Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Енергетичнi та теплотехнiчнi процеси й устаткування

Аналіз методів визначення куту відхилення для плоских решіток турбін

2026-05-02T23:52:19+03:00

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.

Вплив газодинамічних характеристик лопаткових решіток та критеріїв режиму роботи елементар-ного ступеня турбіни на його ефективність

2026-05-14T21:09:42+03:00

Розглянуто вплив режимних критеріїв u₂/C_ф і l_ф на ступінь реактивності, відносний лопатковий та гідравлічний коефіцієнти корисної дії (ККД) ступенів активного і реактивного типів. Доведено, що при убуванні у декілька разів потужності багатоступінчастої турбіни з сопловим паророзподілом різке падіння відносного лопаткового ККД регулюючого ступеня значною мірою залежить не лише від зменшення критерія u₂/C_ф, але і різкого підвищення критерія l_ф. Вплив критерія l_ф на гідравлічний ККД ступенів реактивного типу знаходиться в межах 2 % і може бути як негативним так і позитивним в залежності від співвідношення між коефіцієнтами швидкості решіток. Детальний аналіз причин, що впливають на відносний лопатковий ККД останнього ступеня парової турбіни в умовах зміни об’ємної витрати пари, неможливий без аналізу змін, які відбуваються в роботі кожної елементарної струминки течії, тобто від характеру зміни її форми, аеродинамічних характеристик решіток і локальних режимних параметрів l_ф і u₂/C_ф. Для групи турбінних ступенів знайдено комплекс з трьох параметрів, вплив якого на гідравлічний ККД та ступінь реактивності ідентичний впливу режимного критерія l_ф. Використання іншого комплексу дозволяє об’єднати результати розрахунку впливу на гідравлічний ККД та ступінь реактивності параметрів нециліндричності течії та кута виходу потоку з соплової решітки.

Дослідження теплотехнічних та екологічних характеристик котла типу ГМ-50 (Е-50-3,9-440ГМ) при роботі на біогазі

2026-03-03T21:28:19+02:00

У статті вирішено актуальну науково-практичну задачу щодо обґрунтування технічної можливості та екологічної доцільності переведення парових котлів середньої потужності типу ГМ-50 (Е-50-3,9-440ГМ) на альтернативні види газоподібного палива. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю виконання вимог Директиви 2010/75/ЄС та Наказу Мінприроди № 541 щодо суттєвого зниження викидів забруднюючих речовин в умовах вичерпання розрахункового ресурсу парку котельного обладнання України. Метою роботи є встановлення закономірностей зміни теплотехнічних, екологічних та термомеханічних показників котла ГМ-50-1 при диверсифікації паливної бази та роботі на змінних навантаженнях. Методологія дослідження базується на використанні методів обчислювальної гідродинаміки (CFD) у програмному комплексі ANSYS. Для апроксимації топочного простору використано гібридну скінченно-елементну сітку з високою щільністю розбиття вузлів у зоні активного горіння (Relevance Center “Fine”). Моделювання проведено для штатних вихрових пальників ГМГ-5.5 із застосуванням моделі турбулентно-хімічної взаємодії Eddy-Dissipation Concept (EDC), що дозволило врахувати детальну кінетику реакцій окиснення багатокомпонентного біогазу. Наукова новизна отриманих результатів полягає у виявленні механізмів впливу баластного вуглекислого газу на структуру факела та інтенсивність теплообміну. Встановлено, що спалювання біогазу призводить до зниження пікових температур у паливні на 100 °C – 150 °C та «розмиття» ядра горіння, що забезпечує стабільне пригнічення термічного механізму утворення оксидів азоту (NO_x). Виявлено, що попри зниження температури факела, підвищений вміст трьохатомних газів у продуктах згоряння інтенсифікує радіаційну складову теплообміну, забезпечуючи рівномірний розподіл локальних теплових потоків на екрани. Практична цінність роботи полягає у розробці верифікованої моделі, яка дозволяє прогнозувати термомеханічну надійність та залишковий ресурс барабанів-сепараторів котлів ГМ-50 при зміні паливної бази, забезпечуючи «м’який» тепловий режим роботи поверхонь нагріву.

Модернізація та досвід експлуатації парових котлів ЦКТІ-87/39 Ф2М Сумської теплоелектроцентралі при переході на непроектне вугілля газової групи

2026-05-11T13:11:23+03:00

У статті розглянуто проблему адаптації теплогенеруючого обладнання теплоелектроцентралей України до роботи в умовах дефіциту проектних марок вугілля, що виник унаслідок втрати доступу до основних родовищ антрациту Донецького вугільного басейну після початку повномасштабної війни. Об’єктом дослідження є парові котли типу ЦКТІ-87/39 Ф2М, встановлені на Сумській теплоелектроцентралі, які були спроєктовані для спалювання антрацитового штибу та вугілля марки «Т». У роботі розглянуто інженерні рішення, спрямовані на переведення зазначених котлоагрегатів на спалювання непроектного вугілля газової групи («Г» та «ДГ») в умовах нестабільного постачання палива. Проаналізовано основні фізико-хімічні відмінності антрацитового палива та вугілля газової групи, зокрема підвищений вміст летких речовин, змінність зольності та вологості, що істотно впливають на кінетику процесу горіння, роботу системи пилоприготування та тепловий режим топкового простору. Особливу увагу приділено особливостям експлуатації котлів із повітряною схемою транспортування пилу, яка при використанні газового вугілля висуває підвищені вимоги до температурного режиму сушіння та вибухобезпеки пилового тракту. Описано комплекс технічних заходів, реалізованих під час модернізації котлів Сумської ТЕЦ. До них належать реконструкція пальникових пристроїв із оптимізацією подачі вторинного повітря, модернізація сепараторів системи пилоприготування, заміна робочих коліс млинових вентиляторів, оптимізація геометрії пилопроводів і газопроводів, а також посилення тягодуттєвого обладнання. Значну увагу приділено впровадженню заходів із підвищення пожежної та вибухової безпеки паливного тракту, зокрема герметизації пилових бункерів, контролю температури пилоповітряної суміші та застосуванню систем інертизації. Результати експлуатаційних спостережень протягом декількох опалювальних сезонів підтверджують можливість стабільної та безпечної роботи котлоагрегатів на непроектному паливі без зниження номінальної паропродуктивності та збереження прийнятного рівня економічності. Показано, що реалізований комплекс інженерних рішень забезпечує надійне функціонування теплоелектроцентралі в умовах нестабільної паливної бази та підвищує гнучкість роботи обладнання. Отримані результати можуть бути використані під час модернізації котлоагрегатів середньої потужності, спроєктованих для антрацитового палива, на інших теплоелектроцентралях України з метою підвищення енергетичної стійкості та диверсифікації паливних ресурсів.

Визначення оптимальної проєктної потужності малого модульного реактора для умов України та обґрунтування вибору методу й апаратурного оформлення першого контуру охолодження реактора

2026-05-08T01:26:40+03:00

У статті на основі порівняльного аналізу світових концепцій малих модульних реакторів NuScale, SMART та CAREM визначено оптимальну проєктну потужність українського малого модульного реактора (SMR) для комбінованого виробництва електричної та теплової енергії. Запропоновано енергоблок електричною потужністю 55 МВт і тепловою потужністю 180 МВт на базі референтної для України технології PWR/ВВЕР. Обґрунтовано вибір двопетлевої архітектури першого контуру з примусовою циркуляцією теплоносія (два головних циркуляційних насоса плюс резервний насос), що забезпечує високу надійність, маневреність та повну сумісність з існуючою українською інфраструктурою ТЕЦ і ТЕС. Проведено аналіз генерації електричної та теплової енергії у 23 великих містах України, наведено техніко-економічні показники проєкту та терміни реалізації (8 років для першого, 4,5 року для наступних). Показано, що обрана концепція відповідає стратегічним завданням енергетичної безпеки України в поствоєнний період, сприяє децентралізації енергосистеми, декарбонізації та швидкому відновленню втрачених потужностей.

