автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Компьютерное моделирование теплообмена в охлаждаемых лопатках газовых турбин

77 ' </./ / с?,?^ ~ 7

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ (ВТУЗ-ЛМЗ)

гиУ

/ / На правах рукописи

//

Вохмянин Сергей Михайлович

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕПЛООБМЕНА В ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТКАХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................. 5

ГЛАВА 1. НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ,

ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ТЕПЛООБМЕНА В ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТКАХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН .........................................................10

1.1. Теплообмен в охлаждаемых лопатках газовых турбин -

как объект компьютерного моделирования......................10

1.2. Информационное моделирование экспериментальных исследований..........................................................................13

1.3. Теплообмен между газом и профильной частью лопаток . 16

1.4. Расчет параметров охладителя в системах охлаждения

лопаток газовых турбин..................................18

1.5. Моделирование температурного состояния охлаждаемых лопаток газовых турбин .....................................................20

1.6. Формулировка цели и постановка задач

диссертационной работы....................................24

ГЛАВА 2. ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБТЕКАНИЯ И ТЕПЛООТДАЧИ К ПРОФИЛЯМ ЛОПАТОК, РАСХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ

ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН... 26

2.1. Предметная область БД "LAMBDA".............................30

2.2. Предметная область БД "ALFA".......................37

2.3. Предметная область БД "GIDRA-TERM" ......................43

2.4. Выбор системы управления базами данных....................57

2.5. Компьютерная реализация баз данных. Автоматизированные банки данных для разработки математических моделей теплообмена в охлаждаемых лопатках газовых турбин.............................................61

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ ГАЗОМ И ПРОФИЛЬНОЙ ЧАСТЬЮ

ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН. . 66

3.1. Определение границ участков с различными режимами

течения потока в пограничном слое ..................................66

3.1.1. Определение координаты начала перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный......................................66

3.1.2. Определение координаты конца перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный....................................85

3.1.3. Определение протяженности участков с отрывом пограничного слоя ..............................................................89

3.2. Расчет коэффициентов теплоотдачи на участках профилей с различными режимами течения потока в пограничном слое ................................................................102

3.3. Учет влияния температурного фактора и продольной неизотермичности поверхности профильной части

лопатки на локальный теплообмен ....................................110

3.4. Расчет теплоотдачи при вдуве охладителя в

пограничный слой на поверхности лопатки......................117

3.5. Программа ALFA для моделирования теплообмена между газом и профильной частью лопаток газовых

турбин..................................................123

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАДИТЕЛЯ В СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН............................................................125

4.1. Методика и численная реализация расчета параметров охладителя ............................................................................125

4.2. Расчет коэффициентов гидравлического сопротивления

в элементах систем охлаждения..........................................133

4.3. Расчет коэффициентов теплоотдачи в элементах систем охлаждения ..........................................................................142

4.4. Компьютерная программа GIDRA по расчету

параметров охладителя ........................................................152

4.4.1. Особенности программы GIDRA........................................152

4.4.2. Расширение и модификация пользователем библиотеки подпрограмм по расчету значений коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи для

различных типов каналов ....................................................154

4.5. Сопоставление расчетных и экспериментальных расходных характеристик систем охлаждения лопаток

газовых турбин......................................................................161

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ЧАСТЕЙ

ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН... 168

5.1. Использование метода конечных элементов для моделирования температурного состояния охлаждаемых лопаток..................................................................................168

5.2. Учет теплоотвода в каналах для выдува охладителя на поверхность лопаток с конвективно-пленочным охлаждением при моделировании их температурного

состояния в двумерной постановке......................................175

5.3. Учет термобарьерных покрытий при моделировании температурного состояния охлаждаемых лопаток

газовых турбин......................................................................181

5.4. Расчет напряженного состояния охлаждаемых лопаток .. 185 ГЛАВА 6. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС COLD ДЛЯ

МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА В

ПРОФИЛЬНЫХ ЧАСТЯХ ОХЛАЖДАЕМЫХ

ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН........................................190

6.1. Общее описание комплекса COLD ....................................190

6.2. Программный модуль UPI................................................197

6.3. Автоматизированный банк данных PROFIL ..................201

6.4. Автоматизированный банк данных METALL..........206

6.5. Моделирование теплообмена в профильных частях охлаждаемых лопаток в квазитрехмерной постановке ... 206

6.6. Управление температурным состоянием охлаждаемых

лопаток с помощью термобарьерных покрытий................211

6.7. Повышение эффективности конвективно-пленочного охлаждения лопаток с термобарьерным покрытием.... 219

6.8. Сопоставление результатов работы комплекса COLD

с экспериментальными данными..........................................223

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................. 232

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................... 236

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время генеральным направлением развития как отечественного, так и зарубежного газотурбостроения является рост параметров рабочего тела на входе в турбину (прежде всего температуры), что, как известно, ведет к повышению КПД и удельной мощности установки, снижению ее удельных массы, габаритов, стоимости.

