Сравнение эффективности использования регулируемых (поворотных) сопловых лопаток в ступенях турбин различного типа

Леонид [Leonid] Яковлевич [Ya.] Лазарев [Lazarev]; Валерий [Valeriy] Александрович [A.] Фадеев [Fadeev]

doi:10.24160/1993-6982-2024-5-100-111

Леонид [Leonid] Яковлевич [Ya.] Лазарев [Lazarev]
Валерий [Valeriy] Александрович [A.] Фадеев [Fadeev]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2024-5-100-111

Keywords: turbine stage: axial impulse-type, radial-axial, axial reaction-type, adjustable (turning) nozzle vanes (ANV), efficiency, variable flowrate

Abstract

The high efficiency of turbine stages with adjustable (turning) nozzle vanes (ANV) is determined in many respects by the possibility of achieving the minimum permissible clearance between the tips of the turning nozzle vanes and the fixed root and peripheral meridional outlines and maintaining it when turning the blades, since the working fluid flow-over through the clearances is the main source of losses. The requirement for ensuring the minimal size and intactness of clearances in the turning nozzle vane systems is possible through the use of various types of turbine stages - axial, radial, radial-axial with impulse- or reaction-type blading of the blade rows. In so doing, it is necessary to take into account the level of complexity and cost of manufacturing the stage of a particular type.

The article presents the results of a computational (in the ANSYS CFX environment) study of the influence of variable working fluid flowrates on the relative internal efficiency for four turbine stage versions: an axial impulse-type stage (AI-S); a radial-axial stage (RAS); a stage with radial nozzle vanes (RNV), a annular bladeless radial-axial channel (ARAC) and axial blade row (ABR); and an axial reaction-type stage (AR-S).

The calculations have been carried out over a wide variation range of rotation speed and flowrate (0.5 < G_i/G₀< 1.5). The influence of individual loss components on the efficiency h_oi has been analyzed in detail. The highest values of efficiency h_oi over the entire working fluid flowrate variation range have been obtained for the radial-axial stage (RAS).

Information about authors

Леонид [Leonid] Яковлевич [Ya.] Лазарев [Lazarev]

Ph.D. (Techn.), until 2015 — Assistant Professor of Steam and Gas Turbines Dept., NRU MPEI,, e-mail: llazarev37@gmail.com

Валерий [Valeriy] Александрович [A.] Фадеев [Fadeev]

Ph.D. (Techn.), Senior Researcher of Steam and Gas Turbines Dept., NRU MPEI, e-mail: FadeevVA@mpei.ru

