автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Разработка эффективной системы охлаждения энергетической газотурбинной установки среднего класса мощности с применением современных расчетно-экспериментальных методов

На правах рукописи

КРИВОНОСОВА Виктория Владимировна

Разработка эффективной системы охлаждения энергетической газотурбинной установки среднего класса мощности с применением современных расчетно-экспериментальных методов

Специальность 05.04.12 - «Турбомашины и комбинированные турбоустановки»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ноя 2013

Санкт- Петербург - 2013

005539547

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Научный руководитель: д.т.н., профессор Кортиков Николай Николаевич.

Официальные оппоненты:

Ануров Юрий Михайлович, д.т.н., генеральный директор ООО "Центр концептуального проектирования", г. Санкт - Петербург.

Андреев Константин Дмитриевич, к.т.н., ФГБОУ ВПО «СПбГПУ», доцент кафедры «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели», г. Санкт -Петербург.

Ведущая организация: ОАО Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова (ОАО «НПО ЦКТИ»), г. Санкт - Петербург.

Защита состоится 10 декабря 2013г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д212.229.06 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251,г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, ауд. /Главного Здания.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан " // 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Д212.229.06 к.т.н., доцент Талалов Виктор Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Высокая начальная температура газа позволяет обеспечить конкурентоспособный уровень КПД цикла современных стационарных ГТУ (газотурбинная установка). Однако жаропрочность современных сплавов не обеспечивает требуемый ресурс лопаток, поэтому требуется охлаждение деталей горячего тракта турбины. Как показывает обзор конструкции современных ГТУ класса H и J, средняя глубина охлаждения турбинных лопаток, изготавливаемых из современных жаропрочных сплавов, должна составлять не менее 0.6, а локальное минимальное значение должно составлять 0.45 - 0.5. Открытая воздушная система охлаждения успешно конкурирует с паровым охлаждением благодаря эксплуатационным и технологическим преимуществам. Повышение эффективности воздушного конвективно-пленочного охлаждения, обеспечивающего заданную глубину охлаждения и минимизацию температурных градиентов, требует совершенствования методов расчета теплового состояния лопаток через уточнение эмпирических зависимостей и отработку методов численного моделирования, что является актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования. Для проектирования системы охлаждения, обеспечивающей современный уровень КПД ГТУ, требуется достоверные расчетные данные. Обзор литературы и сопоставление эмпирических зависимостей для расчета теплогидравлических параметров матрицы штырей показали расхождение результатов расчетов более, чем на 100%. Численное моделирование температурного поля охлаждаемых лопаток турбины внедрено в современный цикл проектирования ГТУ. При этом остро стоит вопрос о верификации результатов численных расчетов. Это позволяет сформулировать цель и ряд задач, решение которых обеспечит ее достижение.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка рациональных подходов проектирования системы охлаждения и моделирования трехмерного (3D) теплового состояния лопаток турбомашин с развитым конвективно-пленочным охлаждением. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработать и обосновать опытными данными конструкцию турбинной сопловой лопатки с развитой системой конвективно-пленочного охлаждения со средней глубиной охлаждения не менее 0.63 при относительном расходе воздуха на охлаждение профиля не более 7%;

2. Предложить уточненные зависимости для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена для каналов с матрицей штырей;

3. Разработать методику определения геометрических параметров матрицы штырей по заданному приросту сопротивления или интенсификации теплообмена;

4. Создать математическую модель для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена в вихревой матрице;

5. Провести анализ теплогидравлического качества столбиков - турбулизаторов и вихревой матрицы в диапазоне чисел Рейнольдса 1000<Re<100 ООО;

6. Провести экспериментальные исследования гидравлических характеристик и теплового состояния перфорированной сопловой лопатки первой ступени турбины с развитой конвективно-пленочной системы охлаждения;

7. Разработать и верифицировать трехмерную численную модель для расчета теплового состояния охлаждаемой лопатки в пакете FLUENT с включением программы Thermal&Hydraulic Analysis (с уточненными зависимостями для расчета сопротивления и теплообмена охладителя в полостях лопатки);

8. Дать рекомендации по повышению эффективности использования охлаждающего воздуха во второй полости сопловой лопатки первой ступени турбины ГТЭ - 65.