На рис. 1 демонстрируются тенденции изменения за последние несколько десятилетий основных показателей стационарных ГТУ ведущих турбиностроитель-ных фирм мира [18].

Т,с

1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700

1 -&

л я

1 • О □ пХ

1 ■ □ /1 ^—......7

3 ♦ о

4 ▼ V А; В

и/1 ►И

/ /о

//

У

М1П,МВт

200

100

1 • л

2 ■ 3 4 ► • шГ и /

4 Т Р / /

■4 У- и

**

1970 1980 1990 2000 Календарные годы

7]гту,%

1960 1970 1980 1990 2000 Календарные годы

1 •

2 ■

3 ♦

4 ▼

1970 1980 1990 2000 Календарные годы

Рис. 1. Существующие тенденции изменения начальной температуры газа Т ,

мощности Мол и КПД Т|гту для стационарных ГТУ. А - средняя температура торможения на входе в рабочие лопатки 1-й ступени турбины; В - средняя температура торможения на выходе из камеры сгорания; 1 - ГТУ фирмы "Вестингауз"; 2 - "Дженерал Электрик"; 3 - "Сименс"; 4 - АББ.

Рост начальной температуры газа порождает проблему обеспечения работоспособности элементов ГТУ, подверженных воздействию высоких температур газа в сочетании с большими внешними нагрузками. Эта проблема решается с одной стороны совершенствованием конструкционных материалов и технологии изготовления деталей ГТУ, контактирующих с высокотемпературным рабочим телом, с другой стороны - разработкой и внедрением различных систем охлаждения.

Соотношение темпов освоенного уровня начальных температур газа в авиационных ГТД, достигнутый за счет охлаждения деталей и увеличения жаропрочности конструкционных материалов, представлено на рис.2 [74]. Из графика на рис.2 видно, что охлаждение элементов ГТУ обеспечивает существенно большие темпы роста температур, чем совершенствование материалов.

Рис. 2. Повышение начальной температуры газа в авиационных ГТД за счет охлаждения деталей (1) и увеличения жаропрочности материалов (2) .

Этот же вывод подтвержден и в работах [90,86]. "С внедрением воздушного охлаждения среднегодовой темп увеличения температуры газа перед турбиной возрос более чем в два раза по сравнению с периодом, когда применялись не-охлаждаемые ГТУ" [86].

Вместе с тем, использование охлаждения значительно усложняет и удорожает конструкцию турбины, становится источником широкого спектра дополнитель-

ных потерь термодинамического и газодинамического характера [84,52]. Это обстоятельство накладывает на системы охлаждения требования предельной рациональности и экономичности. Следует учесть еще и то, что особую остроту проблеме повышения экономичности ГТУ в современных условиях придает рост цен на первичные энергоресурсы и электрическую энергию.

Из всех элементов высокотемпературного тракта ГТУ в наиболее напряженных условиях работает лопаточный аппарат турбины, степень совершенства которого во многом определяет уровень экономичности и надежности не только турбины, но и всей ГТУ.

Оценка надежности работы охлаждаемого лопаточного аппарата непосредственно базируется на знании его температурного состояния.

С ростом начальных температур газа возрастают требования к точности расчета температурных полей, так как неконтролируемое на этапе проектирования увеличение температуры металла лопаток в несколько десятков градусов способно в эксплуатационных условиях резко снизить его прочностные характеристики. Как показано в работе [71], для современных ГТД относительная погрешность расчета температуры в элементах турбины не должна превышать ± 3%. Для стационарных энергетических ГТУ при уровне температуры металла 800...850 °С этой точности соответствует максимальная абсолютная погрешность примерно ± 25°С.

Достижение указанной точности расчета температурных полей сдерживается сравнительно большими погрешностями определения коэффициентов теплоотдачи со стороны газа и охладителя (соответственно ± 15% и ± 10%), расходов охладителя и коэффициентов гидравлических сопротивлений в каналах тракта системы охлаждения (до ± 4 %), а также теплофизических характеристик участвующих в теплообмене тел (до ± 1 %) [86].

Поэтому в условиях высоких температур газа и интенсификации процессов охлаждения степень достоверности используемых математических моделей теплообмена выступает решающим фактором, определяющим успех создания надежных охлаждаемых лопаток и высокоэффективных систем их охлаждения.

Достижение требуемого уровня достоверности математических моделей возможно только при условии их построения на базе предельно доступного по объему и разнообразного по содержанию экспериментального материала, использования надежных и апробированных существующих методик и зависимостей, а также проведения новых исследований по проблемным вопросам.

Известно, что теплообмен в охлаждаемых лопатках, как и всякое другое сложное явление, изучался и продолжает изучаться с использованием метода декомпозиции, т.е. расчленения некоторого сложного объекта исследования на несколько более простых. Вместе с тем, нынешний этап моделирования теплообмена позволяет произвести интеграцию с позиций системного подхода всех взаимосвязанных процессов теплообмена в единую модель, и раскрыть, таким образом, еще не реализованный потенциал точности.