References

1. Румянцев В.В., Лущеко В.А., Мавлеев И.Р., Павленко А.П. Турбокомпрессор с регулируемым сопловым аппаратом: газодинамический расчёт, 3D-моделирование, CFD-анализ, характеристики // Труды НАМИ. 2023. № 1(292). С. 6—18.
2. Yang D. e. a. An Investigation of the Performance and Internal Flow of Variable Nozzle Turbines with Split Sliding Guide Vanes // Machines. 2022. V. 10(11). P. 1084.
3. Конюков В.Л. Анализ ограничений по улучшению показателей судовых дизелей с наддувом при использовании регулируемого соплового аппарата // Морские технологии: проблемы и решения: Сб. статей участников Национальной науч.-практ. конф. Керчь, 2021. С. 56—59.
4. Chen H., Huang, L. Variable Geometry Turbine Nozzle Design for High Expansio Ratios // Proc. ASME Turbo Expo 2018: Power for Land, Sea, and Air. Oslo, 2018. P. GT2018-57013.
5. Feneley A.J., Pesiridis A., Mahmoudzadeh A.A. Variable Geometry Turbocharger Technologies for Exhaust Energy Recovery and Boosting — a Review // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2017. V. 71. Pp. 959—975.
6. Лазарев Л.Я., Фадеев В.А. Результаты расчётов осевой турбинной ступени с различными меридиональными обводами регулируемого соплового аппарата // Вестник МЭИ. 2023. № 2. С. 125—136.
7. Zhang J., Zangeneh. M. Multidisciplinary and Multi-point Optimization of Radial and Mixed-inflow Turbines for Turbochargers Using 3D Inverse Design Method // Proc. XIV Intern. Conf. Turbochargers and Turbocharging. 2020. Pp. 263—277
8. Лазарев Л.Я., Черных А.П., Михаленко В.А., Фадеев В.А. Исследование характеристик радиально-осевой ступени турбины (РОС) турбодетандерного агрегата системы низкотемператной сепарации (НТС) природного газа // Компрессорные технологии. 2022. № 6. С. 14—22.
9. Демин Ю.В., Игнатьевский Е.А., Фролов В.В. Результаты исследования модифицированной радиально-осевой ступени // Труды МЭИ. 1980. С. 14—17.
10. Фадеев В.А. Характеристики осевой турбинной ступени с радиальным сопловым аппаратом при полном и частичном подводе рабочего тела: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1992.
11. Щегляев А.В. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин. М.: Энергоатомиздат, 1993.
12. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. М.: Машиностроение, 1976.
13. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1986
---
Для цитирования: Лазарев Л.Я., Фадеев В.А. Сравнение эффективности использования регулируемых (поворотных) сопловых лопаток в ступенях турбин различного типа // Вестник МЭИ. 2024. № 5. С. 100—111. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-5-100-111
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Rumyantsev V.V., Lushcheko V.A., Mavleev I.R., Pavlenko A.P. Turbokompressor s Reguliruemym Soplovym Apparatom: Gazodinamicheskiy Raschet, 3D-modelirovanie, CFD-Analiz, Kharakteristiki. Trudy NAMI. 2023;1(292):6—18. (in Russian).
2. Yang D. e. a. An Investigation of the Performance and Internal Flow of Variable Nozzle Turbines with Split Sliding Guide Vanes. Machines. 2022;10(11):1084.
3. Konyukov V.L. Analiz Ogranicheniy Po Uluchsheniyu Pokazateley Sudovykh Dizeley s Nadduvom pri Ispol'zovanii Reguliruemogo Soplovogo Apparata. Morskie Tekhnologii: Problemy i Resheniya: Sb. Statey Uchastnikov Natsional'noy Nauch.-prakt. konf. Kerch', 2021:56—59. (in Russian).
4. Chen H., Huang L. Variable Geometry Turbine Nozzle Design for High Expansio Ratios. Proc. ASME Turbo Expo 2018: Power for Land, Sea, and Air. Oslo, 2018:GT2018-57013.
5. Feneley A.J., Pesiridis A., Mahmoudzadeh A.A. Variable Geometry Turbocharger Technologies for Exhaust Energy Recovery and Boosting — a Review. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2017;71:959—975.
6. Lazarev L.Ya., Fadeev V.A. Rezul'taty Raschetov Osevoy Turbinnoy Stupeni s Razlichnymi Meridional'nymi Obvodami Reguliruemogo Soplovogo Apparata. Vestnik MEI. 2023;2:125—136. (in Russian).
7. Zhang J., Zangeneh. M. Multidisciplinary and Multi-point Optimization of Radial and Mixed-inflow Turbines for Turbochargers Using 3D Inverse Design Method. Proc. XIV Intern. Conf. Turbochargers and Turbocharging. 2020:263—277
8. Lazarev L.Ya., Chernykh A.P., Mikhalenko V.A., Fadeev V.A. Issledovanie Kharakteristik Radial'no-osevoy Stupeni Turbiny (ROS) Turbodetandernogo Agregata Sistemy Nizkotemperatnoy Separatsii (NTS) Prirodnogo Gaza. Kompressornye Tekhnologii. 2022;6:14—22. (in Russian).
9. Demin Yu.V., Ignat'evskiy E.A., Frolov V.V. Rezul'taty Issledovaniya Modifitsirovannoy Radial'no-osevoy Stupeni. Trudy MEI. 1980:14—17. (in Russian).
10. Fadeev V.A. Kharakteristiki Osevoy Turbinnoy Stupeni s Radial'nym Soplovym Apparatom pri Polnom i Chastichnom Podvode Rabochego Tela: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: MEI, 1992. (in Russian).
11. Shcheglyaev A.V. Parovye Turbiny. Teoriya Teplovogo Protsessa i Konstruktsii Turbin. M.: Energoatomizdat, 1993. (in Russian).
12. Sherstyuk A.N., Zaryankin A.E. Radial'no-osevye Turbiny Maloy Moshchnosti. M.: Mashinostroenie, 1976. (in Russian).
13. Ovsyannikov B.V., Borovskiy B.I. Teoriya i Raschet Agregatov Pitaniya Zhidkostnykh Raketnykh Dvigateley. M.: Mashinostroenie, 1986. (in Russian)
---
For citation: Lazarev L.Ya., Fadeev V.A. Comparison of the Effectiveness of Using Adjustable (Turning) Nozzle Vanes in Turbine Stages of Different Types. Bulletin of MPEI. 2024;5:100—111. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-5-100-111
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest