Wraz z rozwojem numerycznej mechaniki płynów i wzrostem mocy obliczeniowej komputerów źródłem wiedzy o przepływie w maszynach wirnikowych są także badania w oparciu o programy numeryczne rozwiązujące układ równań opisujących przepływ w geometrii trójwymiarowej. Badania te dostarczają nowych rezultatów stanowiących uzupełnienie wyników badań eksperymentalnych na obiektach rzeczywistych i modelowych oraz rezultatów analizy na gruncie teoretycznej mechaniki płynów. Pozwalają na wyszukiwanie nowych bardziej efektywnych rozwiązań układów łopatkowych charakteryzujących się wysoką sprawnością przepływu. 

Praca składa się z 8-miu rozdziałów. Jako podstawowe cele pracy przyjęto: 1. przedstawienie i dyskusję modelu matematycznego przepływu w turbinie i jego realizacji numerycznej, a także ocenę jakości otrzymanych rozwiązań przepływu w oparciu o dostępny materiał eksperymentalny; 2. omówienie głównych źródeł strat przepływu w układach łopatkowych turbin wraz z przedstawieniem wyników własnych badań w tej dziedzinie; 3. określenie możliwości podniesienia sprawności przepływowej stopni turbinowych poprzez modyfikacje geometryczne kanałów łopatkowych, w tym poprzez optymalizację kształtu przestrzennego łopatek; 4. zbadanie aerodynamiki układów łopatkowych pracujących w warunkach zmiennego obciążenia. 

W pierwszej części pracy przedstawiono model matematyczny przepływu czynnika lepkiego i ściśliwego w kanałach cieplnych maszyn wirnikowych oparty na układzie równań RANS i jego realizację numeryczną. Na podstawie wyników własnych prac w oparciu o programy FlowER i Fluent omówiono kwestię wyboru modelu turbulencji i równania stanu gazu oraz przeprowadzono analizę modelu źródło/upust dla uwzględnienia efektów oddziaływania przepływów nieszczelności z przepływem głównym. Weryfikacje na materiale eksperymentalnym pokazały, że obliczenia w oparciu o model RANS pozwalają na zbadanie podstawowych właściwości przepływu trójwymiarowego w kanałach cieplnych maszyn wirnikowych. Oszacowania sprawności przepływu mogą być co prawda obarczone błędem na poziomie 1-2 pkt.%, jednakże na podstawie obliczeń z łatwością można odczytać trendy zmian sprawności przy zmianie obciążenia i przy zmianie geometrii, co stanowi podstawę kształtowania przestrzennego kanałów łopatkowych i innych metod podnoszenia sprawności przepływu (również o przyrosty sprawności poniżej 1 pkt.%). Konfrontacja rezultatów badań numerycznych i eksperymentalnych jest inspiracją do dalszych prac zmierzających do wyjaśnienia przyczyn ewentualnych rozbieżności i rozbudowy narzędzi obliczeniowych. 

Znajomość mechanizmów generacji strat w przepływie ma podstawowe znaczenie dla podnoszenia sprawności przepływu. W związku z tym w pracy omówiono główne źródła strat przepływu w układach łopatkowych turbin i przedstawiono rozwinięcie znanych z literatury przedmiotu metod teoretycznej oceny strat cząstkowych. Weryfikacja w oparciu o korelacje eksperymentalne i wyniki badań eksperymentalnych pozwala na stwierdzenie, że otrzymane wyrażenia opisujące straty przepływu w warstwach przyściennych na profilu i przy ograniczeniach zewnętrznych oraz w obszarze wpływu przecieku nadłopatkowego opisują dość dobrze poziom strat cząstkowych w palisadach o małym i średnim odchyleniu przepływu. Pokazano, że obliczenia numeryczne przepływu trójwymiarowego ułatwiają zrozumienie zjawisk przepływowych i źródeł strat w turbinach. Pozwalają na szczegółowe wyjaśnienie efektów znanych skądinąd, takich jak wpływ względnej wysokości łopatki na poziom strat w obszarze przepływów wtórnych, czy też wpływ względnej wysokości szczeliny nadłopatkowej na poziom strat przecieku. Wzbogacają wiedzę odnośnie zjawisk wcześniej słabo rozpoznanych, takich jak choćby wpływ odchylenia przepływu w palisadzie na charakter oddziaływania przecieku nadłopatkowego i wiru kanałowego, czy też kształtowanie się przepływów wtórnych w warunkach silnie nienominalnego napływu na powierzchnię ssącą, oddziaływanie śladów spływowych oraz przecieku nadbandażowego i nadłopatkowego (nad łopatką wolnonośną) z przepływem głównym i przepływami wtórnymi w obszarze wieńca położonego w dół przepływu. 