Объект исследования: направляющая лопатка с конвективно-пленочным охлаждением.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

- Получены экспериментальные теплогидравлические характеристики направляющей лопатки первой ступени турбины с конвективно - пленочным охлаждением;

- Обобщены опытные данные и предложена новая эмпирическая зависимость для расчета сопротивления в каналах со столбиками - турбулизаторами;

- Разработана методика определения оптимальной геометрии матрицы штырей;

- Разработана расчетная модель для определения гидравлического сопротивления и теплообмена в каналах вихревой матрицы;

- Выполнено сопоставление эффективности интенсификации теплообмена и даны рекомендации по применению матрицы штырей и вихревой матрицы;

- На основе уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, разработана численная трехмерная модель для расчета температурного поля лопатки с конвективно - пленочным охлаждением.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Обоснована опытными данными конструкция сопловой лопатки первой ступени газотурбинной установки среднего класса мощности с развитой системой конвективно-пленочного охлаждения со средней глубиной охлаждения не менее 0.63, при относительном расходе воздуха на охлаждения не более 7%

2. Предложена и апробирована методика определения геометрии матрицы штырей с максимальной эффективностью охлаждения при заданной

интенсификации теплообмена или при заданных потерях давления.

3. Разработана численная 3D модель с решением сопряженной задачи теплообмена для расчета температурного поля лопатки с конвективно-пленочным охлаждением

4. Результаты работы применены при проектировании охлаждаемых лопаток турбины ГТЭ-65.

Методология н методы исследования. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения поставленных задач базируются на экспериментальных данных, полученных по результатам теплогидравлических стендовых испытаний охлаждаемой лопатки, а также на теоретических положениях и основополагающих закономерностях термогазодинамики, тепломассообмена, численных методах с их верификацией.

Положения, выносимые на защиту: эмпирическая зависимость для расчета коэффициента гидравлического сопротивления канала со столбиками-турбулнзаторами; методика определения оптимальных геометрических параметров матрицы штырей; результаты теплогидравлических испытаний направляющей лопатки первой ступени турбины с развитой конвективно-пленочной схемой охлаждения; результаты верификационных расчетов характеристик системы охлаждения и теплового состояния направляющей лопатки первой ступени турбины.

Степень достоверности полученных результатов работы достигается использованием фундаментальных законов сохранения массы, импульса и энергии, применением современной измерительной техники, повторяемостью опытных данных, проведением оценки погрешности измерений, верификацией моделей на основе сравнения с опытными данными стендовых испытаний.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и положительно оценены на секции ПТ, ГТ и ПГ установок НТС ОАО «НПО ЦКТИ» (СПб, 2007), на международной научно - практической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2005, 2010) , на международной конференции «ASME» (Ванкувер, 2011), на конференции «ANSYS в энергетике» (СПб, 2012), на объединенном семинаре кафедр "Турбины, гидромашины и авиационные двигатели" и "Теоретические основы теплотехники" СПбГПУ (СПб, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад диссертанта состоит: в постановке задач исследования, в разработке расчетных моделей и проведении расчетов гидравлики и теплового состояния, в разработке программы экспериментальных исследований, в анализе полученных экспериментальных и расчетных данных, в обобщении опытных данных и разработке уточненной эмпирической зависимости для расчета гидравлического

значению прироста сопротивления ср1 или интенсификации теплообмена ц/, .