Методика проведення верифікації CFD-моделі відцентрового нагнітача

2026-05-02T23:47:51+03:00

Стаття присвячена комплексному дослідженню відцентрового нагнітача 520-12-1 газоперекачувального агрегату ГТК-10, яке охоплювало аналіз геометрії за робочими кресленнями, побудову тривимірної моделі проточної частини, чисельне моделювання робочого процесу в середовищі ANSYS CFX, а також порівняння отриманих результатів з його зведеними характеристиками. На першому етапі було систематизовано вихідні геометричні та термогазодинамічні дані нагнітача. Геометрія робочого колеса та ротора формувалася на основі оцифрованих робочих креслень, що дозволило побудувати параметрично узгоджену 3D-модель міжлопаткового каналу. Такий підхід забезпечив зв’язок між реальною конструкцією нагнітача та чисельною моделлю, що є необхідним для подальшої верифікації програми розрахунку. На другому етапі було сформовано розрахункову базу у вигляді зведених характеристик нагнітача. Для цього визначено компонентний склад природного газу, молярну масу суміші, густину, газову сталу, ізобарну та ізохорну теплоємності, а також показник адіабати. На основі цих параметрів розраховано вхідні та вихідні характеристики робочої точки на характеристиці нагнітача, включаючи коефіцієнт стисливості, густину газу на вході, ступінь стискування, вихідний тиск, вихідну температуру, потужність та зведені витрати. Ці зведені характеристики були прийняті як еталонна інженерна база для подальшого порівнювання із CFD-результатами. На третьому етапі побудовано тривимірну CFD-модель проточної частини нагнітача у середовищі ANSYS CFX. Розрахунок здійснювався в стаціонарній постановці, заданого складу газу, турбулентній течії та обертового домену робочого колеса. Для аналізу були використані інтегральні параметри, одержані як безпосередньо із розв’язку CFX, так і через додаткові CEL Expressions, що дозволило визначити приведені характеристики придатні для зіставлення зі зведеними характеристиками. Окрему увагу в роботі приділено впливу сіткової дискретизації на результати чисельного моделювання. Для цього було розглянуто сім варіантів розрахункових сіток – від 50 тис. до 4 млн. комірок. Порівняння показало, що на грубих сітках спостерігаються суттєві відхилення від зведених характеристик, насамперед за ступенем стискування, вихідним тиском, потужністю та приведеною продуктивністю. При згущенні сітки ці відхилення поступово зменшуються, а для варіантів в інтервалі 2,5 – 4 млн. комірок результати переходять в область практичної сіткової збіжності. Важливим результатом роботи є встановлення того, що на точність порівняння суттєво впливає не лише густота сітки, а й спосіб врахування термодинамічних властивостей природного газу, зокрема коефіцієнта стисливості, що дозволило поєднати чисельні результати зі зведеними характеристиками нагнітача. Оцінювання невизначеності чисельної моделі проведено за ДСТУ ISO/TR 7066-1:2007 (ISO/TR 7066-1:1997). Для кожного варіанта сітки на основі системи відносних відхилень між CFD-результатами та зведеними характеристиками нагнітача визначено інтегральний показник невизначеності за RSS-моделлю. За результатами дослідження встановлено, що CFX Variant 7 забезпечує найкраще узгодження зі зведеними характеристиками за більшістю ключових параметрів і може розглядатися як найточніший варіант чисельної моделі. Водночас CFX Variant 6 демонструє близький рівень точності за суттєво менших обчислювальних витрат, тому може бути прийнятий як раціональний варіант для подальших розрахунків. Отримані результати дають підстави розглядати побудовану 3D CFD-модель як узгоджену та верифіковану чисельну модель, достовірність якої підтверджена шляхом системного порівняння зі зведеними характеристиками, аналізу сіткової збіжності та оцінювання інтегральної невизначеності. Вона може використовуватися як надійний інструмент для подальших досліджень: аналізу різних режимів роботи, дослідження впливу зміни фізичних властивостей газу, а також моделювання роботи нагнітача при транспортуванні газо-водневих сумішей.

