Влияние формы меридионального обвода направляющего аппарата на характер течения в сопловой решетке

Abstract

Известно, что последние ступени мощных паровых турбин, работающие в области интенсивного изменения удельного объема, имеют разную высоту лопатки по входной и выходной кромкам. Обтекание таких решеток связано с дополнительными потерями у периферийной части решетки. Для исследования влияния формы меридионального обвода на вторичные течения использовались численные методы. Геометрические параметры направляющей решетки соответствуют второй ступени мощной паровой турбины с углом раскрытия приблизительно 450. Для упрощения исследования профиль направляющей лопатки был принят постоянным по высоте. За граничные условия приняты полное давление и полная температура на входе и статическое давление на выходе из решетки. Постановка задачи оптимизации требует серии дополнительных исследований. Для этого, помимо исходной решетки, к рассмотрению приняты еще два типа решеток с различными формами меридиональных обводов у периферийной области. Результаты расчетов показали существенное влияние формы меридионального обвода на вторичные течения. Кроме того, наблюдается повышение эффективности дополнительного варианта по сравнению с исходным. В дальнейшем данный вариант был принят как исходный для проведения задачи оптимизации. Построение формы меридионального обвода осуществлялось с помощью кривой Безье. Изменение формы кривой Безье проводилось путем варьирования координат опорных точек. Поиск оптимального решения выполнен с использованием теории планирования эксперимента и ЛПτ-поиска. В результате оптимизации получена решетка с формой меридионального обвода у периферийной части , потери которой на 7,5% в относительных величинах ниже исходного варианта. Для более детального анализа полученных результатов приведены распределение потерь по высоте направляющей решетки и линии тока в межлопаточном канале. Доказано, что оптимизация формы меридионального обвода у периферийной части решетки с использованием CFD и теории планирования эксперимента позволяет повысить эффективность изолированной турбинной решетки.

Розглянуто вплив форми меридіонального обводу направляючого апарату з розкриттям на характер течії в решітці. Проведена оптимізація меридіонального обводу даної решітки в периферійній області. Показано зменшення втрат від вторинних течій при використанні оптимальної форми розкриття проточної частини. Наведені картина ліній току в міжлопатковому каналі та розподіл втрат по висоті для початкового та оптимального варіантів направляючої решітки.

It is known, that last stages of the powerful steam turbine, working in zone of specific volume significant changing, has different blade height of the TE and LE. The wrapping of this cascade are accompanied by additional losses at shroud section of cascade. Numerical methods were used to investigate the effect of meridional shape influence on the secondary flows. The geometrical parameters of nozzle cascade were taken from second stage powerful steam turbine with opening angle about 450. To simplify the research constant height shape of nozzle profile was accepted. The boundary conditions as inlet total pressure, inlet total temperature and outlet static pressure were assigned. Formulation of the optimization task requires a series of additional studies. For this, in addition to the origin nozzle two variants of nozzle cascade with different meridional shroud shape were made. The results of research shown the significant influence of the meridional shape of the inlet cascade part on the secondary flow. Moreover, the improvement of efficiency in additional variant was observed. For future optimization task this variant as initial was accepted. The meridional shape was created with using cubic Bezier curve. The coordinates of reference points for Bezier curve form changing were used. The optimal variant search was occurred with using experiment planning theory method and LPτ sequence. As the result of the optimization a new shroud meridional shape with the losses decrease of 7.5% (in relative values) compared to the original design was obtained. For a detailed analysis of the obtained results the height distribution of losses and streamline visualization in nozzle cascade were listed. It is proved, that optimization of the shroud meridional shape using CFD and experiment planning theory method allows to increasing efficiency of the isolated turbine cascade.