автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Разработка высокоэффективных систем охлаждения лопаток перспективных стационарных газотурбинных установок

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ПЕРСПЕКТИВНЫХ СТАЦИОНАРНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

Специальность: 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2004 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" на кафедре Турбинные двигатели и установки

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Рассохин Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Зейгарник Юрий Альбертович

кандидат технических наук Сигалов Юрий Викторович

Ведущая организация: Филиал ОАО "Силовые машины" "ЛМЗ" в

Санкт-Петербурге

Защита состоится 28 декабря 2004 г. в 16°° час. на заседании диссертационного Совета Д 212.229.06 в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, Главное здание, ауд. 225.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ГОУ "СПбГПУ".

Автореферат разослан ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доктор технических наук, профессор

Н.Н. Кортиков

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Главными задачами современного газотурбостроения являются повышение экономичности и надежности работы газотурбинных установок (ГТУ) всех типов. Основным способом совершенствования экономических показателей ГТУ является повышение начальных параметров термодинамического цикла, и прежде всего - начальной температуры газа. Если учесть, что начальная температура газа перед турбиной современных стационарных энергетических ГТУ достигает 1500 -г-1700 К, в то время как максимальная допустимая температура используемых в настоящее время материалов с приемлемыми пределами жаропрочности находится на уровне 1100 -Л 1200 К, то становится очевидной необходимость введения охлаждения горячих деталей проточной части турбины ГТУ. Это в первую очередь относится к направляющим лопаткам (НЛ) 1-х ступеней турбин, которые работают в условиях сложного термонапряженного состояния.

С момента начала разработок систем охлаждения лопаточного аппарата (ЛА) высокотемпературных газовых турбин (ВГТ) вначале наибольшее распространение получили способы внутреннего конвективного охлаждения воздухом, отбираемым за ступенями компрессора ГТУ и движущимся по внутренним каналам в охлаждаемых лопатках. Вместе с тем, расчетные исследования показателей экономической эффективности ГТУ свидетельствуют о том, что применение внутренней конвективной системы охлаждения оказывается экономически выгодным до начальных температур газа перед турбиной не выше 1450 -г-1500 К. При более высоких начальных температурах и соответствующих им степенях повышения давления в ГТУ на уровне 20 * 25 внутреннее конвективное охлаждение ЛА турбины не обеспечивает требуемого срока службы лопаток при приемлемых расходах охлаждающего воздуха. В этих случаях находят применение комбинированные способы охлаждения, в которых внутреннее конвективное охлаждение дополняется внешним пленочным охлаждением.

Поэтому создание расчетных моделей лопаток газовых турбин с конвективно-пленочной системой охлаждения, верифицированных на основе экспериментальных исследований систем охлаждения такого типа, является актуальной задачей.

Цель работы состоит в создании высокоэффективных систем охлаждения лопаток мощных стационарных энергетических ГТУ на основе расчетно-экспериментальных исследований воздушных конвективно-пленочных систем охлаждения НЛ 1-й ступени турбины стационарных энергетических ГТУ.

Задачи исследования:

1. Обзор и анализ работ по современным методам гидравлического и теплового расчетов систем охлаждения лопаточных аппаратов ВГТ.

2. Обзор и анализ основных работ по расчетному и экспериментальному исследованию эффективности воздушного конвективно - пленочного охлажде-

1 ! НОС НАЦИОНАЛЬНАЯ 1 1 1 БИБЛИОТЕКА { I СИ < ! 09

ния лобового участка обвода входной кромки лопаток 1-х ступеней ВГТ.

3. Проведение экспериментальных исследований по определению расходных характеристик как отдельных элементов, так и тракта охлаждения в целом для опытных лопаток направляющего аппарата (НА) 1-й ступени турбины с конвективно-пленочным охлаждением.

4. Проведение экспериментальных исследований по определению теплового состояния как в условиях чисто заградительного, так и в условиях комбинированного (конвективно-пленочного) воздушного охлаждения опытных лопаток ПА 1-й ступени турбины.

5. Разработка комбинированной, с использованием программного комплекса COLD и коммерческого пакета FLUENT, методики теплового расчета лопатки НА 1-й ступени ВГТ с воздушным конвективно-пленочным охлаждением.

6. Тестирование и корректировка разработанной методики по опытным данным тепловых и гидравлических испытаний экспериментальной охлаждаемой НЛ с конвективно-пленочным охлаждением.

7. Проектирование на базе разработанной методики лопатки НА 1-й ступени ВГТ с начальной температурой газа 1700 К, использующей комбинированное (конвективно-пленочное) охлаждение.

Научная новизна:

1. Получены экспериментальные расходные характеристики как отдельных элементов, так и тракта охлаждения в целом для лопаток НА 1-й ступени турбины с конвективно-пленочным охлаждением.

2. Установлены характеристики эффективности конвективно-пленочного воздушного охлаждения лопаток НА 1-й ступени турбины.

3. Разработана комбинированная расчетная модель лопатки НА 1-й ступени ВГТ с конвективно-пленочным охлаждением, реализованная в среде программного комплекса COLD и коммерческого пакета FLUENT, что позволило с требуемой точностью при умеренной затрате вычислительных ресурсов определять тепловое состояние лопатки.

Достоверность результатов и справедливость разработанных методик подтверждаются: результатами наладочных опытов; оценкой точности как результатов измерений, так и получаемых опытных данных; совпадением в сопоставимых условиях результатов настоящего исследования с результатами других авторов; совпадением результатов расчетов с экспериментом.

Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи, подготовке и проведении опытов, обработке и анализе экспериментальных данных, разработке программ и методик расчета, анализе расчетных данных, проектировании лопатки НА 1-й ступени ВГТ.

Автор защищает:

1. Расчетную модель лопатки НА 1-й ступени ВГТ с конвективно-пленочным охлаждением и разработанную на базе этой модели методику рас! л! |

чета теплового состояния охлаждаемой лопатки.

2. Результаты расчетно-экспериментального исследования гидравлических характеристик и теплового состояния опытной охлаждаемой НЛ с конвективно-пленочной системой охлаждения.

3. Теплогидравлические характеристики, эффективность охлаждения и запасы по работоспособности спроектированной охлаждаемой лопатки НА 1-й ступени ВГТ с начальной температурой газа перед турбиной 1700 К.

Практическая ценность работы заключается в создании с использованием разработанной расчетной модели методики расчета теплового состояния лопатки НА 1-й ступени ВГТ с комбинированным конвективно-пленочным охлаждением и проектировании по этой методике НЛ турбины для нового поколения ГТУ с начальной температурой газа перед турбиной на уровне 1700 К.

Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены на ХЬУШ научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Рыбинск,

2001), 3-й Российской национальной конференции по теплообмену (Москва,

2002) и Ь научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Санкт-Петербург, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 156 страниц текста, рисунков, "// таблиц и список литературы из 53 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 представлен обзор и анализ работ, проводившихся до настоящего исследования и посвященных расчетному и экспериментальному исследованию конвективно-пленочного охлаждения наиболее тепло напряженно го участка профиля лопатки - проблеме охлаждения зоны входной кромки. Выполнен также обзор и анализ основных, имеющихся на сегодняшний день, методов гидравлического и теплового расчета систем охлаждения ЛА ВГТ с точки зрения их использования для расчетов систем конвективно-пленочного охлаждения лопаток.

По результатам обзорного материала по методам гидравлического расчета систем охлаждения можно констатировать, что особенности заградительного охлаждения, обусловленные наличием прямой гидравлической связи между потоками газа, обтекающего наружную поверхность профильной части лопатки, и охладителя, протекающего во внутренних каналах пера лопатки, в результате выполнения перфорации несущей стенки лопатки, представляют весьма высокие требования к методам гидравлического расчета систем охлаждения ЛА ВГТ такого типа, как в отношении количества расчетных элементов в гидравлической сети, так и учете некоторых особенностей гидродинамического характера.

Это обстоятельство приводит к необходимости дополнять результаты гидравлических расчетов систем заградительного охлаждения, вытолненныгх по имеющимся методикам (в одномерной постановке), экспериментальными данными и результатами расчетов по лицензированным программным продуктам (в двухмерной постановке) с целью определения не только некоторый средних, но и локальных характеристик параметров потоков охладителя в каналах тракта охлаждения.

