Vliv ucpávkových proudů na integrální charakteristiky turbínového stupně

Ing. Jan UHER

Doctoral thesis

The influence of seal leakages on turbine stage performance

Abstract:

Disertační práce se věnuje teoretickému, experimentálnímu a výpočtovému výzkumu vlivu mísení parazitních ucpávkových proudů s hlavním proudem v axiálním turbínovém stroji. Autor zde shrnuje svou dosavadní činnost, která se zaměřovala na teoretický rozbor práce turbínových stupňů, přípravě matematických modelů používaných při jejich navrhování, jejich experimentální ověření a vyhodnocení dat získaných z experimentů i z numerických simulací. Práce je rozdělena na čtyři hlavní části. V první teoretické části je představen základní popis práce turbíny, který je založen na základech termodynamiky. Dále jsou představeny rovnice používané při návrhu turbínového stupně. Část teoretického úvodu popisuje dnešní možnosti numerických simulací proudění v turbínových stupních. V rešerši odborné literatury je představeno několik autorů ztrátových modelů. Rešerše se dále zaměřuje především na ztráty způsobené interakcí ucpávkových proudů s hlavním proudem. Druhá část práce popisuje experimentální zařízení, na kterém probíhalo ověřování teoretických předpokladů. Po popisu zařízení je představen i způsob vyhodnocení naměřených dat. Nutnou součástí měření bylo i provedení kalibrací měřidel a vyhodnocení nejistot měření. Třetí část práce se zaměřuje na popis numerických výpočtů, které byly provedeny za účelem možnosti detailnějších rozborů proudových poměrů v experimentálním turbínovém stupni. Tyto výpočty byly provedeny v softwaru CFX, přičemž autor práce prováděl přípravu geometrie, okrajových podmínek a následně vyhodnocoval výsledky. Samotné řešení bylo provedeno externí společností. Čtvrtá a poslední část práce se věnuje srovnání experimentálně měřených a numericky simulovaných dat. Z výsledků je pomocí nového detailního rozpadu celkové ztráty turbínového stupně na jednotlivé složky určen dodatečný vliv ztrát přisuzovaných mísení hlavního proudu s proudem z ucpávky.

Abstract:

The thesis is devoted to the theoretical, experimental and computational research of the effect of the mixing of parasitic and main flows in an axial turbine. The author summarizes his previous work, which focused on the theoretical analysis of turbine stages, preparation of mathematical models used in their design, their experimental verification and evaluation of data obtained from experiments and numerical simulations. The thesis is divided into four main parts. The first theoretical part gives a basic description of the work of a turbine, which is based on the fundamentals of thermodynamics. Further, the equations used in the design of a turbine stage are presented. Part of the introduction to the theory describes the current possibilities for the numerical simulation of flows in turbine stages. Several authors of loss models are introduced in the literature review. The research further focuses mainly on losses caused by the interaction of parasitic and main flows. The second part of the thesis describes the experimental equipment used for verifying the theoretical assumptions. The method for evaluating the measured data is presented after the description of the equipment. A vital part of the measurement was also calibration and the evaluation of measurement uncertainties. The third part of the thesis focuses on the description of the numerical calculations. The numerical calculations were performed to analyse the fluid conditions in the experimental turbine stage in more detail. These calculations were performed in CFX software. The author of the work prepared the geometry, boundary conditions and subsequently evaluated the results. The solution itself was carried out externally. The fourth and last part of the thesis is devoted to a comparison of the experimentally measured and numerically simulated data. From the results, the additional effect of the losses attributed to the mixing of the main flow with the seal flow is determined using a new detailed breakdown of the total loss in individual components.

Keywords

Turbínový stupeň, experiment, ztrátový model

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 8. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 2. 12. 2019
• Supervisor: Dr. Ing. Jaroslav Synáč

University of West Bohemia

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Mechanical Engineering / Design of Power Machines and Equipment