Determination of gas-dynamic characteristics of nozzle diaphragms with supersonic rectangular nozzles in the modeling of variable duties of low-consumption turbines

Проектирование новой многорежимной малорасходной турбины предполагает постановку и решение задачи многорежимной оптимизации. Степень достоверности решения в большой степени определяется совпадением истинных и принятых в расчете потерь кинетической энергии в элементах проточной части турбины. На основе экспериментальных данных различных авторов установлена четкая граница по числу Маха на выходе из сопел, позволяющая выделить область, где эффективность сверхзвуковых МРТ с прямоугольными соплами выше, чем с осесимметричными. В работе приводятся обобщающие зависимости коэффициентов потерь кинетической энергии сопловых аппаратов со сверхзвуковыми прямоугольными соплами в широком диапазоне изменения определяющих геометрических и режимных параметров. Получены эмпирические формулы, учитывающие влияние геометрического угла выхода потока из сопел, геометрической степени расширения сопла, относительной высоты, относительной толщины выходных кромок сопел и числа Маха на коэффициент потерь кинетической энергии соплового аппарата. Переменные режимы работы сопла учитываются двухпараметрической зависимостью относительного коэффициента профильных потерь в функции от числа Маха и геометрической степени расширения сопла и зависимостью поправочного коэффициента концевых потерь в функции от числа Маха. Полученные в работе эмпирические зависимости позволяют использовать их при моделировании переменных режимов и многорежимной оптимизации малорасходных турбин. The design of a new multi-mode low-consumption turbine involves the formulation and solution of the multi-mode optimization problem. The degree of reliability of the solution is largely determined by the coincidence of the true and calculated losses of motional energy in the elements of the flow path of the turbine. Based on the experimental data of various authors, a clear boundary has been established in terms of the Mach number at the nozzle outlet, which makes it possible to single out the region where the efficiency of supersonic low-consumption turbines with rectangular nozzles is higher than with axisymmetric ones. The paper presents generalizing dependences of the motional energy loss ratios of nozzle diaphragms with rectangular supersonic nozzles in a wide range of variation of the governing geometrical and operating parameters. Empirical formulas are obtained that take into account the influence of the geometric angle of the flow from the nozzles, the geometric degree of expansion of the nozzle, the relative height, the relative thickness of the outlet edges of the nozzles and the Mach number on the motional energy loss ratio of the nozzle diaphragm. Variable duties of the nozzle operation are taken into account by the two-parameter dependence of the relative coefficient of profile losses as a function of the Mach number and the geometric degree of expansion of the nozzle and the dependence of the correction coefficient of end losses as a function of the Mach number. The empirical dependencies obtained in this work make it possible to use them in modeling variable duties and multi-mode optimization of low-consumption turbines.