В статье приводится обзор расчетных работ, проводимых в рамках реализации проекта высокоэффективной ГТУ большой мощности. Компрессором-прототипом для данной разработки выбран осевой компрессор ГТЭ-170.2

Модернизация компрессора осуществлялась за счет перепроектирования входного блока ступеней и выполнялась в несколько этапов:

• изменялись только углы установки лопаток;
• совместно с изменением углов установки лопаток изменялся периферийный обвод проточной части.

Для аэродинамического перепроектирования входной группы ступеней в качестве расчетного инструмента использовались NX10, NUMECA Autogrid5 и Ansys CFX.

В ходе работ созданы расчетные модели модернизированного осевого компрессора ГТЭ-170.2, обеспечивающие параметры, полученные по результатам увязки компонентов ГТУ. Построены напорные характеристики, распределения нагрузки по ступеням и характеристики КПД.

Для определения запаса газодинамической устойчивости проверялась работа компрессора на номинальном режиме и на режиме повышенной нагрузки на входной блок ступеней.

В результате модернизации входного блока ступеней ГТЭ-170.2 получены два варианта геометрии проточной части компрессора для ГТУ большой мощности, удовлетворяющие заявленным газодинамическим требованиям. Данные модели после прочностных расчетов могут в дальнейшем использоваться в качестве базовых вариантов при проектировании компрессора для ГТУ большой мощности.

В области энергетики разработано и используется большое количество ГТУ. Для увеличения мощности, надежности, эффективности турбомашин, а также расширения диапазона работы непрерывно модернизируются конструкции и отдельные узлы энергетических ГТУ. 

Одним из способов повышения параметров установок является применение методов вычислительной газовой динамики, основанной на решении уравнений Навье-Стокса, описывающих течение вязкого газа применительно к лопаточным турбомашинам [1—3].

В АО «Силовые машины» [4] рассматривалась возможность реализации проекта высокоэффективной ГТУ большой мощности. По результатам увязки компонентов ГТУ для осевого компрессора были сформированы два варианта требований по повышению параметров, представленных в табл. 1. Для выполнения этих требований необходимо было провести исследовательские расчетные работы. Прототипом компрессора для данной разработки был выбран 16-ступенчатый осевой компрессор установки ГТЭ-170.2. 

Табл. 1. Газодинамические параметры осевого компрессора ГТУ большой  мощности (относительно компрессора-прототипа)

В ходе исследовательских работ определялась глубина модернизации профильной части компрессора-прототипа с целью увеличения расхода воздуха на 3,3%, степени сжатия на 7,9% для 1-го варианта модернизации и увеличения расхода на 7,9% и степени сжатия на 11,9% — для 2-го варианта. Необходимо сохранить уровень КПД для 1-го варианта модернизации не ниже, чем у компрессора ГТЭ-170.1, и для 2-го варианта — не ниже, чем у ГТЭ-170.2. Также важно сохранить запасы газодинамической устойчивости не ниже компрессора-прототипа. 

В ходе расчетных исследований проверялась работа компрессора на номинальном режиме, а также на режиме, соответствующем повышенной нагрузке на входную группу ступеней. Перепроектирование проточной части с целью достижения требований технического задания планировалось осуществить за счет изменения профильной части входного блока ступеней.

Рис. 1. Напорные характеристики исследуемых моделей 1-го варианта  модернизации компрессора ГТЭ-170.2

Также в ходе исследований была выбрана концепция усовершенствования проточной части компрессора-прототипа за счет изменений первых трех ступеней, что предварительно и определило глубину модернизации проточной части для достижений параметров технического задания на номинальном режиме. 

Модернизация компрессора ГТЭ-170.2 с целью достижения газодинамических параметров проходила в несколько этапов:

• изменялись только углы установки лопаток входного блока ступеней; 

• при увеличении расхода воздуха было принято решение изменить периферийный обвод проточной части входной группы ступеней, сохраняя значения осевой составляющей скорости.

