Аналіз методів визначення куту відхилення для плоских решіток турбін

Артем Бабаєв; Олександр Юдін; Валентин Бараннік; Олена Авдєєва

doi:10.20998/2078-774X.2026.01.01

Автор(и)

Артем Бабаєв Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0009-0005-8685-0974
Олександр Юдін Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0001-5098-7796
Валентин Бараннік Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0003-4549-3577
Олена Авдєєва Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-9358-4265

DOI:

https://doi.org/10.20998/2078-774X.2026.01.01

Анотація

У статті виконано огляд методів визначення кута виходу робочого тіла з плоскої турбінної решітки для дозвукових та трансзвуковых режимів течії. Проведено аналіз емпіричних залежностей для визначення кута відхилення, відзначено переваги та недоліки кожної методики. Оцінено точність емпіричних кореляцій та CFD-підходу шляхом зіставлення результатів, отриманих із використанням цих методів, з експериментальними даними для профілю турбінної решітки VKI в розрахункових і позарозрахункових режимах. У результаті порівняння встановлено низьку точність прогнозування використаних емпіричних кореляцій як для розрахункових, так і для позарозрахункових режимів роботи решітки профелю VKI. Найбільші похибки спостерігаються при числах Маха на виході менше 0,6. Найкраща узгодженість з експериментальними даними отримана для результатів CFD (AxCFD™). Результати добре збігаються як за абсолютними значеннями кута відхилення, так і за характером його зміни в позарозрахункових режимах. Додаткові CFD-розрахунки трьох конфігурацій плоских турбінних решіток показують значний вплив геометрії профілю на визначення кута відхилення. У роботі також розглянуто зв’язок між коефіцієнтом втрат кінетичної енергії та кутом відхилення. Результати CFD та експериментальні характеристики профілів свідчать про збіг режиму роботи, при якому спостерігається мінімум втрат і мінімум кута девіації. Також відзначається узгодженість трендів зміни цих параметрів у різних режимах роботи решітки. Зроблено висновок, що визначення кута відхилення є складною задачею, яка потребує врахування широкого спектра геометричних і режимних параметрів решітки. Рекомендується продовження досліджень у цьому напрямку.