Эта задача может быть успешно решена путем применения современных компьютерных технологий и, в частности, компьютерного моделирования.

Разработка интегрированной компьютерной модели, в которой нашли бы воплощение последние достижения в изучении теплообмена в охлаждаемых лопатках газовых турбин, является основной целью настоящей диссертационной работы.

Поставленная цель определила направленность диссертации на решение важной научно-технической проблемы современного газотурбостроения - повышения надежности охлаждаемых лопаток и эффективности систем их охлаждения.

Диссертационная работа содержит шесть глав.

В первой главе проведен анализ опубликованных данных по некоторым проблемным вопросам моделирования теплообмена в охлаждаемых лопатках газовых турбин, на основе которого сформулирована цель и поставлены задачи диссертации.

Во второй главе выполнено информационное моделирование экспериментальных работ по изучению обтекания и теплоотдачи к профилям лопаток, расходных характеристик и температурного состояния охлаждаемых лопаток газовых турбин. Описана система баз данных экспериментальных исследований, а также методология ее создания. В рамках работ по первой главе собраны, систематизированы и перенесены на машинные носители информации сведения о 1187 режимах испытаний 119 вариантов исследованных конструкций пятнадцати решеток охлаждаемых лопаток основных отечественных стационарных газовых турбин. Значительная часть экспериментов выполнена под руководством и при личном участии автора. Разработано четыре автоматизированных банка данных по отработке на экспериментальном материале математических моделей, алгоритмов и компьютерных программ, описываемых в диссертационной работе.

Третья глава посвящена моделированию теплообмена между газом и профильной частью лопаток при их конвективном и конвективно-пленочном охлаждении. Модель построена в плоской квазисопряженной постановке и реализована в виде компьютерной программы ALFA, функционирующей в среде программного комплекса COLD. Приводится сопоставление расчетных и экспериментальных распределений коэффициентов теплоотдачи вдоль обводов профилей при их безотрывном обтекании и при наличии локальных отрывов на вогнутых поверхностях лопаток, что может иметь место как на номинальном, так и на переменных режимах работы турбины.

В четвертой главе излагается методика и соответствующая компьютерная программа GIDRA по расчету параметров охладителя (давлений, расходов, температур, коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи) в системах охлаждения лопаток газовых турбин. Приводится сопоставление расчетных и экспериментальных гидравлических характеристик систем охлаждения лопаток, содержащихся в базах данных.

В пятой главе описывается математическая модель двумерного нестационарного температурного состояния охлаждаемых лопаток, учитывающая такие их особенности, как наличие термобарьерных покрытий и каналов для вывода охладителя на поверхность лопаток при пленочном охлаждении.

В шестой главе представлено описание разработанного программного комплекса COLD, дающего возможность моделировать теплообмен в охлаждаемых лопатках в двумерной квазисопряженной постановке. Высокая надежность и эффективность работы комплекса обеспечивается благодаря включению в его состав многофункциональной системы управления текстовыми и графическими файлами, автоматизированных банков данных по лопаточным профилям и конструкционным материалам, программы по расчету напряженного состояния, и т.д. Показана возможность моделирования теплообмена в профильных частях охлаждаемых лопаток в квазитрехмерной постановке. Демонстрируется возможность управления температурным состоянием лопаток, а также возможность повышения эффективности пленочного охлаждения с помощью термобарьерных покрытий. Приводится сопоставление результатов расчета температурных полей с экспериментальными данными, полученными на моделях.

ГЛАВА 1.

НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ТЕПЛООБМЕНА В ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТКАХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

1.1. Теплообмен в охлаждаемых лопатках газовых турбин -как объект компьютерного моделирования

Известно, что моделирование является одним из основных методов познания действительности. Спектр разновидностей моделирования чрезвычайно широк, и особое место в нем занимает моделирование математическое. Естественное стремление человека глубже познать окружающий мир неизбежно сопровождается усложнением математических моделей. Этот процесс, до недавнего времени сдерживаемый возможностями практического использования математических моделей, получил качественно новый импульс с появлением компьютерной техники. Принципиальные ограничения на сложность многих математических моделей в части их реализации оказались снятыми.

Сформировалось новое понятие - компьютерная модель. Компьютерная модель образуется в результате преобразования математической модели в программу и внедрения этой программы в компьютерную среду [171, 159]. При этом математическая модель выступает как часть компьютерной модели. Компьютерную модель можно рассматривать как программно-аппаратный объект, который существует, активизируется и функционирует только в аппаратно-программной среде компьютера. Главной отличительной особенностью компьютерной модели (для чего она, собственно говоря, и создается) является ее действенность.

Бурное развитие компьютерного моделирования, наблюдаемое в последнее время в самых различных областях человеческой деятельности, обусловлено ростом числа таких математических моделей, сложность которых не позволяет использовать их "ручными", неавтоматизированными методами.

Характерным представителем подобных моделей является интегрированная