В главе 2 также даются расчетные модели для определения гидравлического сопротивления и теплообмена в вихревой матрице. Характерные геометрические параметры вихревой матрицы приведены на рисунке 5. Основные зависимости для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена представлены в работах Г. П. Нагоги и Ю. М. Анурова, где расчет гидравлического сопротивления одиночного канала вихревой матрицы представлен в виде цепочки гидравлических потерь:

(6)

с =с + с +кс +с+с

~ уч ~кх ~Ш1> ~1юв ~т ~аь

где - потери входа, ^ - потери выхода, д - гидравлическое сопротивление трения в одиночных каналах,потери на повороте, дт - влияние подогрева, к - количество поворотов у боковой границы.

На рисунке 6 показано, что расчетные модели для определения гидравлического сопротивления и теплообмена имеют удовлетворительное совпадение с эмпирическими зависимостями А. С. Лебедева, ЛПИ, МАТИ, полученными на основе экспериментальных исследований вихревых матриц (расхождение не превышает 15 %).

* л,.

1

&--1

1 1 »

1 н

г л г.

Рисунок 5 - Геометрия канала с вихревой матрицей (а), схема течения (б) 501 .1 1800

„ 1350

Иг 900 э

450

Лебедев А. С.

ЛПИ

^МАТИ модель

О О.Б 1.0 1.5 2.0

Ве-10 Яе-10

а - гидравлическое сопротивление б - теплообмен

Рисунок 6 - Сопоставление расчетных моделей и эмпирических зависимостей

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

На правах рукописи

04201450771

КРИВОНОСОВА Виктория Владимировна

Разработка эффективной системы охлаждения энергетической газотурбинной установки среднего класса мощности с применением современных расчетно-экспериментальных методов

05.04.12 - «Турбомашины и комбинированные турбоустановки» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель проф., д.т.н. Кортиков Н. Н.

Санкт - Петербург - 2013

)

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ВОЗМОЖНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГТУ СРЕДНЕГО КЛАССА МОЩНОСТИ....................10

1.1. Потребность совершенствования систем охлаждения высокотемпературных газовых турбин. Современное состояние....................................................10

1.2. Основные подходы к моделированию трехмерного температурного поля лопаток высокотемпературных газовых турбин при конвективно-пленочной системе охлаждения.............................................................................17

1.3. Гидравлическое сопротивление и теплообмен в гладких каналах. Интенсификация теплообмена в зоне выходной кромки................................26

1.4. Гидродинамическое сопротивление и теплообмен в каналах со столбиками -турбул изаторами..................................................................................33

1.5. Гидродинамическое сопротивление и теплообмен в каналах с вихревыми матрицами..........................................................................................39

1.6. Цели и задачи диссертации.................................................................46

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ СО СТОБИКАМИ -ТУРБУЛИЗАТОРАМИ И ВИХРЕВОЙ МАТРИЦЕЙ......................................47

2.1. Получение и обоснование расчетной зависимости для гидродинамического сопротивления канала со столбиками-турбулизаторами..................................................................................47

2.2. Сравнительный анализ и обоснование зависимости для расчета теплообмена в канале со столбиками - турбулизаторами...................................................52

2.3. Методика расчета характеристик вихревых матриц: сопоставление расчетных и эмпирических данных.........................................................................56

2.4. Влияние режимных и геометрических факторов на эффективность интенсификации теплообмена в каналах со столбиками - турбулизаторами и вихревой матрицей........................................................................:.......62

2.5 Выводы по второй главе....................................................................80

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ГТЭ-65 В УСЛОВИЯХ

СТЕНДА............................................................................................81

3.1 Экспериментальный стенд...................................................................81

3.2. Методика проведения эксперимента и обработки результатов экспериментальных исследований.............................................................90

3.3. Теплогидравлические характеристики перфорированной охлаждаемой

лопатки.............................................................................................96

3.4 Выводы по третьей главе..................................................................109

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОГО ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ЛОПАТКИ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ТУРБИНЫ ГТЭ-65 С РАЗВИТОЙ КОНВЕКТИВНО-ПЛЕНОЧНОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ.................................................................................110

