Comparison of Compound Lean Nozzles and Controlled Flow Nozzles at Off-Design

Abstract

Turbokoneet ja etenkin höyryturbiinit ovat usein suunniteltu ja optimoitu toimimaan tietyssä toimintapisteessä jossa häviöt on minimoitu ja hyötysuhde maksimoitu. Joissakin tapauksissa on kuitenkin tarpeellista käyttää turbiinia toimintapisteen ulkopuolella. Tällöin turbiinin läpi virtaava massavirta muuttuu ja yleensä heikentää hyötysuhdetta. Turbokoneiden suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä kolmidimensionaalisesti muotoiltuja siipiä. Työssä on vertailtu laskennallisesti kahta kohtuullisesti muotoiltua suutinta (Compound lean ja Controlled flow) niiden suunnitellun toimintapisteen ulkopuolella. Kolmas suutin, ilman kolmidimensionaalista muotoilua on mukana vertailukohteena. Suutinten suorituskykyä tutkitaan laskennallisen virtausmekaniikan avulla olosuhteissa, jotka ovat toimintapisteen ulkopuolella. Virtauksen muutoksia tutkitaan kokonaispainehäviön, isentrooppisen hyötysuhteen ja virtauspinnan yhdenmukaisuuden avulla. Virtauspintoja verrataan ulosvirtauskulman, massavirran ja toisiovirtausvektoreiden jakauman avulla. Erot suutinten suorituskykyvyssä korostavat ylikuormalla. Kun massavirran arvoa on kohotettu eniten, Compound lean suuttimilla hyötysuhde laskee Controlled flow suuttimeen verrattuna vähemmän. Alikuormalla, kun massavirran arvoa lasketaan, erot suuttimien suorituskyvyssä pienenevät ja tutkittujen suuttimien ulosvirtaus on samankaltainen.

Turbomachines like steam turbines are often designed and optimized for a specific load, where the losses are minimized and efficiency is maximized. On some instances, it is necessary to operate a turbine at different conditions as it was designed for, in so called off-design conditions. This causes changes in massflow through the turbine, resulting usually in a lowered efficiency. The performance of turbomachines can be improved by the application of three-dimensionally shaped bladings. In the study two moderately shaped nozzles, compound lean nozzles and controlled flow nozzles, are compared numerically in the conditions reflecting to out of nominal operating point. A third nozzle, without three-dimensional shaping, is included to serve as a reference. The performance of the nozzles at off-design conditions is studied by the means of Computational Fluid Dynamics (CFD). The changes in the flow are investigated in respect to total pressure losses, isentropic efficiency and flow field homogeneity. The flow fields are compared with distributions of outlet flow angle, massflow and secondary velocity vectors. The differences of the nozzles performances are highlighted at high overload, where the massflow was increased the most. The compound lean nozzles performed with a less drop in efficiency as the controlled flow nozzles. At part load, at lower massflow, the differences of the nozzle’s performance become smaller and the outflows of the investigated nozzles are similar to each other.