Валідація математичної моделі для прогнозування аеродинамічних характеристик вентилятора з лопатками, загнутими назад

2026-05-12T17:37:16+03:00

У статті представлено комплексне дослідження, присвячене валідації математичної моделі аеродинамічних процесів у відцентрових вентиляторах із назад загнутими лопатками. Актуальність роботи обумовлена потребою підвищення енергоефективності лопаткових машин і зменшення витрат на етапі проєктування за рахунок заміни дорогих експериментальних випробувань високоточними числовими методами. У дослідженні проведено детальне порівняння двох підходів традиційного фізичного експерименту та сучасного числового моделювання. Методологічною основою роботи є застосування методів обчислювальної гідрогазодинаміки (CFD) у програмному середовищі ANSYS. Для підвищення достовірності результатів використано широкий підхід до моделювання. Виконано порівняльний аналіз ефективності різних напівемпіричних моделей турбулентності: SST k–ω (Shear Stress Transport) для точного опису пристінкових явищ; стандартна k-ε для аналізу загальної структури потоку; LRR (модель напружень Рейнольдса) для врахування анізотропії турбулентності; SST Gamma-Theta для прогнозування переходу від ламінарного до турбулентного режиму. Також увагу приділено аналізу сіткової збіжності. Розроблено та досліджено три варіанти топології розрахункової сітки з різним рівнем деталізації, що дозволило знизити похибку, пов’язану з дискретизацією геометрії. Наукова новизна полягає у кількісному визначенні розбіжностей між числовими та експериментальними аеродинамічними характеристиками. Встановлено, що застосування моделі турбулентності SST k–ω у поєднанні з гексаедричною сіткою забезпечує найвищу точність результатів із відхиленням у межах 3 % – 5 % від експериментальних даних. Отримані результати підтверджують адекватність розробленої моделі та обґрунтовують її використання для оптимізації геометрії лопаток і розширення робочого діапазону вентиляторів без зниження їхньої ефективності. Розв’язання поставлених задач дозволило підвищити достовірність числових методів, скоротити обсяг експериментальних досліджень. Сформульовані рекомендації щодо параметрів моделювання можуть бути використані для подальшого вдосконалення високонапірних вентиляційних систем.

Аналіз впливу геометрії трубних пучків на гідродинаміку та теплообмін у конденсаторах паротур-бінних установок

2026-05-05T23:24:49+03:00

У статті наведено комплексний аналіз сучасних підходів до інтенсифікації теплообміну в конденсаторах паротурбінних установок із особливим акцентом на вплив геометрії теплообмінних труб на процеси конденсації та гідродинаміку потоку. Конденсатор розглядається як ключовий елемент, що визначає ефективність роботи теплових електростанцій, оскільки його режимні параметри безпосередньо впливають на тиск у конденсації та загальний ККД циклу. Проаналізовано основні експлуатаційні фактори, зокрема забруднення поверхонь, підсоси повітря, умови охолодження та особливості відведення конденсату, з точки зору їх впливу на інтенсивність теплообміну. Особливу увагу приділено фізичним механізмам плівкової конденсації на горизонтальних трубках і в трубних пучках. Показано, що плівка конденсату є основним джерелом термічного опору, тоді як реальні умови істотно відрізняються від класичної моделі Нуссельта внаслідок впливу зсувних напружень, турбулентності та міжтрубної взаємодії. На основі аналізу сучасних експериментальних і числових досліджень продемонстровано ефективність застосування труб зі зміненою геометрією, зокрема еліптичних і скручених еліптичних трубок. Показано, що такі конструкції сприяють формуванню вторинних течій, покращенню стікання конденсату та зменшенню товщини плівки, що забезпечує підвищення коефіцієнта тепловіддачі на 20–70 % порівняно з гладкими круглими трубками. Водночас встановлено зростання гідравлічного опору, що обумовлює необхідність оптимізації геометричних параметрів. Отримані результати підтверджують, що зміна геометричного профілю труб є перспективним напрямом підвищення ефективності роботи конденсаторів та енергетичних установок загалом.

