Монографии и статьи

Стенд монографий, учебников и учебных пособий кафедры

Последние публикации

 Патент«НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ»

№ 118088

«РАДІАЛЬНЕ УЩІЛЬНЕННЯ»

 МонографияAnatoli Boiko, Yuri Govorushchenko, Alexander Usaty

«Optimization of the Axial Turbines Flow Paths»

Science Publishing Group, June, 2016. -286 рages.

А.В. Бойко, Ю.Н. Говорущенко, А.П. Усатый

«Оптимизация проточных частей осевых турбин»

Description
A new approach to solving multilevel complex problem – the optimal design of turbine unit as complex technical system is comprehensively reviewed using a block-hierarchical optimization process that ensures the maximum global quality criteria of the system and its reliability. The fundamentals of the theory for the optimal design of flow paths of turbomachines are presented, including mathematical models of flow path elements, determination of the optimal number of turbine stages and the distribution of the heat drop between them, optimization of the spin laws of the nozzles and blades of axial turbine stages, taking into account slope and curvature stream lines, as well as leaks.Methods for creating optimal profiles considering the strength limitations are given. The problem of the spatial optimization of the shape of turbine blades using computational aerodynamics is described. Also presented are examples of the application of the theory to the projection of the optimal flow path of modern steam and gas turbines, taking into account their operational mode.

For researchers and experts in design, calculation and research on turbomachines. Useful for University faculty members, post- graduate students and senior undergraduate students of Technical Universities.

Аннотация
Всесторонне рассмотрен новый подход к решению комплексной многоуровневой задачи – оптимальному проектированию турбоустановки как сложной технической системы с использованием блочно-иерархического процесса оптимизации, обеспечивающего максимум глобального критерия качества системы и ее надежность.

Излагаются основы теории оптимального проектирования проточных частей турбомашин, включающие разработанные математические модели элементов проточной части, определение оптимального количества ступеней и распределения тепловых перепадов между ними, оптимизации законов закруток венцов осевых турбинных ступеней с учетом наклона и кривизны линий тока, а также протечек.

Описываются новые методы построения оптимальных профилей с учетом прочностных ограничений.

Рассмотрена проблема пространственной оптимизации формы лопаток турбины с использованием вычислительной аэродинамики.

Даны примеры применения разработанной теории к созданию оптимальных проточных частей современных паровых и газовых турбин, в том числе с учетом режима их эксплуатации.

Для научных работников и специалистов по проектированию, расчету и исследованию турбомашин. Полезна преподавателям, аспирантам и студентам старших курсов Технических Университетов.
 

 Патент«На користну модель» №87576

«БАНДАЖ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБІННОГО СТУПЕНЯ»
 

 МонографияА.В. Бойко, А.П. Усатый, А.С. Руденко

«МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ОСЕВЫХ ТУРБИН С УЧЕТОМ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ»

А.В. Бойко, А.П. Усатый, А.С. Руденко

«МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ОСЕВЫХ ТУРБИН С УЧЕТОМ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ»

Научная монография
Харьков НТУ «ХПІ», 2014.- 220 с

СОДЕРЖАНИЕ
Основные условные обозначения 3
Список сокращений 6
Предисловие 8
Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБЪЕКТОВ ТУРБОУСТАНОВКИ 11
1.1. Математическая модель одномерного течения рабочего тела в многоступенчатой проточной части 15
1.2. Математическая модель коаксиального течения рабочего тела в многоступенчатой проточной части осевой турбины 28
1.3. Математическая модель осесимметричного течения реального рабочего тела в проточной части многоступенчатой осевой турбины 32
1.4. Математические модели течения рабочего тела в элементах системы соплового парораспределения 47
1.5. Математическая модель течения рабочего тела через систему соплового парораспределения и многоцилиндровую ПЧ 60
1.6. Подсистема расчета термодинамических циклов газотурбинных установок 70
Глава 2. ФОРМАЛЬНОЕ МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 77
2.1. Теоретические основы, методы и алгоритмы создания формальных макромоделей 77
2.2. Метод повышения точности формальных макромоделей 85
2.3. Методика оценки влияния подрезки выходной кромки на эффективность рабочих решеток 88
Глава 3. КОМПЛЕКС МНОГОУРОВНЕВОЙ, РЕКУРСИВНОЙ, ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ, МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ, МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ И МНОГОРЕЖИМНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ 103
3.1. Методология рекурсивной объектно-ориентированной многоуровневой оптимизации 106
3.1.1. Решение задачи оптимизации при мультимодальной целевой функции 115
3.1.2. Особенности решения многокритериальных оптимизационных задач 117
3.2. Учет изменения режимов эксплуатации в задачах оптимизации сложных технических систем 122
3.2.1. Теоретическая оценка отличия двух подходов учета влияния многорежимности в задачах оптимизации сложных технических систем  123
3.2.2. Метод оптимизации, основанный на интегрировании формальных макромоделей целевых функций 125
3.3. Методы модификации и управления конструкцией объектов проектирования в процессе поиска оптимальных решений 127
3.3.1. Метод управления и оптимизации параметров решеток при заданных множествах сопловых и рабочих профилей 127
3.3.2. Метод автоматического построения меридиональных обводов многоступенчатой проточной части осевых турбин 132
Глава 4. МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ЕДИНОГО ИНТЕГРИРОВАННОГО ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА МНОГОУРОВНЕВОЙ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ И МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ  135
4.1. Основные требования, теоретические аспекты и методология формирования единого интегрированного информационного пространства 136
4.2. Программно-инструментальные средства инициализации, хранения и редактирования метаданных структурно-топологического описания единого интегрированного информационного пространства 146
4.2.1. Универсальный редактор информационных базовых структур, моделей и компонент (ресурсов) единого интегрированного информационного пространства 147
4.2.2. Информационные подструктуры, модели и компоненты базовых структур единого интегрированного информационного пространства 149
4.3. Информационное пространство проекта. Методы, средства и алгоритмы формирования, навигации и управления 159
Глава 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ЦИЛИНДРОВ МОЩНЫХ
ПАРОВЫХ ТУРБИН, РАБОТАЮЩИХ НА НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ		 165
5.1. Оптимизация параметров цилиндра высокого давления турбины К-220-44-2М для АЭС 166
5.2. Оптимизация параметров ПЧ цилиндра высокого давления турбины К-330-23,5 168
5.3. Оптимизация параметров ПЧ цилиндра высокого давления турбины К-540-23,5 171
Глава 6. ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ОСЕВЫХ ТУРБИН С УЧЕТОМ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ 175
6.1. Оптимизация проточной части утилизационной турбодетандерной установки мощностью 4 МВт с поворотными сопловыми лопатками 175
6.2. Оптимизация параметров проточной части турбины низкого давления установки ГТ-750-6М 182
6.3. Оптимизация законов позиционирования запорных элементов регулирующих клапанов системы соплового парораспределения турбины К-310-23,5  191
Список источников информации 204

Харьков: Підручник НТУ «ХПІ», 2014 г. – 220 c.

В монографии получила дальнейшее развитие теория оптимизации проточных частей турбомашин c использованием современных вычислительных комплексов.
Впервые излагается методология объектно-ориентированной многоуровневой, многокритериальной, многопараметрической оптимизации турбомашин с учетом их режима эксплуатации.
Рассматриваются, интегрированные в комплексы программ по оптимизации элементов турбомашин, математические модели течения рабочего тела в объектах турбоустановки, входящих в общую задачу оптимизации: схемы паровых и газотурбинных установок, система соплового парораспределения, регулировочная ступень, турбинная ступень и проточная часть турбины в целом. Применяемый метод оптимизации, основанный на использовании теории планирования эксперимента в сочетании с ЛП поиском экстремума функции, благодаря усовершенствованной формальной макромодели, позволяет эффективно отыскать глобальный экстремум.
Излагается методология создания единого интегрированного информационного пространства оптимизации сложных технических систем, частным случаем которой является турбоустановка в целом.
Приводятся конкретные примеры результатов оптимизации проточных частей современных мощных паровых турбин и газотурбинных установок.

A.V. Boiko, A.P. Usaty, A.S. Rudenko

«MULTI-CRITERION MULTI-PARAMETRIC OPTIMIZATION OF FLOW PATHS OF AXIALFLOW TURBINES TAKING INTO CONSIDERATION THEIR MODE OF OPERATION»

A.V. Boiko, A.P. Usaty, A.S. Rudenko

«MULTI-CRITERION MULTI-PARAMETRIC OPTIMIZATION OF FLOW PATHS OF AXIALFLOW TURBINES TAKING INTO CONSIDERATION THEIR MODE OF OPERATION»

Monograph

Kharkov NTU «KhPI» 2014

TABLE OF CONTENTS
Nomenclature 3
List of abbreviation 6
Introduction 8
Chapter 1.MATHEMATICAL MODELS OF TURBOINSTALLATION OBJECTS 11
1.1 Mathematical model of one-dimensional flow of the working medium in a multi-stage flow path 57 15
1.2 Mathematical model of coaxial flow of the working medium in a multi-stage axial turbine flow path 72 28
1.3 Mathematical model of an axially symmetric flow of the real working medium in a multi-stage axial turbine flow path 78 32
1.4 Mathematical model of the working medium in the nozzlesystem of a turbine steam distribution 90 47
1.5 Mathematical model of the working medium flow through the nozzle system of a turbine steam distribution and multi-cylinder flow path 104 60
1.6 Subsystemof computingthe thermodynamic cycles of gas turbine installations 122 70
Chapter 2. THE FORMAL MACROMODELING OF DESIGN OBJECTS 77
2.1 Theoretical foundations, methods and algorithms for creating formal macromodels 77
2.2 Method for improving the accuracy of formal macromodels 133 85
2.3 Methods of evaluating the impact of cutting off the outlet edge on the efficiency of working grids, 136 88
Chapter 3. COMPLEX MULTI-LEVEL, RECURSIVE OBJECT-ORIENTED, MULTI-CRITERION, MULTI-PARAMETER AND MULTIMODAL OPTIMIZATION 103
3.1 Recursive object-oriented methodology formultilevel optimization 106
3.1.1 Task of multimodal function optimization 115
3.1.2 Particular solution of multi-criterion optimization problems 117
3.2 Accounting for changes in the modes of operation of complex technical systems in problems of optimization 122
3.2.1 Theoretical estimation of the difference of the two approaches taking into account the impact of multimodal in the tasks of optimization of complex technical systems 123
3.2.2 Optimization method based on integrating formal macromodel target functions 125
3.3 Methods for modifying and managing the construction of design objects in the search for optimal solutions 127
3.3.1 Methods of control and parameter optimization of grids with specified sets of nozzle and work profiles 127
3.3.2 Automatic construction method of meridional outline of multi-stage axial turbine flow path 132
Chapter 4. METHODOLOGY FOR CREATION OF A UNIFIED INTEGRATED INFORMATION SPACE FOR OPTIMIZATION OF COMPLEX TECHNICAL SYSTEMS 135
4.1 Theoretical aspects and methodology of formation of a unified integrated information space 136
4.2 Software tool for initialization, storage and editing metadata of structure and topological description of a unified integrated information space 146
4.2.1 Universal editor of information frameworks, models and component (resources) of a unified integrated information space 147
4.2.2 Information sub-structures, models and components of basic structures of a unified integrated information space 149
4.3 Information space project. Methods, tools and algorithms of formation, navigation and control 159
Chapter 5. OPTIMIZATION OF GEOMETRICAL PARAMETERS OF THE CYLINDERS FLOW PATH OF POWERFUL STEAM TURBINES OPERATING AT NOMINAL MODE 165
5.1 Optimization of parameters of high pressure cylinders of turbine К-220-44-2M for nuclear power plants 166
5.2. Optimization of parameters of high-pressure cylinders of turbine K-330-23,5 168
5.3. Optimization of parameters of high-pressure cylinders of turbine К-540-23,5 171
Chapter 6. OPTIMIZATION OF GEOMETRICAL PARAMETERS OF AXIAL FLOW TURBINES FLOW PATH TAKING INTO CONSIDERATION MODES OF OPERATION 175
6.1 Optimization of the flow path of the 4-stage turbine expander capacity 4 MW with rotary blades 175
6.2 Parameter optimization of the flow path of a low-pressure turbine installation GT-750-6M 182
6.3 Optimization of laws on positioning the shut-off elements of the governing system of turbine steam distribution valves of turbine K-310-23,5 191
List of sources used