Методы теплового расчета систем охлаждения ЛА турбины, применительно к решению задач теплопроводности к лопаткам турбин с конвективно-пленочным охлаждением, где реализуется т.н. сопряженный теплообмен, требуют весьма существенной доработки или, во всяком случае, не тривиального подхода к их использованию. Это обусловлено прежде всего тем обстоятельством, что в отличии от классических задач сопряженного теплообмена, где теплоносители разделены непроницаемой стенкой и стало быть не смешиваются, в рассматриваемой задаче сопряженного теплообмена при заградительном охлаждении реализуется смешение потоков теплоносителей в отдельных зонах по длине обтекаемой ими поверхности.

На основании проведенного анализа состояния вопроса поставлены цели и задачи настоящего исследования.

В главе 2 представлено описание оборудования и объектов экспериментального исследования, приведены методики исследования гидравлических и тепловык характеристик опытных охлаждаемых НЛ, описаны методики обработки опытных данныгх и оценки погрешностей результатов опытов.

Принятые для проведения опытного исследования охлаждаемые воздухом НЛ 1-й ступени турбины энергетической ГТУ, изготовляются литьем и имеют конвективно-пленочную систему охлаждения (рис. 1).

Рис. 1. Среднее сечение экспериментальной НЛ 1-й ступени турбины 1 - НЛ; 2 - дозирующая перфорированная пластина; 3 - дефлектор

Внутренняя полость лопатки разделена на две изолированные части: переднюю и заднюю, с независимой подачей охлаждающего воздуха в каждую из них. При этом воздух в переднюю полость подается со стороны корневой полки, а в заднюю полость - со стороны периферийной. На внутренних стенках передней полости для интенсификации теплосъема вытолнено продольное ореб-

рение. Выпуск охлаждающего воздуха из передней полости опытной лопатки производится через продольные ряды отверстий перфорации: 3 ряда 01,5 мм на входной кромке, 4 ряда 01,0 мм по корыту и 4 ряда отверстий по спинке - из них один ряд 0 1,0 мм и 3 ряда вниз по потоку 00,7 мм, причем оси отверстий в зоне входной кромки имеют радиальный наклон под углом 30°. Внутреннее конвективное охлаждение задней полости реализуется путем установки в ней дефлектора с выдувом через отверстия в нем охлаждающего воздуха в щелевые каналы со стороны спинки и корыта. Выпуск охлаждающего воздуха из зоны смешения потоков за кормой дефлектора осуществляется сначала через систему компланарных каналов 2-х вихревых матриц, а затем через густооребренную щель в выходной кромке (выпуск на корыто) в осевой зазор проточной части.

Программа испытаний опытных охлаждаемых воздухом НЛ 1-й ступени турбины состояла из 2-х частей и включала опытное определение пропускной способности отдельных элементов и тракта в целом системы охлаждения лопатки (часть I) и опытное исследование теплового состояния экспериментальных лопаток на газодинамическом стенде при обтекании их горячим газовым потоком и использовании для охлаждения воздуха (часть II). В свою очередь, 1-я часть программы включала в себя 2 этапа, на 1-м из которых указанное опытное исследование пропускной способности трактов охлаждения отдельных зон профильных частей лопаток выполнялось на статическом воздушном стенде, т.е. в условиях выхода охлаждающего воздуха в окружающую покоящуюся среду с постоянным (атмосферным) давлением. На 2-м же этапе 1-й части программы испытаний те же исследования пропускной способности трактов охлаждения отдельных зон профильных частей лопаток выполнялись уже на газодинамическом стенде в близких к изотермическим условиях, т.е. при обтекании опытных охлаждаемых лопаток, набранных в пакет, образующий секторную лопаточную решетку, подогретым воздушным потоком. П-я часть программы -экспериментальное исследование теплового состояния 2-х опытных охлаждаемых воздухом лопаток - выполняется на газодинамическом стенде лаборатории и заключается в снятии распределений температур с наружной поверхности пера и полок лопаток в дискретных точках. Эта часть также состоит из 2-х этапов, на 1-м из которых изучается тепловое состояние и эффективность чисто пленочного охлаждения лопатки, тогда как 2-й этап требует уже исследования комбинированного конвективно-пленочного охлаждения лопатки.