Podnoszenie sprawności przepływowej układów łopatkowych jest źródłem korzyści finansowych i ekologicznych. Na bazie własnych obliczeń numerycznych oszacowano możliwości poprawy sprawności stopni turbinowych poprzez przestrzenne kształtowanie łopatek. Określono podstawowe formy kształtowania przestrzennego łopatek, którymi są proste (liniowe) lub złożone (nieliniowe) pochylenie obwodowe, pochylenie osiowe, ewentualnie skręcenie łopatek. Jak stwierdzono w pracy miejscem znacznych korzyści z kształtowania przestrzennego łopatek jest część niskoprężna turbin, szczególnie stopnie wylotowe. Sprzyjające podnoszeniu sprawności są konstrukcje prowadzące do redukcji gradientu reakcyjności wzdłuż wysokości kanału przepływowego, co przynosi odciążenie przeciążonych i dociążenie słabo obciążonych części kanału, zmniejszenie poziomu strat w warstwach przyściennych, w obszarze krawędzi wylotowych, redukcję intensywności fal uderzeniowych, ograniczenie ryzyka wystąpienia fal uderzeniowych na wlocie do wirnika, redukcję zasięgu obszaru oderwania w wirniku przy stopie oraz zmniejszenie strat przecieku nadłopatkowego. Przyrosty sprawności zależą od sposobu modyfikacji geometrii oraz obciążenia stopnia. Mogą nawet przekraczać 2 pkt.% w skali stopnia. Pochylenia obwodowe łopatki kierowniczej stanowią przy tym sposób na znaczne podniesienie sprawności części przepływowej stopnia wylotowego dla niskich obciążeń. Bardziej sprzyjające w całym zakresie obciążeń są pochylenia osiowe. Największe przyrosty sprawności można otrzymać z kombinacji pochyleń osiowych i obwodowych. Zbadano także możliwości podniesienia sprawności przepływu poprzez modyfikacje geometryczne w obszarze wpływu przecieku nadłopatkowego i w obszarze uszczelnienia nadbandażowego zmierzające do zmniejszenia strat mieszania przecieku z przepływem głównym i ograniczenia skutków nienominalnego napływu na następny wieniec łopatkowy. Rozważano także modyfikacje ograniczeń merydionalnych kanałów. Możliwy wzrost sprawności w wyniku powyższych zabiegów oszacowano na 1-2 pkt.% w zależności od modyfikacji. 

W pracy przedstawiono też sformułowanie i rozwiązanie zagadnienia optymalizacji bezpośredniej z ograniczeniami dwuwieńcowych stopni turbinowych w oparciu o solwer układu równań RANS oraz metodę simpleksową Neldera-Meada. Wśród optymalizowanych parametrów uwzględniono: liczbę oraz kąt ustawienia łopatek kierowniczych i wirnikowych, kąty liniowego skręcenia oraz pochylenia osiowego i obwodowego łopatki, parametry pochylenia szablowego obwodowego i osiowego. Jako funkcję celu do minimalizacji przyjęto straty entalpii w stopniu bez lub z uwzględnieniem energii wylotowej. Wprowadzono ograniczenia na zmiany reakcyjności, kąta wylotowego i masowego natężenia przepływu. Otrzymano nowe rozwiązania charakteryzujące się znacznie podniesioną sprawnością. Do wiodących kierunków rozwoju układów łopatkowych turbin należy ich uelastycznianie i przystosowywanie do pracy w warunkach zmiennych obciążeń z zachowaniem wysokiej sprawności w całym zakresie pracy. Zmienne obciążenia układów łopatkowych pojawiają się m.in. w regulacji mocy turbozespołów, w związku z kogeneracją energii elektrycznej i ciepła w turbinach ciepłowniczych lub przy sezonowych zmianach ciśnienia w kondensatorze. 

Jednym ze sposobów dostosowania układu łopatkowego turbin upustowo-kondensacyjnych do pracy w warunkach zmiennych obciążeń jest regulacja adaptacyjna w oparciu o stopień adaptacyjny o zmiennej geometrii. Prowadzono analizę numeryczną efektów regulacji adaptacyjnej w grupie stopni części NP turbiny dużej mocy w oparciu o rozwiązanie konstrukcyjne stopnia adaptacyjnego z przestawną (obracaną) kierownicą. Pokazano, że w przypadku odprowadzenia pary do upustu regulacja adaptacyjna stopnia położonego bezpośrednio w dół przepływu od upustu pozwala na wykorzystanie przez układ łopatkowy pełnego dostępnego spadku ciśnienia i uniknięcie ekspansji pozałopatkowych. W wyniku tego można uzyskać znaczny spadek strat przepływowych, szczególnie w stopniu wylotowym. Obliczono, że w badanej turbinie ciepłowniczej o mocy 60 MW, w przypadku odprowadzenia 10% masowego natężenia przepływu pary do upustu bezpośrednio przed grupą dwóch ostatnich stopni części NP, zyski mocy sięgają średnio 2,5 MW na każdy stopień z tej grupy. 

Ważną rolę w regulacji mocy turbiny spełnia regulacja grupowa (napełnieniowa). Pozwala na utrzymanie wysokiej sprawności przepływowej w zakresie niskich obciążeń, jednakże wymaga zastosowania stopnia regulacyjnego zasilanego na części obwodu, który jest źródłem niesymetrii obwodowej w rozkładzie parametrów przepływu i dodatkowych niestacjonarnych obciążeń wirnika. Obliczenia numerycznie przepływu trójwymiarowego pary w pełnej geometrii stopnia regulacyjnego turbiny T13K215 o mocy 200 MW zasilanego z czterech króćców wlotowych pozwoliły na zbadanie poziomu niejednorodności obwodowej w charakterystycznych przekrojach stopnia regulacyjnego, m.in. za kierownicą, za wirnikiem, w komorze stopnia regulacyjnego i na wlocie do części wysokoprężnej turbiny. Wskazały na "osobliwości" w przepływie w pobliżu granic zasilania, dzięki którym niestacjonarne obciążenia pojedynczych łopatek wirnikowych stopnia regulacyjnego w momencie wejścia i wyjścia z obszaru zasilania znacznie przekraczają wartości średniego obciążenia w obszarze zasilania. Stwierdzono także znaczne wartości składowej niestacjonarnej obciążeń całego wirnika w obecności pulsacji ciśnienia na wlocie do skrzynek dyszowych oraz w przypadku niejednorodności geometrycznych kanałów łopatkowych lub rozstrojenia łopatek. Wykonano także analizę harmoniczną zmian obciążeń, która dostarcza informacji istotnych z punktu widzenia dynamiki wału turbozespołu i oceny ryzyka wystąpienia rezonansu w układzie.