Monography

Summary
In the monograph the theory of optimization of flow paths of turbomachines is further developed by the use of up-to-date computer complexes.
For the first time a methodology for the object-oriented multilevel, multi-criterion, multi-parametric optimization of turbomachines is presented taking into consideration their mode of operation.
Integrated into the programs complexes for the optimization of mathematical models of turbomachines, the flows of the working medium in turboinstallations, which are part of the general optimization problem, are examined: the schemes of steam and gas-turbine installations, the system of nozzle steam distribution, regulating the turbine stage and the turbine flow path as a whole. The method of optimization, based on the use of DOE theory in combination with an LP-sequence search for the function extremum, makes it possible to effectively find a global extremum, thanks to the formal macromodel newly developed by the authors.
A methodology is presented for the creation of a unified integrated information space for the optimization of complex technical systems, of which turboinstallation as a whole are a special case.
Concrete examples of the results of optimization of flow paths of contemporary powerful steam turbines and gas-turbine units are given.
The publication is intended for research associates, experts and graduate students in the field of power mechanical engineering.
 

Монография

Бойко А.В., Говорущенко Ю.Н., Бурлака М.В.

«ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ АЭРОДИНАМИКИ К ОПТИМИЗАЦИИ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН»

Бойко А.В., Говорущенко Ю.Н., Бурлака М.В.

«ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ АЭРОДИНАМИКИ К ОПТИМИЗАЦИИ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН»

Научная монография
Харьков НТУ «ХПИ», 2012.-192 с.

Оглавление
Основные условные обозначения 3
Введение 4
Глава 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К ПОВЫШЕНИЮ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕШЕТОК ОСЕВЫХ ТУРБИН 6
1.1. Пространственное вязкое течение в решетках осевых турбин 6
1.2. Способы повышения аэродинамической эффективности решеток осевых турбин 18
1.3. Методы вычислительной аэродинамики в задаче аэродинамической оптимизации турбинных решеток 30
1.4. Методы оптимизации для получения высокоэффективных турбинных решеток с использованием CFD 33
Глава 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОСТРАНСВЕННОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ РЕШЕТОК ОСЕВЫХ ТУРБИН 36
2.1. Представление геометрии лопатки 36
2.1.1. Форматы файлов хранения лопатки 36
2.1.2. Поверхностное представление (BREP). Форматы STL и OFF 37
2.1.3. Точечное представление 43
2.1.4. Процедурное описание формы лопаток. Форматы CURVE и RTZT 44
2.1.5. Формат CUR 45
2.2. Проекция плоского профиля на цилиндрическую поверхность 46
2.3. Стекинг 48
2.4. Формообразование боковых поверхностей лопатки 52
2.5. Трехмерная параметрическая модель турбинной решетки 54
2.6. Трехмерная расчетная сетка 62
2.6.1. Построение сеток 63
2.6.2. Топология Н-сетки 65
2.6.3. Структуры данных 66
2.6.4. Геометрия Н-сетки 72
2.6.5. Управление сгущением сетки 74
2.6.6. Форматы файлов хранения сеток 79
2.6.7. Визуализация 80
2.7. Универсальный формат хранения данных в CED 85
2.8. CFD инструментарий 89
2.9. Оптимизационный подход 93
2.9.1. Макромоделирование 93
2.9.2. ЛП поиск 97
2.10. Алгоритм пространственной аэродинамической оптимизации решеток осевых турбин 100
Глава 3. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ТРЕХМЕРНОЙ ЛОПАТКИ НА ТЕЧЕНИЕ В ТУРБИННОЙ РЕШЕТКЕ 102
3.1. Выбор параметров расчета и геометрии расчетной области, обеспечивающих наилучшее совпадение с экспериментом 102
3.1.1. Влияние геометрии расчетной области 103
3.1.2. Влияние сетки 107
3.1.3. Влияние модели турбулентности 108
3.1.4. Верификация трехмерного расчета направляющей турбинной решетки 110
3.2. Определение влияния простого тангенциального навала на течение в кольцевой турбинной решетке 113
3.3. Определение влияния сложного тангенциального навала на течение в кольцевой турбинной решетке 121
3.4. Оценка корректности оптимизации кольцевой изолированной турбинной решетки 126
Глава 4. АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОГО АЛГОРИТМА ОПТИМИЗАЦИИ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧИ С СОХРАНЕНИЕМ РАСХОДА ЧЕРЕЗ РЕШЕТКУ 130
4.1. Определение эффективности алгоритма оптимизации при различных а/1 с искривлением лопатки по методу 1 131
4.2. Определение эффективности алгоритма оптимизации при различных а/1 с искривлением лопатки по методу 2 138
4.3. Анализ причин повышения аэродинамической эффективности пространственно оптимизированных турбинных решеток 143
Выводы 146
Приложения 148
Список использованных источников 180

Харьков НТУ «ХПИ», 2012.-192 с.

Рассматриваются проблемы применения вычислительной аэродинамики к оптимизации лопаток турбомашин на примере создания алгоритма оптимизации сложного тангенциального навала решеток осевых турбин. Исследовано влияние простого и сложного тангенциального навала на структуру трехмерного течения, коэффициент интегральных потерь и расход рабочего тела в кольцевых направляющих решетках осевых турбин.
Предназначена для научных сотрудников, специалистов в области энергомашиностроения, а также аспирантов и студентов соответствующих специальностей.

A.V. Boiko, Yu.N. Govorushchenko, M.V. Burlaka

«APPLICATION OF COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS TO OPTIMIZATION OF TURBOMACHINE BLADES»

A.V. Boiko, Yu.N. Govorushchenko, M.V. Burlaka

«APPLICATION OF COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS TO OPTIMIZATION OF TURBOMACHINE BLADES»

Monography
Kharkov NTU «KhPI» 2012-192

TABLE OF CONTENTS
Main symbols 3
Introduction 4
Chapter 1. REVIEW OF MODERN APPROACHES TO INCREASE OF THE AXIAL TURBINE BLADE CASCADES AERODYNAMIC EFFICIENCY 6
1.1. Spatial viscous flow in axial turbine blade cascade 6
1.2. Ways of axial turbines blade cascade aerodynamic efficiency increase 18
1.3. CFD methods in a turbine cascades aerodynamic optimization task 30
1.4. Optimization methods for receiving the optimum turbine cascades with CFD use 33
Chapter 2. DEVELOPMENT OF THE SPATIAL AERODYNAMIC OPTIMIZATION ALGORITHM OF AN AXIAL TURBINE BLADE RIM 36
2.1. Blade geometry representation 36
2.1.1. Formats of the blade data storage file 36
2.1.2. Superficial representation (BREP). STL and OFF formats 37
2.1.3. Exact representation 43
2.1.4. Blade shape procedural description. The CURVE and RTZT formats 44
2.1.5. CUR format 45
2.2. Flat profile projection to the cylindrical surface 46
2.3. Stacking 48
2.4. Lateral blade surfaces formation 52
2.5. Three-dimensional parametrical model of the turbine blade 54
2.6. Three-dimensional settlement grid 62
2.6.1. Creation of grids 63
2.6.2. H-grid topology 65
2.6.3. Data structures 66
2.6.4. H-grid geometry 72
2.6.5. Grid condensation management 74
2.6.6. Formats of a grid data storage files 79
2.6.7. Visualization 80
2.7. CFD general notation system 85
2.8. CFD tools 89
2.9. Optimizing approach 93
2.9.1. Macro modeling 93
2.9.2. Sobol sequence search 97
2.10. The spatial aerodynamic optimization algorithm of axial turbine blade rim 100
Chapter 3. CHOICE OF CALCULATION PARAMETERS AND RESEARCH OF THE THREE-DIMENSIONAL BLADE FORM INFLUENCE ON FLOW IN THE TURBINE BLADE RIM 102
3.1. Choice of calculation parameters and the settlement area geometry, which are provide the best coincidence with experiment 102
3.1.1. The settlement area geometry influence 103
3.1.2. The grid influence 107
3.1.3. The turbulence model influence 108
3.1.4. Verification of the turbine guide blade rim three-dimensional calculation 110
3.2. Definition of simple tangential lean influence on the flow in a turbine blade rim 113
3.3. Definition of complex tangential lean influence on the flow in a turbine blade rim 121
3.4. Estimation of the isolated turbine guide blade rim optimization correctness 126
Chapter 4. THE DEVELOPED OPTIMIZATION ALGORITHM APPROBATION AT THE DECISION TASKS WITH MASS FLOW RATE PRESERVATION THROUGH TURBINE BLADE PASSAGE 130
4.1. Determination ofthe optimizing algorithm efficiency at various with use method 1 of blade curving 131
4.2. Determination of the optimizing algorithm efficiency at various with use method 2 of blade curving 138
4.3. The analysis of the axial turbines blade rim aerodynamic efficiency increasing reasons 143
Conclusions 146
Appendix 148
The list of the used sources 180
Monography
Summary
The publication considers the problems of the application of aerody-namics computing to the optimization of turbomachine blades using the example of the complex tangential lean optimization of axial turbine blades with reduced optimization time and precise observance of the mass flow rate. A review of current research on spatial flow in turbine cascades and the reduction of secondary flow losses is carried out. Aspects of turbine blade geometry formation and the creation of grids in turbine blade passages, and their storage are considered in detail. The influence of simple and complex tangential lean on a three-dimensional flow structure, the factor of integrated losses and the mass flow rate in the guide blade rim of axial turbines is investigated. The algorithm developed using two parametrical blade models is tested at different relations of blade rim throat to height while preserving the mass flow rate through it. The resulting analysis examines the reasons for the increased aerodynamic efficiency of the blade rim of axial turbines as explained by the physics of aerodynamic phenomena.
The publication is intended for research associates, experts, graduate students and students in the field of power mechanical engineering.
 

Підручник

Бойко А.В.