Экспериментальное определение пропускной способности лопаток без набегающего потока осуществлялось на статическом воздушном стенде, в состав которого входят система подвода и регулирования параметров рабочего тела, система измерений этих параметров и собственно опытной лопатки.

Экспериментальные исследования пропускной способности трактов охлаждения опытных лопаток в условиях набегающего потока проводились на газодинамическом стенде лаборатории (рис. 2). Стенд включает в себя газогенераторную часть, систему подвода охладителя, рабочий участок с исследуемыми

лопатками, а также органы управления и систему измерений.

Рис, 2. Технологическая схема газодинамического стенда

I - расходный топливный бак; 2 - арматура топливной магистрали; 3 - топливные насосы; 4 - топливный фильтр; 5 - основная и пусковая форсунки; 6 - задвижка на магистрали подачи воздуха в камеру сгорания; 7 - стандартная измерительная диафрагма; 8 - камера сгорания; 9 - участок подготовки газового потока; 10 - рабочий участок с пакетом опытных лопаток;

II - магистрали охладителей; 12 - арматура магистрали охладителей; 13 - нестандартная измерительная диафрагма; 14 - охлаждаемый зонд; 15 - потенциометры; 16 - пружинные манометры; 17 - дифференциальные манометры; 18 - измерительный комплекс давлений на лопатке; 19 - цифропечатающее устройство; 20 - преобразователь сигнала; 21 - цифровой вольтметр; 22 - измерит.- преобразователь давления; 23 - блок клапанов; 24 - силовой коммутатор; 25 - электронный коммутатор

Рабочий участок для исследования теплового состояния опытных охлаждаемых НЛ 1-й ступени турбины, устанавливаемый на газодинамический стенд, состоит из несущего корпуса, подводящего конфузора, пакета экспериментальных лопаток и отводящего патрубка. Из 4-х набранных в пакет опытных НЛ две из них (№ 3 и № 4) являются охлаждаемыми и препарируются по наружной поверхности в среднем сечении пера проволочными термопарами градуировки ХА с диаметром термоэлектродов 0,3 мм в количестве 16 шт. на каждую из 2-х термометрируемых лопаток.

Методика обработки результатов измерения и обобщения опытных данных по тепловому состоянию опытных НЛ определялась составом экспериментального оборудования и номенклатурой измерительных приборов и, в основном, отвечала требованиям, предъявляемым к экспериментальным исследованиям систем охлаждения ВГТ.

Для определения основных параметров внешнего воздушного или газового потоков, обтекающих решетку опытных НЛ, использована одномерная теория течения потоков в решетках турбомашин и аппарат газодинамических функций. Для представления результатов опытного исследования эффективно-

ста охлаждения лопаток в некоторых обобщенных переменных подсчитыва-лись относительный расход охладителя =Ов;Д}г , где индексЬтносится к передней или задней полости профильной части лопатки или к ее периферийной или к корневой полке, для которых определялись расходы охлаждающего

воздуха и безразмерная глубина охлаждения б = ^Т* - Тл |ДТ* - Т^ |.

При обработке опытных данных оценивались границы неисключенных систематических погрешностей, включающих в себя инструментальные, методические и субъективные составляющие, которые показали, что предельные относительные погрешности в определении относительного расхода охлаждающего воздуха находятся на уровне а в определении безразмерной глубины охлаждения - на уровне

В главе 3 представлены результаты опытного исследования гидравлических характеристик, теплового состояния и эффективности конвективно-пленочного воздушного охлаждения исследуемой экспериментальной лопатки, проведенного на описанном выше оборудовании.

