trudy TSIAM. 1970;559. (in Russian).
12. Deych M.E., Filippov G.A. Lazarev L.Ya. Atlas Profiley Lopatok Osevykh Turbin. Mashinostroenie, 1965. (in Russian).
13. Troitskiy N.I., Molyakov V.D. Eksperimental'nye Issledovaniya Silovoy Turbiny s Reguliruemym Soplovym Apparatom. Izvestiya VUZov. Seriya «Mashinostroenie». 2021;8(737):58—66. (in Russian).
---
For citation: Lazarev L.Ya., Fadeev V.A. The Results of Calculations of the Axial Turbine Stage with Different Meridional Outlines of Its Adjustable Nozzle Vane. Bulletin of MPEI. 2023;2:125—136. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-2-125-136.