«ОПТИМАЛЬНЕ ПРОЕКТУВАННЯ ТУРБОМАШИН» (ОСНОВИ ТЕОРІЇ, РОЗРАХУНОК, ЕКСПЕРИМЕНТ)

Бойко А.В.

«ОПТИМАЛЬНЕ ПРОЕКТУВАННЯ ТУРБОМАШИН»

(ОСНОВИ ТЕОРІЇ, РОЗРАХУНОК, ЕКСПЕРИМЕНТ)
Підручник
Харьків  : НТУ «ХПІ», 2011. – 384 с.

ЗМІСТ
Передмова 3
Основні умовні позначення 6
РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ СКЛАДНИХ ТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ ОПТИМІЗАЦІЇ ТУРБОМАШИН 8
1.1. Елементи теорії інженерного проектування 8
1.1.1. Поняття про системне проектування 8
1.1.2. Етапи процесу проектування 10
1.1.3. Послідовність проектування елемента 11
1.1.4. Особливості машинного проектування 13
1.2. Постановка задачі оптимального проектування 14
1.2.1. Змістовний опис процесу прийняття рішень 14
1.2.2. Параметри проектованих об’єктів 16
1.2.3. Математична постановка задачі оптимального проектування у випадку одного критерію якості 17
1.3. Метод оптимізації складних технічних пристроїв 19
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИ ПОШУКУ ОПТИМАЛЬНИХ РІШЕНЬ 26
2.1. Загальні відомості про екстремальні задачі 26
2.1.1. Класифікація методів оптимізації 26
2.1.2. Оптимізація функцій за допомогою диференціювання 28
2.1.3. Задача на умовний екстремум функції 32
2.1.4. Оптимізація при обмеженнях у вигляді нерівностей 35
2.2. Нелінійне програмування 37
2.2.1. Предмет нелінійного програмування 37
2.2.2. Пошук екстремуму функції однієї змінної 39
2.2.3. Методи оптимізації без обмежень 42
2.2.4. Методи оптимізації за наявності обмежень 50
2.3. Методи прямого пошуку 56
2.3.1. Метод прямого пошуку Хука–Джівса 57
2.3.2. Метод Нелдера–Міда 61
2.4. Псевдовипадковий пошук на вихідних і формальних макромоделях 66
2.5. Сучасні методи пошуку оптимальних рішень 72
РОЗДІЛ 3 . ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ ПРОТОЧНОЇ ЧАСТИНИ ОСЬОВИХ ТУРБІН 79
3.1. Загальні положення 79
3.2. Основні припущення, використовувані рівняння й співвідношення .84
3.3. Визначення втрат у решітках осьового турбінного ступеня 90
РОЗДІЛ 4. ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНОЇ КІЛЬКОСТІ СТУПЕНІВ У ВІДСІКУ ТА РОЗПОДІЛ ТЕПЛОПЕРЕПАДІВ МІЖ НИМИ 103
4.1. Розподіл теплоперепадів між ступенями в групі турбінних ступенів при заданому законі зміни осьової складової швидкості уздовж відсіку. 106
4.2. Розподіл теплоперепадів між ступенями в групі турбінних ступенів при заданій формі проточної частини 131
4.3. Результати розрахункового дослідження групи й одиночних осьових турбінних ступенів 150
РОЗДІЛ 5. ОПТИМІЗАЦІЯ ПАРАМЕТРІВ ОСЬОВОГО ТУРБІННОГО СТУПЕНЯ УЗДОВЖ РАДІУСА З УРАХУВАННЯМ ПРОСТОРОВОЇ ТЕЧІЇ РОБОЧОГО ТІЛА. 172
5.1. Математичне моделювання просторової течії в ступені осьової турбіни 175
5.2. Рівняння прямої осесиметричної задачі ступеня газової турбіни у напівфіксованій системі координат 184
5.3. Математична модель осесиметричної течії в ступені парової турбіни 190
5.4. Розрахунок осесиметричних течій стисливої рідини в проточній частині осьових турбін у загальній постанов-ці……….….. 195
5.5. Постановка задачі теплового розрахунку газового й парового осьового турбінного ступеня за перетинами у зазорах і методи її рішення
5.6. Оптимізація параметрів осьового турбінного ступе-ня……. 229
РОЗДІЛ 6. ВПЛИВ ПРОТІКАННЯ НА ОПТИМАЛЬНІ ЗАКОНИ ЗАКРУЧЕННЯ ВІНЦІВ ОСЬОВИХ ТУРБІННИХ СТУПЕНІВ 240
6.1. Розрахунок величини протікання і втрат від нього в осьовому турбінному ступені 241
6.2. Спрощений метод визначення нахилу й кривизни ліній струму уздовж радіуса в перетинах перед і за робочим колесом 254
6.3. Розрахункове дослідження впливу протікання на оптимальні закони закручення напрямних і робочих коліс у широкому діапазоні зміни відношення Dсер/l 262
6.3.1. Вплив витоку через радіальний зазор 263
6.3.2. Вплив підсмоктування в кореневий зазор 275
6.4. Просторова оптимізація осьового турбінного ступеня з урахуванням протікання 276
РОЗДІЛ 7. ПОБУДОВА ОПТИМАЛЬНИХ ПРОФІЛІВ ЛОПАТОК ТУРБІНИ ЗА ДОПОМОГОЮ ЕОМ 288
7.1. Побудова турбінних профілів за допомогою степеневих багаточленів 289
7.2. Алгоритм побудови оптимального профілю за геометричним критерієм якості 299
7.3. Метод проектування аеродинамічно досконалих профілів за мінімумом профільних втрат 310
7.4. Результати профілювання за допомогою розроблених алго-ритмів 316
7.4.1. Конфузорні решітки профілів 316
7.4.2. Дифузорні турбінні решітки профілів 326
РОЗДІЛ 8. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВИХІДНИХ І ЗНОВУ СПРОЕКТОВАНИХ ПРОФІЛІВ ТУРБІННИХ ЛОПАТОК ТА СТУПЕНІВ ОСЬОВИХ ТУРБІН. 332
8.1. Дослідження профільних втрат в аеродинамічній тру-бі…………………………………………………………..333
8.1.1. Результати продувок конфузорних решіток профілів 339
8.1.2. Експериментальне дослідження дифузорних турбінних решіток профілів 341
8.2. Експериментальне дослідження осьових турбінних ступенів 347
8.2.1. Результати експериментального дослідження ступенів з Dсер/l = 14,1 348
8.2.2. Дослідження ступенів з Dсер/l = 3,6 361
8.2.3. Експериментальне дослідження ступенів з Dсер/l = 2,6 364
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ…………………………………………..…. 372
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК………………………………………. 377

Харьків  : НТУ «ХПІ», 2011. – 384 с.

 Викладені загальні питання оптимального проектування турбомашин та методи пошуку оптимальних рішень. Подана постановка задачі оптимального проектування проточної частини осьових турбін. Висвітлені питання визначення оптимальної кількості ступенів, оптимізації параметрів ступеня уздовж радіуса з урахуванням просторової течії робочого тіла, впливу протікання на оптимальні закони закручення вінців турбінних ступенів. Описано методику побудови оптимальних профілів лопаток турбіни. Аналізується достовірність розроблених методик та алгоритмів шляхом порівняння розрахункових та експериментальних даних.
Для студентів і магістрів вищих технічних навчальних закладів, які навчаються за напрямами «Енергомашинобудування» та «Теплоенергетика».
  Монография
В.Г. Суботін, Є.В. Левченко, В.Л. Швецов,О.Л. Шубенко, А.О. Тарелін, В.П. Суботович
«СТВОРЕННЯ ПАРОВИХ ТУРБІН НОВОГО ПОКОЛІННЯ ПОТУЖНІСТЬЮ 325 МВТ»
Монография
В.Г. Суботін, Є.В. Левченко, В.Л. Швецов, О.Л. Шубенко, А.О. Тарелін, В.П. Суботович«СТВОРЕННЯ ПАРОВИХ ТУРБІН НОВОГО ПОКОЛІННЯ ПОТУЖНІСТЬЮ 325МВТ»
Харків: Фоліо, 2009. – 256 с. — ISBN 978-966-03-4952-0.Іл.126. Табл. 26. Бібл.: с. 246—252 (105 назв.)

ЗМІСТ
Передмова 3
Перелік прийнятих скорочень 5
Вступ 6
Глава І Аналіз стану теплової енергетики України і основні напрямки реновації енергетичного устаткування ТЕС і ТЕЦ 10
1.1. Аналіз стану генеруючого устаткування ТЕС і ТЕЦ. 10
1.2. Можливі напрями реновації енергогенеруючого устаткування діючих ТЕС і ТЕЦ 15
1.3. Пріоритетні напрями технічного переозброєння і реконструкції теплових електростанцій 17
Глава II Науково-технічні розробки, що забезпечують підвищення характеристик ефективності та надійності турбоагрегатів нового покоління 21
2.1. Аеродинамічне проектування профілів соплових і робочих лопаток 21
2.1.1 Пряма та обернена задачі теорії решіток 21
2.1.2 Двомірна течія в міжлопатковому каналі 23
2.1.3 Метод розв’язування прямої задачі теорії решіток 26
2.1.4 Метод розв’язування оберненої та гібридних задач теорії решіток 29
2.1.5 Методика визначення втрат у решітці профілів 34
2.1.6 Вибір початкового варіанта міжлопаткового каналу для оптимального проектування решітки профілів за допомогою оберненої задачі 38
2.2 Методологія оптимального проектування лопаткових апаратів циліндру низького тиску парових турбін 41
2.3 Розробка математичних моделей та відповідних обчислювальних методів для аналізу процесів створення, трансформації вологи та її
впливу на елементи проточної частини		 54
2.3.1 Нерівноважна нестаціонарна конденсація при розширенні пари, що переохолоджена, в проточній частині турбіни 55
2.3.2 Течія пари, що конденсується, і вологої пари в ступені 61
2.3.3 Утворення крупнодисперсної вологи. Вологовиділення і ерозія елементів проточної частини 64
2.4 Розробка методів удосконалення характеристик маневреності модернізованих турбін 68
2.5 Підвищення експлуатаційних показників турбоустановок ВАТ «Турбоатом» на основі математичного моделювання 81
Глава Ш Особливості конструкції і систем турбіни нового покоління потужністю 325 МВт 88
3.1 Конструктивні особливості турбоустановки 88
3.2 Конструктивні і міцносні особливості робочих лопаток останнього ступеня 107
3.2.1 Основи побудови профільної частини лопатки. Напруга від відцентрових сил 108
3.2.2 Пружне розкручування лопаток. НДС природно закрученої лопатки з вільною вершиною 109
3.2.2.1 НДС природно закручених лопаток 109
3.2.2.2 Експериментальне дослідженняНДС лопаток 111
3.2.3 Аналіз конструкцій бандажних зв’язків. НДС природно закручених лопаток з обмеженням пружного розкручування 114
3.2.4 Результати дослідження нерівномірності розподілу 115
3.2.4.1 Концентрація напруги в зоні бандажних отворів 116
3.2.4.2 Напружений стан зони бандажних отворів з підсилюючими поясками спеціальної форми 119
3.2.4.3 Дослідження нерівномірності розподілу напруги в кореневій зоні профільної частини лопатки 122
3.2.4.4 Об’ємний напружений стан елементів хвостовика 126
3.2.5 Втомна міцність лопаток 127
3.2.5.1 Вплив геометричних параметрів зони лопатки з бандажним отвором на межу витривалості 128
3.2.5.2 Дослідження конструкційної міцності кореневої зони лопатки останнього ступеня 131
3.3 Удосконалена система регулювання парової турбіни потужністю 325 МВт 134
3.5 Методика проектування зварних роторів для підвищення безпеки турбін 166
3.5.1 Конструювання, виробництво і експлуатація зварних роторів парових турбін 166
3.5.2 Методи вибору конструкції і матеріалів роторів турбін 168
3.5.3 Ультразвуковий контроль зварних швів роторів 170
3.5.4 Оцінка опору зварних роторів крихким руйнуванням 175
3.5.5 Розрахунки динаміки і міцності зварних роторів 179
3.5.6 Розробка методів підвищення конструктивної міцності кореня зварного шва вузлів зварних роторів 181
3.6 Прогнозування безпеки ТЕС 195
3.6.1 Підходи до прогнозування і вимоги до безпеки ТЕС 196
3.6.2 Методика прогнозування безпеки ТЕС за ймовірністю ураження об’єктів ТЕС уламками турбіни 197
3.6.2.1 Постановка проблеми прогнозування 197
3.6.2.2 Ймовірність руйнування ротора турбіни 198
3.6.2.3 Характеристики уламків, які летять 201
3.6.2.4 Зони падіння і ймовірність попадання уламків у важливі для безпеки ТЕС об’єкти 206
Глава IV Особливості ряду турбін потужністю 310-320МВт 215
4.1 Парова турбіна К-310-23,5 215
4.2 Парова турбіна К-320-23,5 220
Глава V Перспективні напрями розробки нового обладнання 226
5.1 Парова турбіна потужністю 200 МВт. 226
5.2 Парова турбіна потужністю 330 МВт 231
Глава VI Модернізація турбін К-300-240-2 на Зуївській ТЕС 232
Висновки 243
Перелік посилань 246
Харків: Фоліо, 2009. – 256 с. — ISBN 978-966-03-4952-0.

