Ocena strat energetycznych w stopniach turbin parowych na podstawie obliczeń przepływów stacjonarnych i niestacjonarnych

• Autorzy: Gardzilewicz A.

Warianty tytułu

EN

Estimation of energy losses in steam turbine stages from steady and unsteady flow numerical modelling

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono analizę porównawczą strat przepływu przez stopnie turbinowe wyznaczonych w obliczeniach stacjonarnych i niestacjonarnych. Wykorzystane do porównań obliczenia zrealizowano przy pomocy kodu CFD FlowER. Zadanie rozdzielone zostało na dwie części. W pierwszej części dokonano testów weryfikacyjnych kodu, które wykonano w oparciu o pomiary stopni turbin modelowych. Wybrano najlepsze pod względem dokładności schematy numeryczne, dobrano wielkości siatek dyskretyzacyjnych oraz modele turbulencji. Pozwoliło to w drugiej części wykonać porównawcze obliczenia przepływu w układzie stacjonarnym i niestacjonarnym dla akcyjnych stopni turbinowych. Otrzymane wyniki i przeprowadzone analizy pozwoliły na ocenę stosowanych domknięć i przyjętych uproszczeń w zastosowaniu do obliczeń projektowych turbin parowych.

EN

The paper presents the comparative analysis of flow losses in turbine stages based on steady and unsteady flow calculations. The calculations were performed using Flower, a specialized CFD code. First, verifications tests of the code were made. They allowed selecting a proper numerical scheme, grid size and turbulence model to obtain the best possible accuracy. Next, comparative calculations of stationary and nonstationary flow through a system of impulse steam turbine stages were done. The obtained results made the basis for estimating the correctness of closure; and simplifications applied in design calculations of steam turbines.

Słowa kluczowe

PL

turbiny parowe; straty energii; przepływ stacjonarny; przepływ niestacjonarny; obliczenia przepływów; CFD; program FLOWER

EN

steam turbines; energy losses; steady flow; unsteady flow; flow calculations; CFD; FLOWER program

• Wydawca: Wydawnictwo Instytutu Maszyn Przepływowych PAN ; Komitet Problemów Energetyki Polskiej Akademii Nauk
• Czasopismo: Archiwum Energetyki
• Rocznik: 2004
• Tom: T. 33, nr 1/2
• Strony: 135--163
• Opis fizyczny: Bibliogr. 63 poz.

Twórcy

autor

Gardzilewicz A.

• Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk, Gdańsk

Bibliografia

• [1] Sharma D.P.: Assesment of unsteady flows in turbines, ASME, Paper 95-GT-76. 1990.
• [2] Karrenbrok J.L., Mikołajczak A.: Infrastator transport of rotor wakes its effects on compressor performance, ASME, Paper 70-GT-39, 1970.
• [3] Binder A. : Turbulence production due to secondary vortex cutting in turbine rotor, ASME, Paper 85-GT-193, 1985.
• [4] Denton J.D.: Loss mechanism in turbomachines, ASME Paper, 95-GT-434, 1993.
• [5] Szczeglajew A.: Parowyje turbiny, Energija, Moskva, 1976
• [6] Perycz S.: Turbiny parowe i gazowe, Ossolineum. 1990.
• [7] Twenty years progress in steam turbine aerodynamics, Mat. wewn. firmy ALSTOM.. 1987.
• [8] Cofer J.: Advantages in steam path technology, Mat. wewn. GE Power Generation, 1991.
• [9] Daves W.N.: Current future developments in turbomachinery CFD, Europ. Conf. On Turbomachinery Fluid Dynamics, Antwerpen 1997 (inv. lecture).
• [10] Walker P. і in.: Steam turbine optimised technical solutions for new and retrofit plant (ALSTOM). Proc. Conf, on Power Generation. Helsinki 2000.
• [11] Dalbert P.: Turbomachinery design, development using CFD industry (Sulzer), Proc. Ercoftac Seminar. Courchevel 1997.
• [12] Jansen M., Ulm W.: Modern blade design for improving steam turbine efficiency (Siemens, KWU), First Europ. Conf. On Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodyn., Erlangen 1995.
• [13] Gallimore S.: Multistage CFD turbine analysis (Rolls Royce), 5th European Conf. On Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodyn.. Praha 2003 (invit. lecture).
• [14] Jung A.R., Mayer J.F., Stetter H.: Unsteady blade loads caused by stator/rotor interaction m an axial turbine stage, Proc. 2-nd Europ. Conf, on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodyn.. Antwerpen 1997.
• [15] He L.: Three dimensional unsteady Navier Stokes analysis of in axial-flow turbines, Proc. HI Europ. Conf, on Turbomachinery Fluid Dyn. and Thermodyn., London 1999. 289-306.
• [16] Magagnato F.: Unsteady flow past a turbine blade using non-linear two equation turbulence models, Proc. III Europ. Conf, on Turbomachinery Fluid Dyn. and Thermodyn., London 1999, 221-230.
• [17] Sieverding C. і in.: Unsteady turbine blade wake characteristics, Proc, of Int. Joint Power Conference. Atlanta 2003.
• [18] Yershov S., Rusanov A.: The application package FlowER for the calculation of 3D viscous flows through multistage machinery, Certificate of Ukrainian State Agency, Kiev, 1996.
• [19] Yershov S., Rusanov A., Gardzilewicz A., Lampart P., Świrydczuk J.: Numerical simulation of viscous compressible flow in axial turbomachinery, TASK Quarterly, Vol.2, No 2, 1998.
• [20] Harten A., Osher S.: Uniformly high order accurate non oscilatory schemes, SIAM J. Num. Anal. 24, 1987, 270-309.
• [21] Beam R.M., Warming R.F.: An implicid factored scheme for compressible Navier Stokes Equations, AIAA J., 16, 1978, 393-462.
• [22] Gardzilewicz A.: Wykorzystanie techniki numerycznej CFD dla modernizacji układów przepływowych turbin parowych, Mat. Sem. nt. Podstawowe problemy maszyn i urządzeń energetycznych, Kom. PAN, Jabłonna 2003.
• [23] Wiechowski S.: Wyniki badań palisad pierścieniowych w turbinie TK8-TW3, TK9-KW3, Oprać, wewn. ITC, Łódź 1988.
• [24] Gardzilewicz A., i in: Efficiency of cylindrical stages of impulse turbines with the help of 3D flow computation, Proc. Modeling and Design Turbomachinery, Gdańsk 1997.
• [25] Lampart P., Yershov S., Rusanov A.: Validation of Turbomachinery Flow Test Cases, Cieplne Maszyny Przepł., Turbomachinery, Vol. 122, Gdańsk 2002, 636-670.
• [26] Lampart P., Gardzilewicz A.: Badanie przepływu z przeciekami w stopniu turbiny akcyjnej przy użyciu modelu źródło upust, Cieplne Maszyny Przepł., Turomachinery, Vol.117, 2002, 233-238.
• [27] Lampart P., Świrydczuk J., Gardzilewicz A.: On the prediction of flow patterns and losses in axial turbine stages using 3D RANS sower and two turbulents model, TASK Quaterly, Vol. 5, No. 2, 191-206.
• [28] Lampart P., Gardzilewicz A., Yershov S., Rusanov A.: Investigation of flow characteristics of an HP turbine stage including the effect of tip leakage and windage flows using 3D NS equation. Proc. Conf. ASME JPGC 2223-26, Miami Beach 2000.
• [29] Lampart P., Świrydczuk J., Gardzilewicz A., Yershov S., Rusanov A.: The comparison of performance of the Menter shear stress transport and Boldwin Lomax turbulence model with respects to CFD prediction of losses axial turbine stages, Proc. ASME Conf. PVP vol. 424.1, Atlanta 2001.
• [30] Walraevens R.E., Gallus H.E.: Stator rotor interaction in axial flow turbine and its influence on loss mechanisms, AGARD-CP-571 39, 1996, 1-13.
• [31] Yershov S., Rusanov A., Lampart P., Gardzilewicz A.: Numerical calculations of unsteady flow in axial turbine stage, [in:] ERCOFTAC Testcase, R.Walraevens, H. Gallus: Unsteady flow in 1M/2 stage axial flow turbine. 1996; Oprac. wewn. IMP PAN, 10/99, Gdansk 1999.
• [32] Yershov S.. Rusanov A., Świrydczuk J., Gardzilewicz A.: Adaptacja kodu FlowER do obliczeń przepływowych z uwzględnieniem niestacjonarności, Oprac. wewn. IMP PAN, m. 1904/2002 i 3364/2003, Gdańsk.
• [33] Smolny A., Błaszczak J.: Experimental investigations of unsteady flow fields in a two-stage turbine, Proc. 2nd Europ. Conf. On Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodyn., Antwerpen 1997.