Опытное определение пропускной способности отдельных элементов трактов охлаждения, на 1-м этапе исследования было проведено на статическом воздушном стенде в условиях выхода охлаждающего воздуха в окружающее пространство с постоянным (атмосферным) давлением Ра. Приведенные расходы воздуха через отдельные зоны передней части тракта охлаждения лопаток при изменении отношении давлений на входе/выходе Р„*х/Ра = 1+ 1,9 изменялись весьма существенно. Так, например, для лопатки № 3 в диапазоне изменения отношения давлений на входе/выходе Р„*х/Ра = 1,15 -¡-1,5 приведенныйрас-ход воздуха через зону входной кромки изменялся в относительных величинах не менее чем на

В соответствии со 2-м этапом программы опытного определения пропускной способности отдельных элементов трактов охлаждения НЛ были получены расходные характеристики этих зон в условиях обтекания лопаток, набранных в пакет, воздушным потоком с температурой Тв = 75 100 °С при фиксированном значении величины относительной скорости внешнего воздушного потока в выходном сечении = 0,76. Достигнутые предельные отношения давлений на входе/выходе трактов охлаждения для передних частей опытных лопаток были несколько ниже в опытах на газодинамическом стенде (в условиях внешнего обтекания) по сравнению с опытами на воздушном статическом стенде (в условиях неподвижной внешней среды) и их максимальные значения не превышали В то же время, приведенные расходы воздуха на указанном интервале изменения отношений давлений входа/выхода изменялись столь же существенно, как и в опытах с большим диапазоном изменения указанного отношения давлении на статическом стенде (рис. 4).

Gnp,106Kr-VK/(c-na)

Рис. 3. Зависимость приведенного расхода через тракт охлаждения НЛ № 3 без набе-тающего потока от отношения давлений в полости подачи охладителя к атмосферному давлению

1 - передняя полость; 2 - корыто; 3- спинка; 4 - входная кромка; 5 - задняя полость

Опр,Ю6кг-ч/к/(с-Па)

2.

<<

/s M

1 1,1 1,2 1,3

Рис. 4. Зависимость приведенного расхода через тракт охлаждения НЛ № 3 в условиях набегающего потока от отношения давлений в полости подачи охладителя к давлению в полости без подачи охладителя

1-спинка; 2 - задняя полость

Опыты по определению теплового состояния охлаждаемой НЛ № 3 в условиях ее комбинированного (конвективно-пленочного) охлаждения проведены при трех номинальных значениях начальной температуры газового потока Т*0 = 500, 650 и 700 °С и расходе охлаждающего воздуха через переднюю полость лопатки, обеспечивающий поддержание давления в этой полости Рк на уровне в 1,05 от давления в газовом потоке на входе в решетку опытных лопаток Рг0. При этом, давление охлаждающего воздуха в задней полости лопатки поддерживалось на уровне от статического давления в газовом

потоке на выходе из решетки опытных НЛ, что позволило обеспечить достаточно эффективное охлаждение не только задней части профиля лопатки, но и периферийной полки. Из рассмотрения распределения температур по наружной поверхности лопатки, достигнутого на режиме № 38 при Т*0 = 708 0С, следует, что минимальный уровень температур поверхности лопатки наблюдается в начале спинки и в срединной части профиля, где температуры на наружной поверхности лопатки опускаются до уровня (рис. 5).

Опытное исследование чисто заградительного охлаждения лопаток выполнено на режимах с номинальной начальной температурой газового потока при различных отношениях давления охлаждающего воздуха в передней полости лопатки Рк к давлению газового потока на входе в пакет опытных лопаток Pro. Как следует из результатов опытного режима № 44 при

8

рк/р,0 = 1,055, действие заградительной воздушной завесы, выдуваемой из передней полости профильной части лопатки на ее наружную поверхность распространяется на всю поверхность лопатки и даже в зоне выходной кромки температура лопатки Тл = 370 0С все еще далека от температуры газового потока Т*0= 620 0С (рис. 6).

Рис. 5. Распределение температуры стенки опытной НЛ № 3 вдоль наружного обвода профиля (режим № 38)

Рис. 6. Распределение температуры стенки опытной НЛ № 3 вдоль наружного обвода профиля (режим № 44)

Снижение отношения давлений в передней полости лопатки Рк и начального в газовом потоке Р^ до 1,02 при сохранении параметров газового потока на уровне рассмотренного выше режима привело к снижению расхода охлаждающего воздуха через лопатку и, как следствие, к повышению температуры ее наружной поверхности, как по передней, так и по задней частям профиля. Однако, и в этом случае заградительная завеса, выдуваемая из передней полости лопатки на ее наружную поверхность, по-видимому, достигает зоны выходной кромки лопатки, температура которой все еще заметно отличается от температуры газового потока.