Іл.126. Табл. 26. Бібл.: с. 246—252 (105 назв.)

Монографія присвячена вирішенню важливої народногосподарчої проблеми, пов’язаної зі створенням парових турбін нового покоління для заміни і модернізації турбоагрегатів ТЕС, що виробили свій ресурс. Реалізація поставленого завдання базується на комплексі наукових досліджень, направлених на удосконалення термогазодинамічних процесів у проточній частині турбіни. Особлива увага приділена створенню робочої лопатки останнього ступеня з активною частиною великої довжини, яка забезпечує високі техніко-економічні показники в широкому діапазоні режимів роботи. Значне місце займають матеріали з розроблення методів розрахунку ступенів, що працюють у зоні вологої пари та оцінки ефективності систем вологовилучення та захисту від ерозії, а також питання підвищення маневреності турбоагрегатів.
На базі новітніх наукових і конструкторських розробок авторами створені, освоєні у виробництві та експлуатації турбіни нового покоління К-325-23,5; К-310-23,5; К-320-23,5. В монографії представлені матеріали з особливостей конструкцій і систем турбін нового покоління: розглянуті питання міцності робочих лопаток останнього ступеня, удосконалення системи регулювання парової турбіни К-325-23,5, сучасний комплекс технічних засобів контролю турбоустановки, методика проектування зварних роторів для підвищення безпеки турбін.
Окремим розділом представлені результати модернізації турбіни К-300-240 на Зуївській ТЕС.
Монографія може бути корисною для науково-технічних працівників організацій енергетичного профілю, експлуатаційного персоналу ТЕС та ТЕЦ, аспірантів та студентів енергетичних спеціальностей.
 

Підручник

Бойко А.В.

«ГІДРОГАЗОДИНАМІКА»

Бойко А.В.

«ГІДРОГАЗОДИНАМІКА»

Підручник
Харьков НТУ «ХПИ» 2008,444с.

Оглавление
Передмова 3
Основні умовні позначення 5
Вступ 6
РОЗДІЛ 1. ОСНОВИ ДИНАМІКИ РІДИНИ І ГАЗУ 9
1.1. Визначення рідини. Концепція безперервності 9
1.2. Властивості суцільності 10
1.3. Системи і контрольні об’єми 18
1.4.Скалярні, векторні і тензорні поля в гідрогазо динаміці. 19
1.5. Зв’язок між елементами напруг і відповідними швидкостями деформацій 22
РОЗДІЛ 2. ОСНОВНІ ЗАКОНИ РУХУ РІДИНИ 27
2.1. Закон збереження маси. Рівняння нерозривності руху 28
2.2. Теорема імпульсів. Рівняння кількості руху 35
2.3. Рівняння руху 39
2.4.  Перший закон термодинаміки для контрольного об’єму. Рівняння збереження енергії 43
2.5.  Другий закон термодинаміки 49
РОЗДІЛ 3. ОДНОМІРНИЙ РУХ ГАЗА 54
3.1. Швидкість звуку 54
3.2. Різні форми рівняння енергії  59
3.3. Газодинамічні функції одномірного адіабатичного потоку 62
3.4. Класифікація течії стисливої рідини 69
3.5.  Основи фізичного моделювання 70
3.6.  Одномірні течії при різних зовнішніх діяннях 73
РОЗДІЛ 4. ДВО – І ТРИВИМІРНИЙ РУХ РІДИНИ 91
4.1.  Безвихоровий рух рідини. Потенціал швидкостей і функція струму 91
4.2. Приклади найпростіших потенційних потоків ідеальної нестисливої рідини і їх накладення. Теорема М.Є. Жуковського 102
4.3.  Застосування теорії функцій комплексного змінного до вивчення плоскопаралельного потоку ідеальної рідини 119
4.4. Метод конформного перетворення 129
4.5. Графічний метод побудови профілів Жуковского– Чаплигіна. Теорема Жуковського–Чаплигіна про результуючу силу тиску 139
4.6.  Основи теорії вихорів. Основні теореми вихорової течії ідеальної рідини 148
4.7. Загальне рівняння для потенціала швидкостей 158
РОЗДІЛ 5. ОСОБЛИВОСТІ ТЕЧІЇ СТИСЛИВОЇ РІДИНИ 162
5.1. Розповсюдження збурень у газі при русі у ньому матеріальної точки 162
5.2. Число Маха і кут Маха 166
5.3. Критичне значення числа Маха. Стрибки ущільнення у газовому потоці 167
5.4. Класифікація стрибків ущільнення 170
РОЗДІЛ 6. ПЛОСКА ДО- І НАДЗВУКОВА ТЕЧІЯ ГАЗУ З МАЛИМИ ЗБУРЕННЯМИ 173
6.1. Сутність методу лінеарізації 173
6.2. Лінеаризація рівняння для потенціалу швидкостей 174
6.3. Лінеарізоване рівняння Бернуллі 180
6.4.  Двомірний дозвуковий потік з малими збуреннями 181
6.5. Двомірний надзвуковий потік з малими збуреннями 185
РОЗДІЛ 7. МЕТОД ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ДВОМІРНОГО НАДЗВУКОВОГО ПОТОКУ 199
7.1. Опис методу характеристик 199
7.2. Течія Прандтля-Майєра. Використання характеристик годографа. Одиничні процеси 213
7.3.  Приклади застосування методу характеристик 223
РОЗДІЛ 8. СТРИБКИ УЩІЛЬНЕННЯ В ГАЗОВОМУ ПОТОЦІ 230
8.1. Основні рівняння косого стрибка ущільнення 232
8.2. Прямий стрибок ущільнення. Правила взаємодії стрибків 240
8.3. Ударні поляри 245
8.4. Деякі специфічні аспекти косих стрибків 249
8.5. Втрати в стрибках ущільнення 259
8.6.  Відбиття і взаємодія стрибків 266
8.7. Приклади двомірних течій, що містять стрибки 277
РОЗДІЛ 9. ПРИГРАНИЧНИЙ ШАР 287
9.1. Диференціальні рівняння приграничного шару 289
9.2.  Інтегральне співвідношення приграничного шару 297
9.3.  Розрахунок ламінарного, турбулентного й змішаного приграничного шару для плоскої пластинки 301
9.4. Приграничний шар на криволінійній поверхні 317
9.5. Приграничний шар при великих швидкостях. Взаємодія стрибків з приграничним шаром 323
РОЗДІЛ 10. ВИТІКАННЯ ГАЗА ЗІ ЗВУЖУЮЧИХ СОПЕЛ І ОТВОРІВ. СОПЛА ЛАВАЛЯ 332
10.1.  Звужуючі сопла. 332
10.2.  Витікання газу з отвору з гострою кромкою. Друге критичне відношення тиску 334
10.3. Сопло Лаваля 338
10.4. Надзвукове сопло з косим зрізом 343
РОЗДІЛ 11. ТЕЧІЯ ГАЗУ ЧЕРЕЗ РЕШІТКИ ТУРБОМАШИН 346
11.1. Класифікація решіток турбомашин 356
11.2. Сили, що діють на профіль у решітці. Теорема М.Є. Жуковського для решітки 347
11.3.  Обтікання решіток з довільних профілів 354
11.4. Розрахунок потенційного потоку в решітках по теорії каналу 361
11.5.  Профілювання дозвукових профілів 367
11.6. Структура потоку в реактивних решітках при білязвукових і надзвукових швидкостях 369
11.7.  Профілювання надзвукових профілів 371
Список літератури 376
Додаток 377
Відповіді та розв’язання задач 398
ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК 436

 

Харьков НТУ “ХПИ” 2008, 444с.

Викладено основні закони і рівняння руху рідини. Описано закономірності одно–, дво– і тривимірного руху нестисливої, стисливої до – та надзвукової течії. Подано основні поняття теорії подібності. Висвітлено основи теорії приграничного шару і процеси, які проходять при витіканні газу з сопел і решіток турбомашин.

Призначено для студентів вищих технічних навчальних закладів, що навчаються за напрямами енергомашинобудування та теплоенергетика.
 

Монография

В. М. Капинос, Е.Н. Иванчнко

«АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ»
В. М. Капинос, Е.Н. Иванченко

«АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ»

монография
Харьков НТУ «ХПИ» 2008. 152 с.