4.1. Система охлаждения сопловой лопатки первой ступени турбины.............110

4.2. Вычислительные аспекты моделирования температурного поля сопловой лопатки первой ступени турбины с конвективно-пленочным охлаждением.....................................................................................120

4.3. Результаты численного моделирования температурного состояния сопловой лопатки первой ступени турбины с конвективно-пленочным охлаждением......................................................................................126

4.4. Совершенствование конвективно-пленочной системы охлаждения сопловой лопатки первой ступени ГТЭ-65 с применением номограмм и результатов

численного расчета..............................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................141

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...............................................................142

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ

159

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Высокая начальная температура газа позволяет обеспечить конкурентоспособный уровень КПД цикла современных стационарных ГТУ (газотурбинная установка). Однако жаропрочность современных сплавов не обеспечивает требуемый ресурс лопаток, поэтому требуется охлаждение деталей горячего тракта турбины. Как показывает обзор конструкции современных ГТУ класса H и J, средняя глубина охлаждения турбинных лопаток, изготавливаемых из современных жаропрочных сплавов, должна составлять не менее 0.6, а локальное минимальное значение должно составлять 0.45 - 0.5. Открытая воздушная система охлаждения успешно конкурирует с паровым охлаждением благодаря эксплуатационным и технологическим преимуществам. Повышение эффективности воздушного конвективно-пленочного охлаждения, обеспечивающего заданную глубину охлаждения и минимизацию температурных градиентов, требует совершенствования методов расчета теплового состояния лопаток через уточнение эмпирических зависимостей и отработку методов численного моделирования, что является актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования. Для проектирования системы охлаждения, обеспечивающей современный уровень КПД ГТУ, требуется достоверные расчетные данные. Обзор литературы и сопоставление эмпирических зависимостей для расчета теплогидравлических параметров матрицы штырей показали расхождение результатов расчетов более, чем на 100%. Численное моделирование температурного поля охлаждаемых лопаток турбины внедрено в современный цикл проектирования ГТУ. При этом остро стоит вопрос о верификации результатов численных расчетов. Это позволяет сформулировать цель и ряд задач, решение которых обеспечит ее достижение.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка

рациональных подходов проектирования системы охлаждения и моделирования

* /

трехмерного (3D) теплового состояния лопаток турбомашин с* развитым

конвективно-пленочным охлаждением. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработать и обосновать опытными данными конструкцию турбинной сопловой лопатки с развитой системой конвективно-пленочного охлаждения со средней глубиной охлаждения не менее 0.63 при относительном расходе воздуха на охлаждение профиля не более 7%;

2. Предложить уточненные зависимости для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена для каналов с матрицей штырей;

3. Разработать методику определения геометрических параметров матрицы штырей по заданному приросту сопротивления или интенсификации теплообмена;

4. Создать математическую модель для расчета гидравлического сопротивления и теплообмена в вихревой матрице;

5. Провести анализ теплогидравлического качества столбиков - турбулизаторов и вихревой матрицы в диапазоне чисел Рейнольдса 1000<Re<100 ООО;

6. Провести экспериментальные исследования гидравлических характеристик и теплового состояния перфорированной сопловой лопатки первой ступени турбины с развитой конвективно-пленочной системы охлаждения;

7. Разработать и верифицировать трехмерную численную модель для расчета теплового состояния охлаждаемой лопатки в пакете FLUENT с включением программы Thermal&Hydraulic Analysis (с уточненными зависимостями для расчета сопротивления и теплообмена охладителя в полостях лопатки);

8. Дать рекомендации по повышению эффективности использования охлаждающего воздуха во второй полости сопловой лопатки первой ступени турбины ГТЭ - 65.

Объект исследования: направляющая лопатка турбины с конвективно-пленочным охлаждением.

Методология и методы исследования. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения поставленных

г ,

задач базируются на экспериментальных данных, полученных по результатам

теплогидравлических стендовых испытаний охлаждаемой лопатки, а также на теоретических положениях и основополагающих закономерностях термогазодинамики, тепломассообмена, численных методах с их верификацией. Научная новизна результатов заключается в следующем:

- Получены экспериментальные теплогидравлические характеристики направляющей лопатки первой ступени турбины с конвективно-пленочным охлаждением;

- Обобщены опытные данные и предложена новая эмпирическая зависимость для расчета сопротивления в каналах со столбиками - турбулизаторами;

- Разработана методика определения оптимальной геометрии матрицы штырей;

- Разработана расчетная модель для определения гидравлического сопротивления и теплообмена в каналах вихревой матрицы;

- Выполнено сопоставление эффективности интенсификации теплообмена и даны рекомендации по применению матрицы штырей и вихревой матрицы;

- На основе уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, разработана численная трехмерная модель для расчета температурного поля лопатки с конвективно-пленочным охлаждением.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Обоснована опытными данными конструкция сопловой лопатки первой ступени газотурбинной установки среднего класса мощности с развитой системой конвективно-пленочного охлаждения со средней глубиной охлаждения не менее 0.63, при относительном расходе воздуха на охлаждения не более 7%

2. Предложена и апробирована методика определения геометрии матрицы штырей с максимальной эффективностью охлаждения при заданной интенсификации теплообмена или при заданных потерях давления.

3. Разработана численная ЗБ модель с решением сопряженной задачи теплообмена для расчета температурного поля лопатки с конвективно-пленочным охлаждением

< , I *

4. Результаты работы применены при проектировании охлаждаемых лопаток

турбины ГТЭ-65.

Положения, выносимые на защиту: эмпирическая зависимость для расчета коэффициента гидравлического сопротивления канала со столбиками-турбулизаторами; методика определения оптимальных геометрических параметров матрицы штырей; результаты теплогидравлических испытаний направляющей лопатки первой ступени турбины с развитой конвективно-пленочной схемой охлаждения; результаты верификационных расчетов характеристик системы охлаждения и теплового состояния направляющей лопатки первой ступени турбины.

Степень достоверности полученных результатов работы достигается использованием фундаментальных законов сохранения массы, импульса и энергии, применением современной измерительной техники, повторяемостью опытных данных, проведением оценки погрешности измерений, верификацией моделей на основе сравнения с опытными данными стендовых испытаний.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены и положительно оценены на секции ПТ, ГТ и ПГ установок НТС ОАО «НПО ЦКТИ» (СПб, 2007), на международной научно - практической конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2005, 2010) , на международной конференции «ASME» (Ванкувер, 2011), на конференции «ANSYS в энергетике» (СПб, 2012), на объединенном семинаре кафедр "Турбины, гидромашины и авиационные двигатели" и "Теоретические основы теплотехники" СПбГПУ (СПб, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад диссертанта состоит: в постановке задач исследования, в разработке расчетных моделей и проведении расчетов гидравлики и теплового состояния, в разработке программы экспериментальных исследований, в анализе полученных экспериментальных и расчетных данных, в обобщении опытных данных и разработке уточненной эмпирической зависимости для расчета гидравлического сопротивления каналов со столбиками-турбулизаторами, < в

разработке методики определения оптимальных геометрических параметров матрицы штырей.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка обозначений и списка литературы из 105 наименования. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, имеет 30 таблиц и 67 рисунков.

В главе 1 диссертации на основе анализа технико-экономических параметров и методов охлаждения элементов горячего тракта современных стационарных высокотемпературных ГТУ сделан вывод о перспективности развития воздушно-конвективного охлаждения турбинных лопаток и обоснована необходимость совершенствования расчетных методов определения теплового состояния охлаждаемых лопаток. В разделе 1.4 диссертации представлен обзор литературы, в котором указаны шесть зависимостей для расчета гидравлического сопротивления и девять зависимостей для расчета критерия Нуссельта в канале со столбиками - турбулизаторами. В разделе 1.5 дается обзор исследований, посвященных изучению механизма интенсификации теплообмена и гидравлического сопротивления в канале с вихревой матрицей. Представлены две эмпирические зависимости для расчета гидравлического сопротивления и три зависимости для расчета критерия Нуссельта в каналах с вихревыми матрицами.

В главе 2 выполнено сопоставление эмпирических зависимостей (ЦИАМ, НЗЛ, Мецгера и др.) с опытными данными ЦИАМ, которое показало, что расхождение результатов расчета гидравлических потерь в канале с шахматным расположением столбиков-турбулизаторов составляет более 100%. В работе предложена новая эмпирическая зависимость, учитывающая влияние основных геометрических и режимных параметров матрицы штырей в широком диапазоне (81/(1=1,043 - 4.0; 82/с1=1,25 -4.0; Н/сМ),6-8; Яе=1000-60000). Хорошее соответствие новой эмпирической зависимости с опытными данными подтверждается значениями коэффициентов несовпадения Тейла- Я. На основе сопоставления с опытными данными выбрана наиболее надежная зависимость для расчета теплообмена в матрице штырей. Разработана методика определения оптимальных параметров матрицы штырей на основе номограмм. На основе корреляционных зависимостей (Г. П. Нагога, Ю. М.

Ануров) разработана расчетная модель для определения сопротивления и теплообмена в вихревой матрице. Выполнено сопоставление теплогидравлического качества столбиков-турбулизаторов и вихревой матрицы.

Глава 3 дается описание результатов опытного исследования эффективности охлаждения лопаток первой ступени высокотемпературной турбины в условиях стенда. Экспериментальные исследования включают определение пропускной способности внутренней системы каналов и эффективности охлаждения профиля. Отмечено, что приведенный расход первой и второй полости лопатки соответствует проектному значению. Средняя глубина охлаждения профиля составляет 0.63, при относительном расходе воздуха на охлаждение профильной части - 7% от расхода на входе в компрессор.

В главе 4 разработана и верифицировать трехмерная численная модель для расчета теплового состояния охлаждаемой лопатки в пакете FLUENT с включением программы Thermal&Hydraulic Analysis (с уточненными зависимостями для расчета сопротивления и теплообмена охладителя в полостях лопатки). Расхождение экспериментальных и расчетных данных составляет не более 5%. Минимальная температура профиля получена на спинке в районе 1-2 рядов перфорации, максимальная температура - на корыте в зоне выходной кромки. Даны рекомендации по усовершенствованию системы охлаждения в зоне выходной кромки сопловой лопатки первой ступени турбины за счет применения вихревой матрицы.

1. ВОЗМОЖНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГТУ СРЕДНЕГО

КЛАССА МОЩНОСТИ

1.1 Потребность совершенствования систем охлаиедения высокотемпературных газовых турбин. Современное состояние

В настоящее время газовые турбины широко применяются в стационарной энергетике в комбинированных установках с бинарным газопаровым циклом (111 У) [32, 52]. Показатели парогазовых установок зависят от начальной температуры газа Тз. При повышении Тз несколько возрастает удельная мощность и заметно повышается экономичность. За счет парового контура заметно увеличивается удельная работа 111 У, причем она тем больше, чем выше начальная температура газа. Как отмечено в [3], возможность широкого применения комбинированных установок в энергетике связана с резким повышением начальной температуры газа Тз. Поэтому за последние 30 лет начальная температура газа ГТУ возросла с 750°С до 1600°С. Температура газа на входе в турбину в ряде современных серийных стационарных ГТУ производства General Electric, Mitsubishi составляет 1500°С [100]. В настоящее время начальная температура газ установки M501J [80, 84] составляет 1600°С, и ведутся работы по созданию ГТУ с начальной температурой газа 1700°С [83]. Рост н