• [34] Błaszczak J., Smolny A.: Projekt i opracowanie danych z prac eksperymentalnych na turbinie modelowej TM-3 dla obliczeń CFD, Oprac. wewn. IMP PŁ, nr 1904/2001, Łódź 2001.
• [35] Świrydczuk J., Gardzilewicz A.: Analiza efektów oddziaływania wieńców kierownica/wirnik w turbinie TM-3, Oprac. wewn. IMP PAN, 2764, Gdańsk 2002.
• [36] Świrydczuk J., Gardzilewicz A.: Analiza porównania przepływu przez wybrane konstrukcje stopni turbinowych dla oceny wpływu zmian parametrów fizycznych i geometrycznych na rozwój efektów niestacjonarnych, Oprac. wewn. IMP PAN, 2317, Gdańsk 2002.
• [37] Fritch G.. Giles M.: An asymptotic analysis of mixing loss, J. of Turbomachinery, Vol. 117, 1995.
• [38] Dejcz M.: Atlas profilej reszetok osiewych turbin, Maszinostrojenije, Moskva, 1968.
• [39] Świrydczuk J.: RANS Simulations of Unsteady Stator/Rotor Interaction using Different Turbulence Models, Maszyny Cieplne Przepływowe, Turbomachinery, Vol. 122, 269-276.
• [40] Hodson H., Daves W.W.: On the interpretation of measured profile losses m turbomachinery, ASME, J. of Turbomachinery, Vol. 114, 1992.
• [41] Gardzilewicz A.: Aktualne problemy projektowania, konstruowania i diagnostyki cieplnej turbin parowych, Zesz. Naukowe IMP PAN, 502/1461/99, Gdańsk 1999.'
• [42] Gardzilewicz A., Świrydczuk J.: Mixing Loss Evaluation Erros in Impulse Turbine Stage. Steady and Unsteady Flow Calculations, Cieplne Maszyny Przepł., Vol. 122, 321-328, 2002.
• [43] Elsner J.: Aerodynamika palisad łopatkowych, Maszyny Przepływowe, Ossolineum, Wrocław 1988.
• [44] Świrydczuk J., Gardzilewicz A.: The comparison of unsteady and steady state approaches to turbine stage flow calculations, Proc. XXXVth Conf. On Power Generation Techn., Dresden 2003.
• [45] Świrydczuk J.: Unsteady performance of an HP turbine stage optimised of steady state conditions , Proc. 5th Europ. Conf, on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodyn., Praha 2003, 1157-1166.
• [46] Gardzilewicz A., Świrydczuk J.: CFD based evaluation of unsteady losses in turbine stage design, Betr, Arbeitgemeinschaft Turbomaschinen, Zakopane 2003.
• [47] Gardzilewicz A., Świrydczuk J., Lampart P., Kwidzyński R., Kosowski К.: Badanie strat przepływowych w wieńcach łopatkowych stopni turbinowych z wykorzystaniem CFD. Charakterystyki sprawnościowe, Cieplne Maszyny Przepływowe, nr 17, Łódź 2000.
• [48] Therman H., Miller M., Niehuis R., Skoda R., Schilling R.: Numerical simulation of the flow in an annular compressor cascade with different turbulence and transition models, Proc. 5th Europ. Conf, on Turbomachinery, Praha 2004.
• [49] Moczala M.. Von Lavante E.: Numerical investigation of losses due to unsteady effects in axial turbines, Proc, of Inter. Joint Power Conf. Atlanta 2003.
• [50] Pfan A., і in.: Unsteady flow interaction within the cavity of a turbine rotor tip labyrinth seal, Proc, of Inter. Joint Power Conf. Atlanta 2003.
• [51] Daves W.N.: Steady and unsteady computations of the turbomachinery of blading, XIII Summer School of Fluid Mechanics and Thermodyn. on Recent Development in Design and Computation of The Gas Turbine, Stare Jabłonki 2003 (inv. lecture).
• [52] Chmielniak T., Łukowicz H., Wróblewski WDykas S.: Numerical prediction of losses in the low pressure last stage blade, Trans. IFFM, Vol. 113, 119-129, Gdańsk. 2003
• [53] Sturmayr A., Hirsch Ch.: Tabular IAPWS-95 steam properties formulation with switched condensation model in a 3D Navier-Stokes solver, Proc. 5th Europ. Conf, on Turbomachinery, Praha 2004.
• [54] Dykas S., Goodheart K., Schnerr G. H.: Numerical study of accurate and efficient modeling for simulation of condensing flow in transonic steam turbines solver, Proc. 5th Europ. Conf, on Turbomachinery, Praha 2004.
• [55] Puzyrewski R.: Modele kondensacji w przepływach, Mat. Sem. pn. Modelowanie Przepływów Wielofazowych w Układach Termochemicznych, Stawiska 2004.
• [56] Drobniak S.: Struktury koherentne a turbulencja przepływów, Mat. XIII Kraj. Konf. Mechaniki Płynów, t.3, Częstochowa 1998.
• [57] Tyliszczak A.: Large eddy simulation (LES) jako narzędzie inżynierskie w analizie przepływów turbulentnych, Mat. XIII Krajowej Konf. Mechaniki Płynów, t.3, Częstochowa 1998.
• [58] Świrydczuk J.: Wzajemne oddziaływanie struktur wirowych z opływanymi profilami, Zesz. Naukowe IMP PAN, 533/1492/2004, Gdańsk 2003.
• [59] Adamczyk J.: Aerodynamic analysis of multistage turbomachinery flow in support of aerodynamic design, J. of Turbomachinery 2000, Vol. 122, 189-217.
• [60] Krysiński J., Błaszczyk J., Smolny A.: Measurement technique challenges and results of the clocking effect experimental investigations in a two stage low pressure turbine, Proc. 10th Int. Symp. on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu 2004, Paper 083.
• [61] Drobniak S., Elsner W.: Current research on unsteady aerodynamics of fluid-flow machinery, Cieplne Maszyny Przepływowe, Nr 122, Łódź 2002.
• [62] Wróblewski W.. Dykas S.: Obliczenia numeryczne przepływu pary -mokrej w kanałach turbinowych, Mat. Sem. pn. Modelowanie Przepływów Wielofazowych w Układach Termochemicznych, Stawiska 2004
• [63] Doerffer P.: European research on turbomachinery of TRA-EEFA Network, ХІII Summer School of Fluid Mechanics and Thermodyn. Recent Development in Design and Computation of The Gas Turbine. Stare Jabłonki 2003.