ПРЕДИСЛОВИЕ

    Выполнен подробный разбор и сопоставление распространенных алгебраических моделей турбулентности и предложены модификации существующих моделей турбулентности. Предложенные авторами модели учитывают зависимость константы турбулентности от градиента давления и других факторов, а также нелинейность связи между длиной пути смешения и поперечной координатой вблизи стенки. Использование универсальных профилей скорости позволило также учесть влияние турбулентности внешнего потока

СОДЕРЖАНИЕ
Перечень условных обозначений 5
Введение  7
1. Обзор наиболее распространенных алгебраических моделей турбулентности. Критический анализ 10
1.1. Вводные замечания 10
1.2. Однослойные модели турбулентности 12
1.3. Двухслойные модели турбулентности 35
1.3.1. Модели Эскудиера-Сполдинга и Себеси-Смита 35
1.3.2. Модель Болдвина-Ломакса для отрывных течений  38
1.3.3. Алгебраическая модель турбулентности Гольдберга для области отрывного течения. 43
1.3.4. Модель турбулентности Джонсона-Кинга 48
1.4. Постановка задачи 56
2. Предлагаемые модели турбулентности  59
2.1. Модифицированная модель турбулентности. 59
2.2. Модель турбулентности на основе профиля Томпсона. 64
2.2.1. Обобщенный закон стенки  64
2.2.2. Алгебраические модели турбулентности с использованием универсального профиля Томпсона 69
2.3. Модели турбулентности на основе профиля Коулса. 71
2.3.1. Вводные замечания  71
2.3.2. Модель турбулентности, учитывающая повышенную степень турбулентности внешнего потока. 73
3. Методика численных расчетов систем уравнений турбулентного пограничного слоя при использовании различных моделей турбулентности 78
3.1. Вводные замечания 78
3.2. Система уравнений в расчетах турбулентного течения с использованием модели турбулентности Джонсона-Кинга 80
3.3. Система уравнений в расчетах турбулентного течения с использованием модели турбулентности Себеси-Смита 83
3.4. Система уравнений в расчетах турбулентного течения с использованием модели турбулентности Болдвина-Ломакса 84
3.5. Система уравнений в расчетах турбулентного течения на основе предлагаемых моделей турбулентности 85
3.5.1. Система уравнений в расчетах на основе модели турбулентности Себеси-Смита с использованием нового выражения для демпфирующего множителя и переменного значения константы турбулентности 85
3.5.2. Система уравнений для расчета турбулентного пограничного слоя с применением модели турбулентности, использующей универсальный профиль скорости Томпсона 86
3.5.3. Система уравнений для расчета турбулентного пограничного слоя с применением модели турбулентности, использующей трехпараметрический профиль скорости Коулса 88
4. Сравнительный анализ существующих алгебраических моделей турбулентности и предлагаемых модифицированных моделей 90
4.1. Вводные замечания 90
4.2. Характеристики тестовых течений 93
4.3. Сравнительные расчеты на основе модели турбулентности Себеси-Смита 98
4.4. Сравнительные расчеты на основе модели турбулентности Болдвина-Ломакса. 104
4.5. Сравнительные расчеты на основе модели турбулентности Джонсона-Кинга. 111
4.6. Разработанные модели турбулентности нулевого порядка. 126
4.6.1. Модифицированные модели турбулентности 126
4.6.2. Определение степени турбулентности в заторможенном потоке перед кромками турбинных профилей 135
4.6.3. Алгебраическая модель турбулентности, учитывающая степень турбулентности внешнего потока 138
Выводы 140
Список литературы 146

Харьков НТУ “ХПИ” 2008, 152с

Выполнен подробный разбор и сопоставление распространенных алгебраических моделей турбулентности и предложены модификации существующих моделей турбулентности. Предложенные авторами модели учитывают зависимость константы турбулентности от градиента давления и других факторов, а также нелинейность связи между длиной пути смешения и поперечной координатой вблизи стенки. Использование универсальных профилей скорости позволило также учесть влияние турбулентности внешнего потока
 

Капинос В. М. Кошельник В. М., Навроцкий В. В

«ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА В ПРИМЕРАХ И ЗАДАЧАХ»
В. М. Капинос, В. М. Кошельник, В. В. Навроцкий.

«ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА В ПРИМЕРАХ И ЗАДАЧАХ»

учебное пособие
Харьков НТУ «ХПИ» 2007, 192с
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемое учебное пособие составлено на основе учебного материала, который используется при проведении практических занятий по курсу “Основы теории теплопередачи” (переименованному последними учебными программами в курс “Тепломассообмен”) для студентов специальностей “Турбины”, “Теплофизика” и “Теплоэнергетика” Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”.
Пособие предназначено для студентов теплотехнических специальностей и охватывает все разделы основ теории теплопередачи (тепломассообмена).
В начале каждой главы дается теоретический материал, в котором сжато, с краткими комментариями приведены расчетные зависимости по данной теме. Это главная особенность пособия, дающая возможность сразу ознакомиться с необходимым материалом. Авторы в основном ориентировались на учебник В.П. Исаченко, В.А. Осиповой, А.С. Сукомела “Теплопередача”[1].
Главы 2,3,4,9 и 11 составлены В.М. Капиносом, главы 5,6,7 и 12 – В.М. Кошельником, главы 1, 8, 10 и все справочные таблицы -В.В. Навроцким.
Объем учебного материала у всех авторов примерно одинаковый. Все задачи снабжены ответами. Для ряда задач, преимущественно более сложных, приводятся подробные решения.
В главах 2,4 рассмотрены некоторые новые расчетные зависимости, относящиеся к решению задач теплопроводности. В главе 2 это задачи для областей с внутренними источниками теплоты и переменной теплопроводностью, в главе 4 – решение нестационарных задач теплопроводности для тел конечных размеров с использованием новой переменной в виде среднеинтегральной по сечению температуры.
Замечания и пожелания, которые помогут улучшить содержание, учебного пособия, просьба направлять по адресу: 61002, г. Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ “ХПИ”, кафедра турбиностроения. Отзывы с замечаниями и пожеланиями будут учтены при повторном издании.

СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ 4
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5
Глава 1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПЛАСТИНЫ, ЦИЛИНДРА И ШАРА 6
Глава 2. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПЛАСТИНЫ, ЦИЛИНДРА И ШАРА С РАВНОМЕРНО РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ВНУТРЕННИМИ ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛОТЫ 28
Глава 3. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ОРЕБРЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ 38
Глава 4. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ. 51
Глава 5. ТЕПЛООБМЕН ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ 64
Глава 6. ТЕПЛООБМЕН И ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИ ТЕЧЕНИИ В ТРУБАХ И КАНАЛАХ 75
Глава 7. ТЕПЛООБМЕН И ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИ ВНЕШНЕМ ОБТЕКАНИИ ТЕЛ 95
Глава 8. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ 116
Глава 9. ТЕПЛООБМЕН ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА 126
Глава 10. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ 138
Глава 11. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 147
Глава 12. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА И ВОПРОСЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ 164
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 187
ПРИЛОЖЕНИЯ 188

Харьков НТУ «ХПИ» 2007, 192с

Учебное пособие охватывает все разделы основ теории теплопередачи (тепломассообмена) и включает 280 задач. В начале каждой главы помещен теоретический материал, для каждой четвертой задачи приведено подробное решение. Представлены также практические задачи, связанные с интенсификацией теплообмена и энергосбережением.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки “Энергетика” и “Энергетическое машиностроение”

Учебное пособие

проф. Слабченко О.Н. 

«РАСЧЁТЫ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ СТУПЕНИ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ»
Слабченко О.Н.

«РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ СТУПЕНИ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ»

учебное пособие
Харьков НТУ «ХПИ» 2007, 204с

Оглавление
ВСТУПЕНИЕ 3
1. РАСЧЕТ РАБОЧИХ ЛОПАТОК НА ПРОЧНОСТЬ 4
1.1. Условия работы и конструкции рабочих лопаток 4
1.2. Расчёт пера лопаток на растяжение 11
1.2.1. Лопатки постоянного по высоте поперечного сечения 11
1.2.2. Лопатки переменного по высоте сечения (переменного по высоте профиля) 17
1.3. Изгиб пера лопатки 37
1.3.1. Изгиб лопатки паровым усилием 37
1.3.2 Компенсация изгибающих моментов от паровых нагрузок моментами от центробежных сил 55
1.3.3 Изгиб лопаток, связанных бандажом 66
2. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ХВОСТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ 81
2.1. Тобразное хвостовое соединение 81
2.2. Грибовидное хвостовое соединение 85
2.3. Вильчатые хвостовые соединения 90
2.4. Елочное хвостовое соединение 93
3. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ БАНДАЖЕЙ, ШИПОВ ЛОПАТКИ, ПРОВОЛОЧНЫХ И ТРУБЧАТЫХ СВЯЗЕЙ 100
4. РАСЧЁТ ДИСКОВ НА ПРОЧНОСТЬ 108
4.1. Дифференциальные уравнения и граничные условия 108
4.2. Диск постоянной толщины 116
4.3. Диск равного сопротивления 122
4.4. Расчёт диска постоянной толщины с ободом и ступицей 124
4.5. Расчёт диска постоянной толщины с ободом и ступицей методом двух расчетов 133
4.6. Особенности расчёта конического диска и диска произвольного профиля 136
5. РАСЧЁТ НА ПРОЧНОСТЬ ДИАФРАГМ ПАРОВЫХ ТУРБИН 141
5.1. Расчёт максимального упругого прогиба, напряжения в теле диафрагмы и направляющей лопатке 142
5.2. Расчёт прогиба диафрагмы в условиях ползучести 146
6. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ И ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ 153
6.1 Химический состав применяемых сталей и сплавов 153
6.2. Кратковременные механические характеристики 155
6.3. Механическая усталость, ползучесть, длительная прочность 160
6.4. Металлы для изготовления рабочих лопаток и бандажей. Допускаемые напряжения 166
6.5. Металлы для изготовления дисков, цельнокованых и сварных роторов, валов. Допускаемые напряжения 171
6.6. Металлы для изготовления диафрагм и направляющих аппаратов. Допускаемые напряжения 175
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 180
Приложение А. Геометрические характеристики профиля рабочей лопатки Р2-30 181
Приложение Б. Пример расчета диска постоянной толщины с ободом и ступицей 183
Приложение В. Геометрические характеристики профиля направляющей лопатки Н2-100 199

 

Харьков НТУ «ХПИ», 2007, 204 с.

В учебном пособии излагаются расчеты на прочность элементов ступени паровой турбины: рабочих лопаток, хвостовых соединений, бандажей, дисков и диафрагм; приводятся механические характеристики материалов для их изготовления; даются рекомендации по выбору сталей и допускаемых напряжений.
Для студентов, обучающихся по специальности «Турбины».

Учебное пособие

проф. Бойко А.В.

«ГИДРОГАЗОДИНАМИКА»

Бойко А.В.

