Проектирование и численное моделирование биротативной центростремительной малорасходной турбины с вращающимся сопловым аппаратом в ANSYS CFX

   В статье рассматриваются вопросы проектирования и численного моделирования биротативной центростремительной малорасходной турбины с вращающимся сопловым аппаратом, предназначенной для применения в составе компактных газотурбинных энергетических установок малой мощности. Конструкция турбины основана на принципах, реализованных в малорасходных турбинах конструкции ЛПИ, обладающих высокой энергоёмкостью, компактностью и благоприятными газодинамическими характеристиками при малых расходах рабочего тела. На основе анализа экспериментальных данных и конструктивных особенностей турбин ЛПИ разработана методика профилирования проточной части биротативной ступени, обеспечивающая согласованную работу вращающегося соплового аппарата и рабочего колеса при заданных параметрах входного потока. Выполнено построение детализированной трёхмерной геометрической модели проточной части, после чего проведено численное моделирование в программном комплексе ANSYS CFX. Расчёты выполнены в широком диапазоне степеней понижения давления πт = 2,0…6,0 и частот вращения роторов (nBCA, nPK = 13000… 30000 об/мин) с использованием модели турбулентности SST (Shear Stress Transport). Проанализированы поля числа Маха, скорости, полного давления и полной температуры, а также особенности распределения мощности и обмена энергией между роторами. Показано, что центростремительная биротативная схема обеспечивает равномерное распределение параметров на выходе, снижение потерь и повышение внутреннего коэффициента полезного действия по сравнению с традиционными одноступенчатыми турбинами. Полученные результаты подтверждают целесообразность использования разработанной турбины в перспективных маломощных газотурбинных и гибридных энергетических установках, работающих вблизи номинальных режимов.

1. Kuśmierek A. Review of the hybrid gas - electric aircraft propulsion systems versus alternative systems. Progress in Aerospace Sciences 2023; 141(4): 100925. doi: 10.1016/j.paerosci.2023.100925.

2. Efficiency analysis of hybrid electric propulsion system for commuter airliners. A. N. Varyukhin, P. S. Suntsov, M. V. Gordin, V. S. Zakharchenko and D. Y. Rakhmankulov. International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS): IEEE 2019; 1 – 3. doi: 10.1109/ICOECS46375.2019.8949967

3. Моисеев В. С. Силовые установки перспективных беспилотных вертолетов. Казань: Редакционно-издательский центр «Школа» 2020;: 120 – 140.

4. Чехранов С. В. Влияние вращающегося соплового аппарата на характеристики осевых малорасходных турбин. Морские интеллектуальные технологии 2021; 1(4): 86 – 9. doi: 10.37220/MIT.2021.54.4.036

5. Разработка и исследование эффективности работы биротативных малорасходных турбин с вращающимся сопловым аппаратом. В. А. Рассохин, Т. К. Фам, В. В. Барсков, А. И. Суханов, Ю. В. Матвеев, В. К. Ядыкин, С. А. Финкомесс. Труды НАМИ 2025; 3(302): 115 – 27. https://nami.elpub.ru/jour/article/view/405/0

6. Optimization Method of the Multistage Axial Compressors Using CFD Simulation. P. Grigorii, E. Igor, G. Evgenii, B. Oleg, K. Daria, V. Matveev. International Journal of Computational Methods 2022; 19(06):2141006.

7. Методика построения расчетных сеток лопаточных аппаратов энергетических турбомашин для моделирования вязкого потока. Ю.В. Кожухов, С. В. Карташов, А. А. Аксенов, А. М. Яблоков, М. И. Соколов, Н. И. Садовский, Е. С. Зайцева. СПб.: Политех-Пресс 2020: 24 – 36.

8. Design of a two spool contra-rotating turbine for a turbo-fan engine. P. Rajeevalochanam, S. N. A. Sunkara, S. V. R. Murthy, R. S. Kumaran. Propulsion and Power Research 2020; 9(3): 225 – 239. doi: 10.1016/j.jppr.2020.08.001

9. Лапшин К. Л. Оптимизация проточных частей паровых и газовых турбин. СПб.: Политех-Пресс 2020; 46 – 87.