Speed coefficient of nozzle apparatuses of gas axial microturbines

Abstract

Статья посвящена решению одной из важных задач прикладной газовой динамики – повышению энергетической эффективности сопловых аппаратов, в которых сопла установлены под углами менее 9° (а именно от 5 до 9°) для увеличения дуги подвода газа к лопаткам рабочего колеса. Качество преобразования энергии в сопловых аппаратах (особенно при сверхкритических разностях энтальпии) оказывает решающее влияние на уровень КПД турбины в целом, именно поэтому целью настоящей работы стал поиск возможности увеличить коэффициент скорости сопловых аппаратов (отношение фактической скорости потока при выходе последнего из сопел к максимально возможной – теоретической скорости). Работа опирается на возможности математического моделирования газодинамических процессов, исходные данные – результаты физического эксперимента. Исследуемая функциональная зависимость приведена в виде формализованной математической регрессионной модели коэффициента скорости соплового аппарата как функции от следующих факторов: степень расширения сопла (отношение площадей – выходной к критической); угол установки сопел; угол выполнения входных кромок лопаток рабочего колеса; число Маха, вычисленное по теоретическим параметрам; приведенная окружная скорость. Такое представление результатов позволяет проводить численный анализ и физическую интерпретацию комплексной оценки влияния на коэффициент скорости сопловых аппаратов в зависимости от изучаемых факторов и выполнять оптимизационные расчеты. The paper is devoted to solving one of the important problems of applied gas dynamics to increase the energy efficiency of nozzle apparatuses with nozzles installed at angles less than 9° (namely from 5° to 9°) to increase the gas supply arc to the impeller blades. Given the decisive importance on the efficiency of turbines, the quality of energy conversion in nozzle apparatuses (especially at supercritical differences in enthalpy), the work is aimed at obtaining the possibility of increasing the nozzle apparatus speed factor (the ratio of the actual flow velocity at the last exit from nozzles to the maximum possible – theoretical speed). The work is based on the possibilities of mathematical modeling of gasdynamic processes, the initial data for which are the results of physical experiment. The investigated dependences are given in the form of formalized mathematical regression model of nozzle velocity coefficient type function depending on the following factors – nozzle expansion degree (ratio of areas – outlet to critical); nozzle installation angle; angle of inlet edges of impeller blades; Mach number, calculated from theoretical parameters; dimensionless circumferential velocity. Such presentation of the results allows numerical analysis and physical interpretation of the complex evaluation of the effect of the studied factors on the coefficient of velocity, and to carry out optimization calculations.