«ГИДРОГАЗОДИНАМИКА»

учебное пособие
Харьков НТУ «ХПИ» 2006,412с

Оглавление
Предисловие 3
Основные условные обозначения 5
Введение 6
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗА 9
1.1. Определение жидкости. Концепция непрерывности 9
1.2. Свойства сплошности 10
1.3. Системы и контрольные объёмы 19
1.4. Скалярные, векторные и тензорные поля в гидрогазодинамике. Некоторые сведения из векторного анализа 20
1.5. Связь между элементами напряжений и соответствующими скоростями деформаций 24
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ 30
2.1. Закон сохранения массы. Уравнение неразрывности движения 30
2.2. Теорема импульсов. Уравнение количества движения 38
2.3. Уравнения движения 41
2.4. Первый закон термодинамики для контрольного объёма. Уравнение сохранения энергии 45
2.5. Второй закон термодинамики 51
ГЛАВА 3. ОДНОМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ ГАЗА 56
3.1. Скорость звука 56
3.2. Различные формы уравнения энергии 60
3.3. Газодинамические функции одномерного адиабатического потока 64
3.4. Классификация течения сжимаемой жидкости 71
3.5. Основы физического моделирования 72
3.6. Одномерные течения при различных внешних воздействиях 76
ГЛАВА 4. ДВУХ И ТРЁХМЕРНОЕ ДВИЖЕНИЕ ГАЗА 92
4.1. Безвихревое движение жидкости. Потенциал скоростей и функция тока 92
4.2. Примеры простейших потенциальных потоков идеальной несжимаемой жидкости и их наложение. Теорема Н.Е. Жуковского 102
4.3. Применение теории функций комплексного переменного к изучению плоскопараллельного потока идеальной жидкости 118
4.4. Метод конформного преобразования 127
4.5. Графический метод построения профилей Н.Е. Жуковского-С.А. Чаплыгина.    Теорема Жуковского-Чаплыгина о результирующей силе давления 136
4.6. Основы теории вихрей. Основные теоремы вихревого течения идеальной жидкости 145
4.7. Общее уравнение для потенциала скоростей 155
ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ СЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ 161
5.1. Распространение возмущений в газе при движении в нём материальной точки 161
5.2. Число Маха и угол Маха 164
5.3. Критическое значение скорости. Скачки уплотнения в газовом потоке 165
ГЛАВА 6. ПЛОСКОЕ ДО- И СВЕРХЗВУКОВОЕ ТЕЧЕНИЕ ГАЗА С МАЛЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ 171
6.1. Двухмерный дозвуковой поток с малыми возмущениями 171
6.2. Линеаризация уравнения для потенциала скоростей 172
6.3. Линеаризованное уравнение Бернулли 177
6.4. Двухмерный дозвуковой поток с малыми возмущениями 178
6.5. Двухмерный сверхзвуковой поток с малыми возмущениями 183
ГЛАВА 7. МЕТОД ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ДВУХМЕРНОГО СВЕРХЗВУОВОГО ПОТОКА 196
7.1. Описание метода характеристик 196
7.2. Течение Прандтля-Майера. Использование характеристик годографа.Единичные процессы 210
7.3. Примеры применения метода характеристик 219
ГЛАВА 8. СКАЧКИ УПЛОТНЕНИЯ В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ 227
8.1. Основные уравнения косого скачка уплотнения 229
8.2. Прямой скачок уплотнения. Правила взаимодействия скачков 236
8.3. Ударные поляры 241
8.4. Некоторые специфические аспекты косых скачков 245
8.5. Потери в скачках уплотнения 255
8.6. Отражение и взаимодействие скачков 261
8.7. Примеры двухмерных течений, содержащих скачки 272
ГЛАВА 9. ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ 281
9.1. Дифференциальные уравнения пограничного слоя 283
9.2. Интегральное соотношение пограничного слоя 291
9.3. Расчёт ламинарного, турбулентного и смешанного пограничного слоя для плоской пластинки 295
9.4. Пограничный слой на криволинейной поверхности 310
9.5. Пограничный слой при больших скоростях. Взаимодействие скачков с пограничным слоем 316
ГЛАВА 10. ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗА ИЗ СУЖИВАЮЩИХСЯ СОПЕЛ И ОТВЕРСТИЙ. СОПЛА ЛАВАЛЯ 324
10.1. Суживающиеся сопла 324
10.2. Истечения газа из отверстия с острой кромкой. Второе критическое отношение давления 326
10.3. Сопла Лаваля 330
10.4. Сверхзвуковое сопло с косым срезом 334
ГЛАВА 11. ТЕЧЕНИЕ ГАЗА ЧЕРЕЗ РЕШЕТКИ ТУРБОМАШИН 338
11.1. Классификация решеток турбомашин 338
11.2. Силы, действующие на профиль в решётке. Теорема Н.Е. Жуковского для решётки 339
11.3. Обтекание решёток из произвольных профилей 346
11.4. Расчёт потенциального потока в решётках по теории канала 352
11.5. Профилирование дозвуковых профилей 358
11.6. Структура потока в реактивных решётках при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях 360
11.7. Профилирование сверхзвуковых профилей 363
Список литературы 367
Приложения 368

Харьков НТУ «ХПИ», 2006, 412с

Излагаются основные законы и уравнения движения жидкости. Описаны закономерности одномерного, двух- и трёхмерного движения несжимаемого, сжимаемого до-и сверхзвукового течения. Даны основные понятия о теории подобия. Освещены основы теории пограничного слоя и процессы, происходящие при истечении газа из сопел и решеток турбомашин.
Для студентов энергомашиностроительных и теплотехнических специальностей технических университетов.

Навчальний посібник

доц. Гура Л.О.

«ГАЗОПЕРЕКАЧУВАЛЬНІ СТАНЦІЇ МАГІСТРАЛЬНИХ ГАЗОПРОВОДІВ»

Гура Л.О.

«ГАЗОПЕРЕКАЧУВАЛЬНІ СТАНЦІЇ МАГІСТРАЛЬНИХ ГАЗОПРОВОДІВ»

Навчальний посібник
Харків НТУ «ХПІ» 2006, 182с

ЗМІСТ
Передмова 3
1. Природні горючі гази 6
1.1. Родовища природних газів 6
1.2. Видобуток природних газів 8
1.3. Фізико-хімічні властивості природних газів 14
2. Техніко-економічні показники трубопровідного транспорту природного газу 20
2.1. Продуктивність газопроводу 21
2.2. Питома витрата механічної енергії на транспорт газу по трубопроводу 26
2.3. Середній тиск газу в газопроводі 30
2.4. Газопровід, еквівалентний багатонитковому газопроводу 32
2.5. Газопровід з різними діаметрами 33
2.6. Газопровід з паралельною ниткою 34
2.7. Газопровід постійного діаметра зі шляховим надходженням і витратою 37
2.8. Газопровід з різними діаметрами ділянок 39
3. Магістральні газопроводи 41
3.1. Основні споруди і установки, що входять до складу магістрального газопроводу 41
3.2. Конструктивні характеристики магістральних газопроводів і лінійних споруд 44
3.3. Захист магістральних газопроводів від корозії 46
3.3.1. Захист газопроводів від ґрунтової корозії 48
3.3.2. Контроль якості ізоляційних покрить 50
3.3.3. Електрохімічний захист трубопроводів 52
3.4. Продувка і очищення порожнини газопроводу 54
4. Очищення й осушення природного газу 57
4.1. Очищення газу від нафти, конденсату і твердої суспензії 57
4.1.1. Очищення газу на нафтогазових промислах 57
4.1.2. Поділ газу і конденсату на газоконденсатному промислі 58
4.1.3. Очищення газу на газовому промислі 61
4.2 Осушення газу 63
4.2.1. Абсорбційні методи осушення газу 63
4.2.2. Осушення газу твердими поглиначами (адсорбція) 66
4.3. Очищення газу на компресорній станції 68
5. Нагнітачі природного газу 73
5.1. Робота ступеня відцентрового нагнітача 73
5.2. Характеристики нагнітачів 84
5.3. Особливості конструкції иагнітачів природного газу 88
5.4. Нагнітачі компресорних станцій магістральних газопроводів 94
5.4.1 Відцентровий нагнітач типу 370-18 94
5.4.2. Система регулювання ущільнення нагнітача 370-18 97
5.4.3. Відцентровий нагнітач типу 230 101
6. Лінійні компресорні станції 104
6.1. Взаємозв’язок компресорної станції, газопроводу і газоперекачувального агрегату.
           Режими роботи магістрального газопроводу і компресорної станції		 104
6.2. Вибір енергоприводу і типу газоперекачувального агрегату 106
6.3. Привідні газотурбінні установки 110
6.4. Технологічні схеми лінійних компресорних станцій 115
6.4.1. Кранова обв’язка ГГПА з неповнонапірним і повнонапірним ВЦН 117
6.4.2. Технолргічна схема компресорної станції з неповнонапірними ВЦН 120
6.4.3. Технологічна схема компресорної станції з повнонапрними ВЦН 124
6.5. Будова основних елементів ГТУ 126
6.5.1. Пускові пристрої 134
6.5.2. Маслопостачання агрегату типу ГТК-10 136
6.5.3. Маслопостачання агрегату типу ГТК-10 139
6.5.4. Охолодження масла в газотурбінних установках 143
6.5.5. Очищення циклового повітря ГТУ 146
6.6. Призначення і технологічна схема системи пускового і паливного газу 148
6.7. Призначення і технологічна схема системи імпульсного газу 149
6.8. Блок повітропідготовки 151
6.9. Компресорні станції з агрегатами ГПА-Ц-6,3 152
6.9.1. Будова газоперекачувального агрегату ГПА-Ц-6,3 155
6.10. Обслуговування ГГПА 159
6.10.1. Пуск ГГПА 160
6.10.2. Обслуговування агрегату під час роботи 162
6.10.3. Зупинка агрегату 164
7. Компресорні станції з газомоторним приводом 166
7.1. Будова газомотокомпресора типу 10ГК 166
7.2. Технологічна схема компресорного цеху з газомотокомпресорами 171
8. Компресорні станції з електричним приводом 173
8.1. Асинхронний електродвигун АЗ-4500-1500 174
8.2. Синхронний електродвигун СТД-4000-2 175
Список літератури 179


Харків НТУ «ХПІ», 2006, 182с

Висвітлені питання видобутку, обробки та транспорту природного газу на далеку відстань. Розглянуті основні техніко-економічні показники турбопровідного транспорту газу. Викладено принцип дії, будову та конструктивні особливості відцентрових нагнетачів. Наведені основні відомості про склад споружень та їх призначення на компресорній станції з газотурбінними газоперекачувальними агрегатами. Подані короткі відомості про компресорні станції з поршневими газомоторами та газоперекачувальні станції з електричним приводом нагнітача.
Призначено для студентів енергетичних факультетів спеціальності «Турбіни».

Научная монография

Бойко А.В., Говорушенко Ю. Н., Ершов С.В., Русанов А.В., Северин С.Д. 

«АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ И ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБОМАШИН» Харьков НТУ «ХПИ», 2002, 356с

Бойко А.В., Говорушенко Ю. Н., Ершов С.В., Русанов А.В., Северин С.Д.