Особливості характеристик теплоізоляційних матеріалів, які використовуються на електростанціях

2026-05-02T23:45:40+03:00

У статті розглянуто особливості теплоізоляційних матеріалів, що застосовуються на електростанціях, де ізоляція працює не в умовах порівняно стабільного мікроклімату огороджувальних конструкцій, а на поверхнях паропроводів, газоходів, теплообмінного обладнання, арматури, резервуарів і допоміжних систем, для яких визначальними стають не лише теплопровідність за довідкових умов, а здатність зберігати структуру, міцність, геометричну стабільність і низький тепловий потік за тривалого впливу підвищених температур, циклічного нагрівання та охолодження, вібрацій, зволоження, локальних механічних навантажень і атмосферних чинників. Показано, що для енергетичного обладнання придатність теплоізоляційного матеріалу визначається сукупністю взаємопов’язаних показників, до яких належать теплопровідність, щільність, пористість, водопоглинання, міцність при стиску та вигині, теплова дифузивність, термостійкість, негорючість, стабільність при температурних циклах і сумісність із захисними оболонками та монтажними рішеннями. Узагальнено відмінності між вимогами до ізоляції для електростанцій і вимогами до будівельної теплоізоляції: у будівництві домінують нормативний опір теплопередачі огороджень, маса, вартість, зручність монтажу та санітарно-екологічні характеристики, тоді як в енергетиці на перший план виходять працездатність при високій температурі, низька деградація властивостей у часі, зниження тепловтрат на криволінійних і фасонних поверхнях, пожежна безпека та ремонтопридатність в умовах регламентного обслуговування. Наведено основні співвідношення для оцінювання характеристик теплоізоляційних матеріалів і теплоізольованих елементів, виконано порівняльний аналіз методів підвищення показників якості, зокрема шляхом гідрофобізації, оптимізації порової структури, багатошарової побудови, використання аерогельвмісних шарів, підвищення якості зовнішніх захисних покриттів і вдосконалення технології монтажу. Обґрунтовано, що найбільш перспективним напрямом для електростанцій є не окремий матеріал у чистому вигляді, а багатошарова функціонально диференційована система, у якій внутрішній шар забезпечує мінімальний тепловий потік за високої температури, а зовнішній шар відповідає за механічну стійкість, гідрофобність і довговічність. Запропоновані узагальнення можуть бути використані під час вибору, проєктування та модернізації теплоізоляції енергетичного обладнання та трубопровідних систем.

Дослідження енергоефективності накопичувача енергії для акумуляторного локомотиву

2026-05-05T13:27:22+03:00

Метою роботи є дослідження енергоефективності накопичувача енергії для акумуляторного локомотиву. Розроблено математичну модель для визначення коефіцієнту корисної дії бортового накопичувача енергії для режимів заряджання і розряджання. Для визначення параметрів літій-залізо-фосфатних комірок, необхідних для моделювання, використовуються зарядно-розрядні характеристики комірок. При розрахунках втрат у комірках враховано пульсуючий характер струму, який протікає через них. З використанням розробленої моделі проведено розрахунки та досліджено накопичувач енергії ємністю 1050 кВт×год, у кому використовуються комірки літій-залізо-фосфатні комірки CALB L173F176 ємністю 176Ah. За результатами розрахунків визначено, що при розряді коефіцієнт корисної дії змінюється у діапазоні 0,979…0,981 в.о. в залежності від струму та ступеня заряду комірки. У режимі заряду коефіцієнт корисної дії змінюється у діапазоні 0,981…0,983 в.о. Вищі значення коефіцієнта корисної дії досягаються при менших струмах та вищому ступені заряду комірки. Встановлено, що величина пульсації струму не істотно впливає на коефіцієнт корисної дії, крім режимів роботи з низьким ступенем заряду комірки. Розроблена математична модель дозволяє проводити обчислення коефіцієнту корисної дії бортового накопичувача енергії на основі літій-залізо-фосфатних комірок та дозволяє врахувати залежність ступеня заряду, температуру та кількість зарядів-розрядів, які найбільш пливають на параметри комірок. Отримані результати та модель для розрахунку корисної дії накопичувача енергії можуть бути використані при розробці накопичувачів для акумуляторного рухомого складу та гібридних енергетичних установок.