Чтобы обеспечить выполнение заданных требований с минимальными изменениями проточной части прототипа-компрессора, количество лопаток не изменялось и было аналогично компрессору ГТЭ-170.2. 

Табл. 2. Изменение геометрии входного блока компрессора ГТЭ-170.2 (1-й вариант модернизации)

Для аэродинамического перепроектирования входной группы ступеней в качестве расчетного инструмента использовались Siemens NX10, NUMECA AutoGrid5 [5] и Ansys CFX [6]. Для расчета моделей модернизации компрессора ГТЭ-170.2 была построена структурированная гекса-сеть (параметр Y+ находился в диапазоне 1≤ Y+≤3), задавались входные граничные условия — полное давление и температура; на выходе — статическое давление, расход воздуха в отборах. 

Первый вариант модернизации компрессора ГТЭ-170.2 

Модель «А» 1-го варианта учитывает изменение периферийного обвода проточной части над ВНА и первой ступенью на 6 мм, а также изменение углов установки лопаток ВНА-2РК относительно компрессора ГТЭ-170.2.

Рис. 2. Распределение напора по ступеням в расчетной точке исследуемых  моделей 2-го варианта модернизации компрессора ГТЭ-170.2

Рис. 3. Напорные характеристики исследуемых моделей 2-го варианта модернизации компрессора ГТЭ-170.2

На примере модели «В» рассмотрено только изменение углов установки лопаток ВНА-2РК в сторону открытия относительно компрессора ГТЭ-170.2, без изменения периферийного обвода проточной части. В ходе расчетных исследований 1-го варианта модернизации компрессора ГТЭ-170.2 рассматривались также другие модели: 

• модель «Е», учитывающая только изменение углов установки лопаток ВНА-2РК относительно компрессора ГТЭ-170.2 с целью обеспечения повышения расхода (отличается от модели «B» углами установки ВНА и 1РК); 

• модель «F», учитывающая изменение углов установки лопаток и изменение периферийного обвода проточной части входного блока ступеней (отличается от модели «А» углами установки ВНА и 2РК) (табл. 2). 

Из представленных напорных характеристик исследуемых моделей 1-го варианта модернизации компрессора ГТЭ-170.2 следует, что модели «А» и «В» обеспечивают требуемое повышение расхода, и степени сжатия (рис. 1). 

Распределение напора по ступеням в расчетной точке исследуемых моделей показывает, что изменение углов установки 1-й и 2-й ступеней в сторону открытия привело к увеличению нагрузки на данные ступени относительно компрессора-прототипа. 

Табл. 3. Изменение геометрии входного блока компрессора ГТЭ-170.2 (2-й вариант модернизации)

Модели «А» и «В» будут далее детально исследованы на режиме повышенной нагрузки на входной блок с целью определения диапазона бессрывной работы компрессора на частичных режимах работы ГТУ.

Второй вариант модернизации компрессора ГТЭ-170.2 

На примере численных моделей «С» и «D» показано изменение углов установки входных ступеней, а также изменение периферийного обвода на 20 мм для достижения параметров 2-го варианта модернизации компрессора ГТЭ-170.2.

Численная модель «D» отличается от модели «С» углом установки 3НА (лопатка 3НА повернута в сторону прикрытия на 1 градус), периферийный обвод проточной части модели «D» изменен на участке ВНА-3 ст. 

Для повышения расхода воздуха на 7,9% и степени сжатия на 11,9% при сохранении уровня КПД компрессора ГТЭ-170.2 были определены шесть приоритетных моделей, для которых совместно с корректировкой профильной части было принято решение повысить диаметр периферийного обвода, чтобы обеспечить требуемый КПД (табл. 3). 

Распределение напора по ступеням в расчетной точке исследуемых моделей 2-го варианта модернизации показывает, что изменение углов установки 1-й—3-й ступеней в сторону открытия совместно с изменением периферийного обвода над входными ступенями привело к загрузке входного блока и разгрузке выходного блока ступеней (рис. 2). 