«Аэродинамический расчёт и оптимальное проектирование проточной части турбомашин»

Научная монография
Харьков НТУ «ХПИ» 2002, 356с

ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ 5
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТУРБОМАШИН 13
1.1. Математические модели и задача проектирования объекта 14
1.2. Метод оптимизации сложных технических устройств 16
1.3. Построение ФММ подсистем и численные методы решения локальных задач оптимизации 20
1.4. Оптимизация параметров проточной части осевой турбины 21
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБОМАШИН 25
2.1. Аэродинамические модели 25
2.1.1 Моделирование осесимметричного течения в ступени осевой турбины 25
2.1.2. Постановка задачи теплового расчета газовой и паровой осевой турбинной ступени по сечениям в зазорах и методы ее решения 33
2.1.3. Упрощенный метод определения наклона и кривизны линий тока вдоль радиуса в сечениях перед и за рабочим колесом 44
2.1.4.Расчет течения рабочего тела через плоские решетки 50
2.1.5. Автоматизация расчетов проточных частей многоступенчатыхпаровых турбин на переменных режимах 51
2.2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММ РАСЧЕТА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ, ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕШЕТОК ПРОФИЛЕЙ 59
2.2.1 Статистическая оценка геометрических характеристик решеток профилей 59
2.2.2 Математическая модель оценки надежности функционирования диафрагм 65
2.2.3 Математическая модель оценки надежности функционирования рабочих лопаточных венцов 68
2.2.4 Вибрационный анализ 71
2.2.5 Расчет газодинамических характеристик решеток 73
2.3. Моделирование состояния рабочих тел и материалов 77
2.4. Методика создания макромоделей характеристик элементов проточной части осевой турбины 82
2.4.1. Планирование эксперимента 82
2.4.2. Диалоговый анализ ФММ – программа СРLАN 87
2.5 Программный комплекс МАСТЕР как инструмент решения задач расчета проточной части турбомашин 89
ГЛАВА 3. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБОМАШИНЫ 107
3.1. Основные подходы к решению задачи о вязком трехмерном течении в проточной части турбомашины 108
3.2. Уравнения Навье-Стокса. Приближение тонкого слоя 113
3.3. Осреднение по Рейнольдсу. Моделирование турбулентной вязкости 119
3.3.1. Алгебраические модели турбулентности. Модель Болдуина-Ломэкса 121
3.3.2. Дифференциальные модели турбулентной вязкости. Модель SSТ Ментера 126
3.4. Основные преобразования уравнений 129
3.5. Постановка задачи с начальными и граничными условиями 134
3.6. Явно-неявная ENO схема повышенной точности 143
3.7. Численная реализация. Комплекс программ FlowER 151
3.8. Расчет обтекания решеток и ступеней турбомашин 154
3.8.1. Течение в решетке Лэнгстона 154
3.8.2 Течение в решетке Ходсона 155
3.8.3. Течение в рабочем колесе компрессора Rotor37 158
3.8.4. Течение в ступени турбины 161
3.8.6. Течение в многоступенчатых машинах 161
ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ПОИСКА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ 162
4.1. Общие сведения об экстремальных задачах 162
4.1.1 Классификация методов оптимизации 162
4.1.2 Оптимизация функций с помощью дифференцирования 164
4.1.3 Задачи на условный экстремум функции 166
4.1.4. Оптимизация при ограничениях в виде неравенств 168
4.2. Нелинейное программирование 170
4.2.1. Предмет нелинейного программирования 170
4.2.2. Поиск экстремума функции одной переменной 172
4.2.3. Методы оптимизации без ограничений 174
4.2.4 Методы оптимизации при наличии ограничений 181
4.3. Методы прямого поиска 185
4.3.1. Метод прямого поиска Хука-Дживса 185
4.3.2. Метод Нелдера-Мида 188
4.4. Псевдослучайный поиск на исходных и формальных макромоделях 192
ГЛАВА 5. ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ ТУРБИН 197
5.1. Постановка задач одномерной и квазидвумерной оптимизаци 197
5.2. Аналитические решения 201
5.3. Оптимизация многоступенчатой турбины методом нелинейного программирования 217
5.4. Автоматизация предварительного проектирования проточной части многоступенчатых паровых турбин 220
5.5. Исследование и оптимизация многоступенчатых турбин с помощью планирования эксперимента 228
5.6. Оптимюация проточной части с учетом работы на переменных режимах 231
5.6.1. Макромоделирование и оптимизация параметров турбины КТ-40/32-6,4 232
5.6.2. ЦВД турбины К-120-6,4 для ПГУ-345 ХТЗ 235
ГЛАВА 6. ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕШЕТОК И СТУПЕНЕЙ ТУРБОМАШИН 240
6.1. Метод оптимизации основных геометрических параметров решеток профилей 242
6.1.1. Постановка задачи 242
6.1.2. Оптимизация рабочих решеток 243
6.1.3. Оптимизация сопловых решеток 244
6.1.4. Совместная оптимизация сопловых и рабочих решеток 244
6.2. Метода аналитического профилирования 245
6.2.1. Постановка задачи 245
6.2.2. Построение базовой кривой 246
6.2.3. Граничные условия и построение базового профиля 248
6.3. Разработка профилей оптимальной аэродинамической формы, удовлетворяющих прочностным и конструктивным требованиям 250
6.3.1. Постановка задачи 250
6.3.2. Оптимизация решетки профилей по геометрическому критерию качества 251
6.3.3. Оптимизация по минимуму профильных потерь 253
6.4. Примеры автоматизированного проектирования решеток профилей 253
6.5. Реализация метода предварительного проектирования многоступенчатой проточной части осевой турбины 263
6.5.1. Программная реализация и ее возможности 263
6.5.2. Примеры расчетов 265
6.6 О влиянии тангенциального навала на характеристики осевой турбинной ступени 267
ГЛАВА 7. ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ СТУПЕНЕЙ ТУРБИН 272
7.1. Постановка задачи об оптимальном пространственном профилировании ступеней турбин 274
7.2. Программная реализация. Комплекс программ Орtiтus 277
7.3. Примеры оптимального пространственного профилирования турбинных ступеней 280
ГЛАВА 8. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ 292
8.1. Общая постановка задачи оптимизации осевого компрессора 294
8.2. Оптимизация конструктивных лопаточных углов ступени осевого компрессора в осевых зазорах 298
8.3. Особенности оптимизации сверхзвуковых ступеней 312
8.4. Оптимизация параметров сложного навала и стреловидности лопаточных венцов компрессора 318
8.5. Численный пример оптимизации ступени компрессора 320
8.6. Постановка задачи оптимизации параметров многоступенчатого компрессора 331
Список литературы 336

Рассмотрен новый подход к решению комплексной многоуровневой задачи -оптимальному проектированию турбоустановки как сложной технической системы, с использованием блочно-иерархического процесса оптимизации, обеспечивающий максимум глобального критерия качества системы и её надёжность. Излагается задача об оптимальном пространственном профилировании ступеней турбин на базе современного численного метода расчета вязкого трёхмерного течения. Описаны вопросы оптимального проектирования проточной части оёёсевых компрессоров. Представлены комплексы программ, с использованием которых проведены расчёты и приводятся многочисленные примеры оптимального профилирования цилиндров, отсеков, ступеней и решеток осевых турбин и компрессоров как в квазидвумерной, так и трёхмерной постановке.
Для научных работников и специалистов по проектированию, расчёту и исследованию турбомашин. Полезна преподавателям, аспирантам и студентам старших курсов Технических Университетов.

'Aerodynamic Computation and Optimal Projection of Turbomachine Flow Paths'

A.V.Boiko, Yu.N.Govorushchenko, S.V.Yershov, A.V.Rusanov and S.D.Severin

“Aerodynamic Computation and Optimal Projection of Turbomachine Flow Paths”

Scientific monograph

CONTENTS

Preface5Chapter 1. Problem statement for the optimal projection of technical systems. General issues in turbomachine optimization13

1.1. Mathematical models and the problem of object projection

14

1.2. Methods of optimizing complicated technical devices

16

1.3. Construction of formal subsystem macromodels and numerical solutions for local optimization problems

20

1.4. Optimization of axial turbine flow path parameters

21Chapter 2. Mathematical modeling of turbomachinery elements25

2.1. Aerodynamic models

25

2.1.1 Modelling of axis-symmetric flows in axial turbine stages

25

2.1.2. Organization of the problem of thermal calculation of gas and steam axial turbine stages in section of clearance and solutions

33

2.1.3. Simplified methods for determining the inclination and curvature of stream lines along radius before and after the bladed wheel

44

2.1.4. Calculation of working medium’s flow through plane cascades

50

2.1.5. Automation of flow path computation for multistage turbines in variable regimes

51

2.2. Elaboration programs for calcualting the geometric, strength and gas dynamic characteristics of turbine profile cascades

59

2.2.1. Statistical evaluation of the geometric characteristics of profilecascades

59

2.2.2. Mathematical model for evaluating the reliability of nozzle functioning

65

2.2.3. Mathematical model for the functioning of bladed wheels

68

2.2.4. Vibration analysis

71

2.2.5. Calculation of gas dynamic characteristics of cascades

73

2.3. Modeling of conditions for working mediums and processes

77

2.4. Method for creating macromodels of axial turbine flow paths

82

2.4.1. Experiment planning

82

2.4.2. Dialog analysis FMM-PLAN program

87

2.5. MACTEP as a tool for calculating turbine flow path 89 Chapter 3. Modern methods for aerodynamic computation of turbine flow paths

89Chapter 3. Modern methods for aerodynamic computation of turbine flow paths107

3.1. The main approaches for the solution of the problem of three- dimensional viscous flow through a turbomachinery flow path

108

3.2. The Navier-Stokes equations. The thin-layer approximation

113

3.3. Reynolds averaging. Modelling of turbulent viscosity

119

3.3.1. Algebraic models of turbulent viscosity. Baldwin-Lomax model

121

3.3.2. Differential models of turbulent viscosity. SST Menter’s model

126

3.4. The main transformations of the governing equations

129

3.5. An initial boundary problem statement

134

3.6. Explicit-implicit ENO high-resolution scheme

143

3.7. Numerical implementation using FIowER

151

3.8. Computations of flow through cascade and turbomachinery stages

154

3.8.1. Flow in Langston cascade

154

3.8.2. Flow in Hodson cascade

155

3.8.3. Flow in Rotor 37

158

3.8.4. Flow through turbine stage

161

3.8.5. Flow through multistage turbomachines

161Chapter 4. Some information about problems with extremes and methods of searching for optimal solutions162

