06 марта 2016г.
В настоящее время рост цен на энергоресурсы определяет задачу создания высокоэкономичных двигателей различного назначения. Успешное развитие энергетики, водного и воздушного транспорта, газовой промышленности и других отраслей народного хозяйства в значительной мере зависят от повышения эффективности и надежности тепловых турбомашин [2, 3]. Области применения последних относятся к приоритетным направлениям развития науки, техники и технологий в Российской Федерации в следующих направлениях:
1. Транспортные, авиационные и космические системы.
2. Энергетика и энергосбережение.
Тепловые турбомашины относятся к критической технологии и рассматриваются по направлению «Технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем».
В транспортной энергетике (автономные подводные аппараты, беспилотные летательные аппараты, и т.д.) требуются высокие показатели мобильности и автономности, которые можно достигнуть применением микротурбин [7].
Современные микротурбины обладают недостаточно высокой эффективностью. Это связано со следующими особенностями конструкции микротурбин (парциальный подвод рабочего тела к рабочему колесу, малые размеры проточной части) и со сложными условиями течения рабочего тела.
По данным Московского (МАИ) и Куйбышевского (КуАИ) авиационных институтов снижение степени парциальности с 1,0 до 0,15 осевых малорасходных турбин приводит к падению КПД с 75 до 50%. Снижение КПД негативно сказывается на эффективности энергетической установки в целом, так как понижается уровень автономности аппарата, которым оценивается целесообразность установки турбины.
Снижение степени парциальности возможно за счет применения в ступени микротурбины соплового аппарата, имеющего малые конструктивные углы выхода сопел. Предлагаемое решение позволит повысить степень парциальности ступени микротурбины за счет удлинения косого среза сопла. Такие конструкции предполагают использование сопловых аппаратов совместно с рабочими колесами, имеющими каналы с большим углом поворота, что приводит к повышению концевых потерь энергии. Это обусловлено увеличением кривизны канала и, как следствие, повышением градиента давления между выпуклой и вогнутой стенками канала. Вторичные течения потока рабочего тела становятся более интенсивными, поэтому вихревая зона с повышенными потерями энергии расширяется [4, 5]. Условием применения подобных конструкций является преобладание потерь от парциальности над потерями, обусловленными применением рабочих колес с большим углом поворота потока.
Исследования сопловых аппаратов с малым конструктивным углом выхода (5°9°) были проведены в работах [8, 9]. При прочих равных условиях КПД исследованных микротурбин оказался выше на 3,5…5%, чем у парциальных турбин.
По данным Калужского турбинного завода увеличение коэффициента скорости в рабочей решетке полноразмерных турбин на 1% повышает мощность ступени на 0,73%. Повышение эффективности микротурбины значительно зависит от эффективности рабочего колеса, которое должно быть выполнено с большим углом поворота проточной части. Исследования в этом направлении проведены в работах [6].
Не стоит забывать о том, что неверная оценка параметров рабочего тела за сопловым аппаратом приведет к неверному профилированию рабочего колеса, что приведет к значительному снижению эффективности микротурбины [1]. Особенно сильно это будет выражено в многоступенчатых турбинах, так как ошибочная оценка аэродинамических свойств рабочего тела за рабочим колесом приводит к неправильному профилированию следующей ступени.
Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод о том, что резервом повышения эффективности микротурбин является совершенствование проточной части сопловых аппаратов и рабочих колес.
Работа выполнена под руководством к.т.н., доцента Фершалова А.Ю.
Список литературы
1. Агульник А.Б., Динь Т.З. Расчетное исследование параметров ГТУ малой мощности на основе авиационных двигателей при «влажном» сжатии // Научно-технический вестник Поволжья. 2013. № 4. С. 36-39.
2. Воропай Н.И., Клименко С.М., Криворуцкий Л.Д., Пяткова Н.И., Сендеров С.М., Славин Г.Б., Чельцов М.Б. О сущности и основных проблемах энергетической безопасности России // Известия Российской академии наук. Энергетика. 1996. № 3. С. 38.
3. Воропай Н.И., Сендеров С.М., Рабчук В.И. Стратегические угрозы энергетической безопасности России // ЭКО. 2006. № 12. С. 42-58.
4. Фершалов А.Ю. Повышение эффективности рабочих колес судовых осевых малорасходных турбин // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Дальневосточный государственный технический университет. Владивосток, 2011.
5. Фершалов А.Ю. Повышение эффективности рабочих колес судовых осевых малорасходных турбин // автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Дальневосточный государственный технический университет. Владивосток, 2011.
6. Фершалов А.Ю., Фершалов М.Ю. Методика определения газодинамических и конструктивных характеристик проточной части большешаговых рабочих колес малорасходных турбин // Вестник машиностроения. 2014. № 10. С. 29-31.
7. Фершалов Ю.Я., Фершалов А.Ю., Акуленко В.М., Фершалов М.Ю., Цыганкова Л.П. Перспективность исследований и области применения малорасходных турбин // Вологдинские чтения. 2010. № 78. С. 159-164.
8. Фершалов Ю.Я., Фершалов А.Ю. Газодинамические характеристики сопловых аппаратов новой конструкции // В сборнике: Успехи механики сплошных сред тезисы Всероссийской конференции, приуроченной к 70-летию академика В.А. Левина. ответственные редакторы: Алексеев Геннадий Валентинович, Ковтанюк Лариса Валентиновна. Владивосток, 2009. С. 47-48.
9. Fershalov A.Yu., Fershalov M.Yu., Fershalov Yu.Ya., Sazonov T.V., Ibragimov D.I. Research data of turbine nozzles of 5-9 degree outlet angles // Applied Mechanics and Materials. 2015. Т. 770. С. 547-550.