Оценки эффективности воздушного охлаждения профильной части опытных HJI выполнялись с использованием безразмерной глубины охлаждения, как

локальной вычисленной по измеренной в опытах тем-

пературе наружной поверхности лопатки так и средней вы-

численной как среднеинтегральная величина по всему обводу контура профиля лопатки протяженностью L.

Использование относительного расхода охлаждающего воздуха на уровне 15 % позволяет получить при применении комбинированного (конвективно-пленочного) охлаждения локальные безразмерные глубины охлаждения в интервале 6 = 0,5 * 0,83.

Отключение подачи охлаждающего воздуха в заднюю полость лопатки,

т.е. переход к чисто заградительному охлаждению наружной поверхности задней части профиля, заметно снижает эффективность охлаждения этой части. Особенно это относится к участку профиля на корыте, где местная безразмерная глубина охлаждения в крайней на профиле точке снижается с 0 = 0,59 -г- 0,63 при комбинированном (конвективно-пленочном) охлаждении до примерно 9 = 0,36 + 0,48 при чисто заградительном охлаждении.

Как следует из положения опытных точек на графике рис. 7, в серии опытов с конвективно-пленочным охлаждением достигнута несколько большая средняя безразмерная глубина охлаждения (0 = 0,69 * 0,73) по сравнению с таковой в серии опытов с чисто заградительным охлаждением Представленные на рассматриваемом графике рис. 7 зависимости средней безразмерной глубины охлаждения от относительного расхода охлаждающего воздуха, предлагаемые различными авторами на основании анализа и обобщения большого объема статистических данных по тепловому состоянию лопаток газовых турбин с конвективно-пленочным охлаждением, свидетельствуют о достоверности результатов настоящих опытов.

.... .....;4 . а|

^ . 7^ А

-5

/а- 1 //\2

0 5 10 15 20

Рис. 7. Изменение средней по обводу профиля опытной охлаждаемой НЛ № 3 1-й ступени турбины безразмерной глубины охлаждения в зависимости от относительного расхода охлаждающего воздуха и сравнение полученных результатов

1 - внутреннее конвективное охлаждение; 2 - РАТИ; 3 - МАИ; 4 - ИВТАН; 5 - NAL Nouse; 6 - заградительное охлаждение; 7 - комбинированное охлаждение

В главе 4 с использованием оригинального программного комплекса COLD, разработанного в СПИМаш'е, и коммерческого пакета FLUENT проведены расчетные исследования пропускной способности отдельных элементов системы охлаждения лопатки НА 1-й ступени турбины с конвективно-пленочным охлаждением и теплового состояния профильной части этой лопатки, как на режимах опытного исследования, так и на натурных режимах. При этом расчетное определение расходных характеристик и температурного поля в исследуемой НЛ при параметрах экспериментов проводились с целью вери-

фикации предлагаемой расчетной методики, а расчетное исследование теплового состояния лопатки на параметры натурного режима проводились с целью разработки рационального варианта конструкции охлаждаемой лопатки. Выполнены расчеты изгибных и термических (с использованием коммерческого пакета ANSYS) напряжений для натурного варианта лопатки и с использованием суммарных напряжений сделаны оценки работоспособности разработанной конструкции охлаждаемой НЛ как по условиям длительной прочности, так и по условиям малоцикловой термической усталости.

Для определения расходных характеристик трактов охлаждения исследуемой лопатки с конвективно-пленочным охлаждением была создана эквивалентная гидравлическая сеть тракта охлаждения, геометрические характеристики которой были сформированы с помощью математической (геометрической) модели лопатки, смоделированной в системе Unigraphics, а гидродинамические характеристики каналов тракта охлаждения (коэффициенты гидравлических сопротивлений) определены из библиотеки пользовательских подпрограмм, входящих в программный модуль GIDRA указанного программного комплекса COLD. Для расчетов давлений в газовом потоке в точках профиля, где производится выпуск охлаждающего воздуха на наружную поверхность лопатки, использовалась программа LJPI для расчета потенциального обтекания плоских решеток профилей, также входящая в программный комплекс COLD.