4.1. General issues in problems with extremes

162

4.1.1. Classification of optimization methods

162

4.1.2. Optimization of functions using differentiation

164

4.1.3. Problems of conditional extreme functions

166

4.1.4. Optimization with inequality restrictions

168

4.2. Non-linear programming

170

4.2.1. Subject of non-linear programming

170

4.2.2. Search for extreme function with one variable

172

4.2.3. Methods of optimization without restrictions

174

4.2.4. Methods of optimization with restrictions

181

4.3. Methods of direct searching

185

4.3.1. Method of direct searching by Hooke-Jeeves

185

4.3.2. Method by Nelder Mead

188

4.4. Pseudo-accidental search regarding initial and formal models

192Chapter 5. Optimal projection of flow path of multistage turbines197

5.1. Organization of the problem of one-dimensional and quasi-two-dimensional optimization

197

5.2. Analytical solutions

201

5.3. Optimization of multistage turbines using the nonlinear programming method

217

5.4. Automation of preliminary projection of flow path in multistage turbines

220

5.5. Research and optimization of multistage turbines using experiment planning

228

5.6. Optimization of flow path taking into account variable regimes of turbine operation

231

5.6.1. Macromodelling and parameter optimization of turbine KT-40/32-6,4

232

5.6.2. LPC of turbine K-120-6,4 for steam and gas installation 345 XT3

235Chapter 6. Optimal projection of turbine cascades and stages240

6.1. Method of optimization of basic geometric parameters of turbine cascades

242

6.1.1. Problem statement

242

6.1.2. Blade cascade optimization

243

6.1.3. Nozzle cascade optimization

244

6.1.4. Joint optimization of nozzle and blade cascades

244

6.2. Method of analytical profiling

245

6.2.1. Problem statement

245

6.2.2. Построение базовой кривой

246

6.2.3. Boundary conditions and basic profile description

248

6.3. Profile elaboration with optimal aerodynamic shape, meeting strength and design requirements

250

6.3.1. Problem statement

250

6.3.2. Cascade optimization using geometric quality criteria

251

6.3.3. Optimization using minimum profile losses

253

6.4. Examples of automated cascade design

253

6.5. Implementation of the preliminary projection method for multistage axial turbine flow paths

263

6.5.1. Program implementation and potentialities

263

6.5.2. Examples of calculations

265

6.6. Iinfluence of tangential lean on characteristics of axial turbine stages

267Chapter 7. Optimal three-dimensional shaping of turbine stages272

7.1. Problem statement for optimal 3D shaping of turbine stages

274

7.2. Numerical implementation using Optimus

277

7.3. Examples of optimal 3D shaping of turbine stages

280Chapter 8. Optimization of compressor flow paths292

8.1. General optimization of axial compressor flow path

294

8.2. Optimization of constructive blade angles and axial compressor flow paths in axial clearances

298

8.3. Special features of the optimization of supersonic compressor stages

312

8.4. Optimization of parameters for complicated inclination and arrow-shaped bladed compressor wheels

318

8.5. Numerical example of optimal compressor stage

320

8.6. Problem statement for optimization of parameters of multistage compressor

331References336

A new approach to the computation of complicated multilevel problems for the optimal projection of turbomachinery has been examined using a block-hierarchical optimization process that guarantees the global quality criteria maximum and reliability.
Quasi-two-dimensional aerodynamic models of turbine stages, widely used for the optimization of flow paths in turbomachines, models of working mediums and processes, programs for calculating the geometric, strength and gas dynamic characteristics of cascades of turbine profiles, which are crucial for the optimization of turbomachines, are presented.
The basic requirements are formulated, based on which different numeric methods for the computation of viscous non-stationary and non-linear three-dimensional problems of gas dynamics are analysed.
New schemes for solving formulated problems are proposed.
In conformity with the task formulated – optimization of turbomachines, information about problems with extremes and methods of searching for optimal solutions is given.
In the monograph the experience of designers of effective turbine cascades and axial flow paths accumulated during recent decades is collected, summarized, analysed and processed. The combination of programs is presented which allows in PC-Designer dialog to discover the optimal solution taking into account the strength, technological and other restrictions.
In fact, the book describes the set of tools’ creation and mathematical apparatus for the optimization of complicated technical systems to create new optimal turbomachinery’ design.
The solution of the problem of spatial projection of turbine stages, based on modern numerical methods of computing viscous three-dimensional flow is presented.
Some issues for the optimal projection of flow paths of axial compressors are discussed.
The range of programs (MACTEP, FlowER, ATЛAC, Optimus) used in the computations is described and numerous examples of optimal design stages and cascades of axial turbines and compressors are presented.
For researchers and experts in calculation, design and research on turbomachines. Useful for University faculty members, post-graduate students and senior students of Technical Universities.

Научная монография

Бойко А.В., Гаркуша А.В. 

«АЭРОДИНАМИКА ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН: РАСЧЁТЫ, ИССЛЕДОВАНИЯ, ОПТИМИЗАЦИЯ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ»

Бойко А.В., Гаркуша А.В. 
“Аэродинамика проточной части паровых и газовых турбин: расчёты, исследования, оптимизация, проектирование”
Научная монография
Харьков “ХГПУ” 1999, 360с

Оглавление
Предисловие 3
Основные условные обозначения 5
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ОСЕВЫХ ТУРБИН 7
1.1. Общие положения 7
1.2. Основные предположения, используемые уравнения и соотношения 11
1.3. Определение потерь в решетках осевой турбинной ступени 15
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО КОЛИЧЕСТВА СТУПЕНЕЙ В ОТСЕКЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕПАДОВ МЕЖДУ СТУПЕНЯМИ 26
2.1. Распределение теплоперепадов между ступенями в группе турбинных ступеней при заданном законе изменения осевой составляющей скорости вдоль отсека 28
2.2. Распределение теплоперепадов между ступенями в группе турбинных ступеней при заданной форме проточной части 47
2.3. Результаты расчетного исследования группы и одиночных 61
2.4. Предварительная оценка режимных и геометрических характеристик ступени в области, близкой к оптимальной 67
ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ОСЕВОЙ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ ВДОЛЬ РАДИУСА С УЧЕТОМ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ТЕЧЕНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА 76
3.1. Математическое моделирование пространственного течения в ступени осевой турбины 78
3.2. Уравнения прямой осесимметричной задачи ступени газовой турбины в полуфиксированной системе координат 84
3.3. Математическая модель осесимметричного течения в ступени паровой турбины 88
3.4. Расчет осесимметричных течений сжимаемой жидкости в проточной части осевых турбин в общей постановке 92
3.5. Постановка задачи теплового расчета газовой и паровой осевой турбинной ступени по сечениям в зазорах и методы ее решения 103
3.6. Оптимизация параметров осевой турбинной ступени 116
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПРОТЕЧЕК НА ОПТИМАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ЗАКРУТКИ ВЕНЦОВ ОСЕВЫХ ТУРБИННЫХ СТУПЕНЕЙ 125
4.1. Расчет величин протечек и потерь от них в осевой турбинной ступени 125
4.2. Упрощенный метод определения наклона и кривизны линий тока вдоль радиуса в сечениях перед и за рабочим колесом 137
4.3. Расчетное исследование влияния протечек на оптимальные законы закруток направляющих и рабочих колес в широком диапазоне изменения отношения Dcp/ℓ 142
4.3.1. Влияние утечки через радиальный зазор 143
4.3.2. Влияние подсоса в корневой зазор 152
4.4.  Пространственная оптимизация осевой турбинной ступени с учетом протечек 153
ГЛАВА 5. ПОСТРОЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ С ПОМОЩЬЮ ЭВМ 161
5.1. Построение турбинных профилей с помощью степенных многочленов 162
5.2. Алгоритм построения оптимального профиля по геометрическому критерию качества 169
5.3. Метод проектирования аэродинамически совершенных профилей по минимуму профильных потерь 178
5.4. Результаты профилирования с помощью разработанных алгоритмов 182
5.4.1. Конфузорные решетки профилей 182
5.4.2. Диффузорные турбинные решетки профилей 193
ГЛАВА 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСХОДНЫХ И ВНОВЬ СПРОЕКТИРОВАННЫХ ПРОФИЛЕЙ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК И СТУПЕНЕЙ ОСЕВЫХ ТУРБИН 197
6.1. Исследование профильных потерь в аэродинамической трубе 198
6.1 1. Результаты продувок конфузорных решеток профилей 199
6.1.2. Экспериментальное исследование диффузорных турбинных решеток профилей 204
6.2. Экспериментальное исследование осевых турбинных ступеней 208
6.2.1. Результаты экспериментального исследования ступеней с Dcp/ℓ =14.12 209
6.2.2 Исследование ступеней сDcp/ℓ=3.6 220
6.2.3. Экспериментальное исследование ступеней с Dcp/ℓ=2,6. 222
ГЛАВА 7.СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТУПЕНЕЙ ТУРБИНЫ С РЕЗКИМ РАСКРЫТИЕМ МЕРИДИОНАЛЬНЫХ ОЧЕРТАНИЙ 228
7.1. Аэродинамичекие характеристики ступеней турбины без перекрыши при различной конусности меридиональных очертаний и типах закрутки лопаток 230
7.2. Взаимное влияние перекрыши в межвенцовом зазоре, угла конусности очертаний и типа закрутки сопловых решеток 237
7.3. Выбор межвенцового зазора в ступенях с увеличенной перекрышей 245
ГЛАВА 8. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕЧЕНИЯ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОЧЕРТАНИЙ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИНЫ 249
8.1. Течение закрученного потока в ступенчатых диффузорах 250
8.2. Течение закрученного потока в ступенчатых диффузорах с сопротивлением на выходе 258
8.3. Влияние отдельных факторов на течение потока в ступенчатых диффузорах 266
8.4. Методика расчета оптимальной формы меридиональных очертаний 270
8.5. Эффективность кольцевых пазов, выполненных в области перекрыши, и уменьшения шага сопловых решеток 284
ГЛАВА 9. РАБОТА ПОСЛЕДНЕЙ СТУПЕНИ В ПЕРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ И МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ЕЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК . 291
9.1. Особенности работы ступеней в переменном режиме 291
9.2. Основные принципы проектирования последних ступеней турбины, экономичных в широком диапазоне режимов работы 299
9.3. Аэродинамические характеристики крупномасштабной модели последней ступени для турбин мощностью 500 и 1000 МВт 311
9.4. Особенности течения в выпускных патрубках при переменных режимах работы 318
9.5. Управление отрывом потока за последней ступенью турбины 329
Список литературы 335

:Харьков «ХГПУ», 1999, 360с

Рассмотрены методы оптимального проектирования проточной части паровых и газовых турбин, основанные на использовании принципов нелинейного программирования. Приведена методика проектирования высокоэкономичных турбинных профилей. Даны основные принципы проектирования последней ступени турбины для работы в широком диапазоне режимов с учетом влияния выпускного патрубка, методика расчета оптимальной формы меридиональных очертаний проточной части.
Для научных работников и специалистов по проектированию, расчету и исследованиям осевых турбин.

“Aerodynamics of flow pass of steam and gas turbines: calculations, researches, optimization, designing”, 390 pp., Kharkiv, Ukraine, 1999, Russian language. Authors: A.V.Boiko, A.V.Garkusha
The monograph presents theoretical fundamentals and modern methods of steam and gas turbine flow pass design-optimization based on nonlinear programming principles. Common strategy of optimization for the whole turbine flow pass: HPC, MPC and LPC are examined and offered.
The following problems are discussed and methods of its calculation suggested: procedure of calculation of optimal stage number in multi-stage turbine and flow parameters between stages; parameters’ optimization along the radius of axial-turbine-stage taking into account of three-dimensional flow of working medium; method of solution of direct axial-symmetric flow problem in gas and steam turbine stage; the optimal geometrical and gas dynamic stage parameters calculation by means of numerical optimization; the procedure of a computer-aided design of aerodynamically highly efficient turbine profiles using different quality criteria. Experimental results of wind tunnel research and the tests of initial rotating model turbines as well as a newly designing according to the proposed and developed optimization algorithms are described.
Based on the physical phenomenon study of axial and rolled flow in stage diffusers as well as a results of testing turbine stage the procedure of estimating an optimal meridional contour shape of low pressure cylinder flow pass in steam turbines has been developed. The main principles and methods of designing the last turbine stage with high efficiency flow shape and stability in variable regime have been formulated. The flow of the turbine outlet manifolds in variable regime have been analyzed in terms of their partial loads and methods of decreasing of separated zones have been developed.