Посилання

Aungier, R. H. (2006), Turbine aerodynamics: Axial-flow and radial-inflow turbine design and analysis, ASME Press, New York, 420 p., ISBN: 0-7918-0241-8, https://doi.org/10.1115/1.802418.
Islam, A. M. T., Sjolander S. A. (1999), “Deviation in Axial Turbines at Subsonic Conditions”, International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition Indianapolis, Indiana, June 7 – June 10, 1999, paper no. 99-GT-026, V001T03A005, 8 p., https://doi.org/10.1115/99-GT-026.
Burlaka, M. V. (2011), Aerodynamichna optymizacija naprjamnyh reshitok os'ovyh turbin [Aerodynamic optimization of axial turbines stator cascades], PhD thesis, National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, Ukraine, Ac-cess mode: https://www.kpi.kharkov.ua/archive/Авторефереты/2011/Бурлака%20М.В.%20-%20Аеродинамічна%20оптимізація%20напрямних%20решіток%20осьових%20турбін.pdf (accessed 15 April 2026).
Ainley D. G., Mathieson G. C. R. (1951), A method of Performance Estimation for Axial-Flow Turbines (Aeronautical Re-search Council Reports and Memoramda), London, Access mode: https://reports.aerade.cranfield.ac.uk/handle/1826.2/3538 (accessed 15 April 2026).
Wilson D. G. (1984), The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines, MIT Press, Cambridge, MA, 1st Ed., 592 p., ISBN 978-0-262-231145, Access mode: https://www.biblio.com/book/design-high-efficiency-turbomachinery-gas-turbines/d/1638471860?srsltid=AfmBOoqvOMHGVZ43i2HEOJqIec4nJO00uYQOAIYcGxUvOBUiiaFoiRof (accessed 15 April 2026).
Carter A. D. S., Hughes H. P. (1949), A Theoretical Investigation into the Effect of Profile Shape on the Performance of Airfoil in Cascade : R&M No. 2384, Aeronautical Research Council, London.
Dixon S. L., Hall C. A. (2014), Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery, Butterworth-Heinemann, 7th ed, ISBN 978-0-12-415954-9, https://doi.org/10.1016/C2011-0-05059-7.
Rodger P., Sjolander S., Moustapha S. (1992), “Establishing two-dimensional flow in a large-scale planar turbine cascade”, 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit, 06 – 08 July 1992, Nashville, TN, U.S.A., paper no. AIAA-92-3066, https://doi.org/10.2514/6.1992-3066.
Zhu J., Sjolander S. A. (2005), “Improved Profile Loss and Deviation Correlations for Axial-Turbine Blade Rows”, ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea, and Air, June 6–9, 2005, Reno, Nevada, USA, paper no. GT2005-69077, pp. 783–792, https://doi.org/10.1115/GT2005-69077.
Ščegljajev A. V., Trojanovskij B. M. (1983), Parní turbíny: Teorie tepelného děje a konstrukce turbín : příručka pro vysoké školy technického směru, SNTL, Praha.
Craig H. R. M., Cox H. J. A. (1970), “Performance Estimation of Axial Flow Turbines”, Proceedings of the Institution of Me-chanical Engineers, vol. 185, is. 1, pp. 407–424, https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1970_185_048_02.
Khomylev S. A., Riznyk S. B., Yershov S. V. (2008), “Numerical Investigation of Flow in Linear Turbine Cascades: Part 1 – Verification of Numerical Method”, Bulletin of NTU “KhPI”. Series: Power and heat engineering processes and equipment, no. 6, pp. 23–31, ISSN 2078-774X (print), ISSN 2707-7543 (on-line).
Ameri, A. A., Giel P. W., McVetta A. B. (2013), “Validation of a CFD methodology for variable speed power turbine relevant conditions”, ASME Turbo Expo 2013: Turbine Technical Conference and Exposition, June 3–7, 2013, San Antonio, Texas, USA, NASA/TM–2013–217860, paper no. GT2013-95030, V06BT37A027, https://doi.org/10.1115/GT2013-95030.
Boiko A. V., Maksiuta D. I. (2013), “The verification of axial turbine stage numerical experiment considering peripheral outflow”, Bulletin of NTU “KhPI”. Series: Power and heat engineering processes and equipment, no. 13(987), pp. 18–23, ISSN 2078-774X (print), ISSN 2707-7543 (on-line).
Kiock R., Lehthaus F., Baines N. C., Sieverding C. H. (1986), “The Transonic Flow Through a Plane Turbine Cascade as Measured in Four European Wind Tunnels”, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 108, is. 2, pp. 277–284, https://doi.org/10.1115/1.3239900.
SoftInWay (2026), AxSTREAM Software for Turbomachinery Design, Access mode: https://www.softinway.com/software-solutions/turbomachinery-design/ (accessed 15 April 2026).
Boiko, A. V., Govorushchenko, Yu. N. (1989), Osnovy teorii optimal'nogo proektirovanija protochnoj chasti osevyh turbin [Fundamentals of the theory of optimal design of the axial turbine flow path], Vyshcha shkola, Kharkov, ISBN 5-11-000692-X, Ukraine.
Slabchenko, O. N. (2007), Raschjoty na prochnost' jelementov stupeni parovoj turbiny [Strength calculations of steam turbine stage elements], National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, Ukraine.
Boiko A., Usaty A., Barannik V. (2017), “Optimization of the Turbine Grids Using Geometric Quality Criteria for Circum-scription of the Profile and Channel”, Bulletin of NTU “KhPI”. Series: Power and heat engineering processes and equipment, no. 9(1231), pp. 6–16, ISSN 2078-774X (print), ISSN 2707-7543 (on-line), https://doi.org/10.20998/2078-774X.2017.09.01.