Tvarová modifikace rozváděcí lopatky koncových stupňů parních turbín

Abstract

Tato práce se zabývá výpočetním modelováním nízkotlakých (NT) částí parních turbín (PT) s výstupním tělesem. Geometrický model vychází z testovacího úvodního aerodynamického návrhu NT turbíny. Cílem práce je jednak vyvinout metodiku pro optimalizace posledních NT turbínových stupňů zohledňující různé provozní stavy, při kterých by mohla být turbína nasazena, a dále provést analýzu výsledků táto metodiky. Pro validaci numerického modelu bylo využito porovnání s experimentálními daty získanými v aerodynamickém tunelu na patním profilu NT oběžné lopatky (OL). Porovnáván byl ztrátový součinitel s výsledky pneumatických měření a také charakter proudového pole s údaji z optického měření. Na základě geometrie úvodního modelu NT části PT s radiálním difuzorem a výstupním tělesem jsem provedl aerodynamickou analýzu zahrnující obvodové nesymetrie proudového pole za oběžnými lopatkami, které vznikají v radiálním difusoru a ve výstupním tělese. V další části práce byly provedeny tvarové modifikace rozváděcí lopatky (RL) posledního NT stupně tangenciálním náklonem, axiálním náklonem a úpravou patní okrajové plochy s cílem zvýšit účinnost turbíny. Pro řízení tvarových modifikací RL byla použita metoda ?Design of Experiment? (DOE), která efektivně prohledává a mapuje zadaný optimalizační prostor. Tento modifikovaný tvar RL byl porovnán s úvodním tvarem RL pro různé provozní stavy a podrobně analyzován. Tato práce obsahuje řadu návodů a postupů pro tvarovou optimalizaci točivých strojů a jejich analýzu.

This work deals with computational modeling of low pressure parts of steam turbines with exhaust hood. The geometric model is based on the testing aerodynamic design of the low pressure turbine. The aim of the work was to develop a methodology for optimization of the last low pressure turbine stages with regard to the different operating states where the turbine could be used and the subsequent analysis of the results. For the validation of the numerical model, a comparison was made with the experiment on the root profile of bucket blade in the aerodynamic tunnel, where I compared the loss coefficient and the character of the flow field with the optical measurement. On the basis of the geometry of the low pressure part of the steam turbine with the radial diffuser and the exhaust hood, I performed an aerodynamic analysis, including the non-uniformity of the flow field behind the last bucket which develops in radial diffuser and the exhaust hood. In the following section, the shaping of the nozzle of the last stage was performed by compound lean, axial sweep and hub end-wall with goal to increase the efficiency of the turbine. The "Design of Experiment" method (DOE) was used to control nozzle shape modifications, which is able to search and map the specified optimization space. This modified nozzle shape was compared to the initial nozzle shape for different operating states and analyzed in detail. A series of recommendations and guidelines for the CFD modelling of steam turbine exhaust hood flows based on this work are supplied.