Модели «С» и «D» оказались наиболее близкими к выполнению требований ТЗ и обеспечивали повышение расхода воздуха на 7,7% и степени сжатия на 11,9% при сохранении уровня КПД компрессора ГТЭ-170.2 (рис. 3). 

Необходимо было оценить запас газодинамической устойчивости моделей «С» и «D» на режимах работы компрессора, отличных от номинального. Так как модернизации подвергался входной блок ступеней, важно было проверить его работу в условиях повышенной нагрузки. Для максимальной загрузки входного блока ступеней применялся разработанный критерий оценки для многоступенчатых осевых компрессоров — данные «искусственно созданные условия» позволяли оперативно оценить запасы ГДУ без построения всей карты характеристики компрессора. 

Рис. 4. Характеристики КПД моделей 1-го варианта модернизации ГТЭ-170.2

Исходя из результатов исследования сделаны следующие выводы: 

• модель «А» имеет запас газодинамической устойчивости на 1,2% больше, чем модель «В» первого варианта модернизации компрессора ГТЭ-170.2; 

• модель «С» имеет более высокий запас газодинамической устойчивости, чем модель «D» второго варианта модернизации компрессора ГТЭ-170.2.

Выводы

Изменение периферийного обвода и углов установки лопаток (модель «А») позволило нагрузить ступени входного блока, увеличив расход компрессора, степень сжатия по сравнению с компрессором-прототипом, а также получить уровень КПД не ниже компрессора ГТЭ-170.1 (рис. 4) и высокий запас газодинамической устойчивости — более 20%. 

Изменение периферийного обвода над ВНА-3РК и углов установки лопаток ВНА, 1РК, 1НА, 2 РК позволило увеличить расход компрессора на 7,9% и степень сжатия на 11,9% по сравнению с компрессором ГТЭ-170.2. Уровень КПД модели «С» соответствует уровню КПД компрессора ГТЭ-170.2, а запас газодинамической устойчивости — 21%. 

Проведенные расчетные исследования показали, что изменение только углов установки лопаток входного блока позволяет получить повышение расхода на 3,3% и степени сжатия на 7,9%, но, чтобы сохранить КПД на уровне или выше КПД компрессора ГТЭ-170.2, необходимо кроме корректировки профильной части увеличить диаметр периферийного обвода. 

В результате модернизации входного блока ступеней ГТЭ-170.2 получены два варианта геометрии проточной части компрессора для ГТУ большой мощности, удовлетворяющие заявленным требованиям в части повышения расхода воздуха, степени сжатия, КПД и обеспечения запасов газодинамической устойчивости. 

Исследуемые модели после проверочных расчетов на прочность и конструкторской проработки могут использоваться в качестве базовых вариантов для дальнейшего увеличения газодинамических параметров при проектировании компрессора для ГТУ большой мощности. 

Список использованных источников 

1. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. — М.: Энергоатомиздат. — 1984. — С. 152. 

2. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х томах. — М.: Мир — 1991. — С. 1056. 

3. Батурин О. В. Моделирование проточной части и расчет потока в каскаде осевого компрессора с учетом трехмерной структуры течения газа и наличия радиальных зазоров: учеб. пособие / О. В. Батурин, Д.А. Колмакова, В.Н. Матвеев [и др.]. — Самара: ФГУП «Издательство Самарского государственного аэрокосмического университета», 2011. — С. 119. 

4. АО «Силовые машины»: сайт [Электрон. ресурс] — URL: https://power-m.ru/ (дата обращения 25.02.2025). 

5. Numeca: сайт [Электрон. ресурс] — URL: http://www.numeca.com/home/ (дата обращения 15.01.2025). 

6. Ansys: сайт [Электрон. ресурс] — URL: http://www.ansys.com/ (дата обращения 15.01.2025).