Математическое моделирование и оптимизация структуры течения в ступени радиально-осевой турбины микрогазотурбинной установки

Abstract

В настоящей статье приведена информация об основных отличительных особенностях микрогазотурбинных установок и их преимуществах по сравнению с прочими автономными источниками электрической энергии. Дано обоснование использования турбины радиально-осевого типа в микрогазотурбинной установке номинальной мощностью 100 кВт. Рассмотрены начальные аналитические проектировочные расчеты данной турбины (без применения средств вычислительной газодинамики) с указанием соответствующих методик расчета. Приведены особенности радиально-осевой турбины как турбомашины, в которой срабатывается большой теплоперепад и имеет место высокая степень реактивности. Описан подход к параметризации геометрии профиля лопатки соплового аппарата турбины с использованием дуг окружностей, кривых Безье и прямолинейных участков. Для данной параметрической геометрии в программном комплексе ANSYS построены расчетная сетка и расчетная модель. Выполнено параметрическое исследование течения в сопловом аппарате различной геометрической конфигурации и определены оптимальные конфигурации по величине скоростного коэффициента для разных значений угла выхода потока из соплового аппарата, где минимальная граница диапазона рассматриваемых углов ограничена технологией изготовления. После исследования соплового аппарата рассмотрена ступень турбины (с учетом течения в рабочем колесе), для которой также были установлены границы изменения геометрических параметров и выполнена серия расчетов. По результатам расчетов определена оптимальная геометрическая конфигурация ступени турбины по критерию максимизации коэффициента полезного действия. Результаты расчета представлены в графическом виде, а также в виде полей скорости и давления в межлопаточных каналах соплового аппарата и рабочего колеса. This article presents information about the main distinguishing features of microturbine power plants and their advantages in comparison with other stand-alone sources of electricity. The justification of the use of Francis turbine in microturbine power plants with rated power of 100 kW is given. Initial analytical Engineering calculations of the turbine (without using computational fluid dynamics) with appropriate calculation methods are considered. The basic features of Francis turbine as a turbomachine, which operates a large heat drop with a high degree of reactivity are descripted. The approach to the definition of the geometry of the blade profile of turbine nozzles using arcs, Bezier curves and straight sections is given. For the parametric geometry in ANSYS program computational grid and calculation model were created. A parametric study of the flow in the nozzle was performed with various geometric configurations and the optimum configuration for the value of the speed ratio for different values of the angle of the output stream from the nozzle unit was determined (where the minimum of the range of angles under consideration is limited to manufacturing technology). After exploring the nozzle the flow in turbine stage was studied (taking into account the flow in the impeller), for which limits of variation of geometrical parameters were also set and series of calculations were performed. The calculations determined the optimal geometry of the turbine stage on the criterion of maximizing efficiency. The calculation results are presented in graphical form, as well as the velocity and pressure fields at the interscapular channels of nozzle unit and the impeller.