Результаты расчетов расходных характеристик как отдельных зон тракта охлаждения, так и в целом для трактов охлаждения передней и задней профильных частей лопатки, выполненные на параметры опытов как в условиях обтекания лопатки внешним потоком, так и без этого потока, показали вполне удовлетворительное совпадение с результатами опытов, максимальное значение относительного отклонения экспериментальных расходов от расчетных составило не более 5%. По результатам сравнения расчетных и опытных расходных характеристик сделан вывод об адекватности разработанной гидравлической модели тракта охлаждения её практической реализации на лопатке.

Расчетное исследование теплового состояния охлаждаемой лопатки было выполнено с использованием специальной расчетной модели, разработанной на базе коммерческого пакета FLUENT, предназначенного для решения широкого класса задач гидродинамики и теплообмена как в неподвижных, так и в движущихся средах. Указанная расчетная модель базируется на решении стационарной полусопряженной задачи теплообмена в двухмерной постановке для поперечного сечения профильной части исследуемой лопатки. Такая полусопряженная постановка потребовала задания граничных условий 3-го рода на поверхностях стенки лопатки, омываемых потоком охлаждающего воздуха, которые были определены по данным гидравлического расчета с использованием упомянутого программного модуля GIDRA. В то же время поля скоростей и температур в газовом потоке и температурное поле в стенке лопатки определялись сквозным расчетом т.е. без введения в расчеты коэффициентов теплоотдачи на

внешней поверхности лопатки. В газодинамических расчетах для замыкания уравнений движения Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, использовалась Shear-Stress Transport (SST) к-а модель турбулентности, считающаяся в настоящее время одной из лучших моделей турбулентности для широкого класса как внутренних, так и внешних течений с отрывами потока, ламинарно-турбулентным переходом и теплообменом. В численной процедуре пространственные операторы системы дифференциальных уравнений заменяются их дискретными аналогами по МКЭ с использованием 4х-угольных или Зх-угольных конечных элементов. Для корректного описания течения и теплообмена в тонких пристенных слоях на обводе контура профиля и процесса теплопроводности в теле стенки лопатки расчетная сетка в указанных зонах, построенная с помощью сеточного генератора GAMBIT (являющимся препроцессором для FLUENT), была значительно сгущена.

Расчетная область включала плоское продольное сечение 2-х смежных межлопаточных каналов исследуемой решетки НА, на внешних боковых границах которой задавались условия периодичности. Для моделирования в 2х-мерной постановке теплообмена в отверстиях перфорации применялся специальный искусственный приём, заключающийся в замене указанных отверстий некоторыми твердотельными зонами с шириной, равной диаметру отверстий. Для достижения требуемой точности в определении величины средней температуры охлаждающего воздуха в отверстиях перфорации Тв.ср был организован интерактивный цикл с выходом на программный модуль GIDRA.

Результаты расчетов по описанной методике поля скоростей в газовом потоке исследуемой решетки лопаток НА для всех опытных режимов свидетельствует о заметном смещении в сторону корыта точки растекания газовых потоков по обводу входной кромки от лобовой точки профиля (рис. 8). Факт наличия такого смещения, весьма существенно влияющего на концепцию проектирования рядов отверстий перфорации в зоне лобовой точки обвода входной кромки лопатки, должен свидетельствовать о необходимости весьма детальных расчетов обтекания лопаток турбин с конвективно-пленочным охлаждением. Прямое сопоставление расчетных и опытных распределений температур по обводу контура профиля опытной лопатки свидетельствует как о хорошем качественном, так и об удовлетворительном количественном их совпадении (рис. 9).

Т.о. по результатам сравнения расчетных и опытных данных можно было сделать вывод о достоверности и надежности результатов, получаемых с помощью разработанной расчетной модели и переходить к проектированию системы охлаждения лопатки на параметры работы в натурном режиме в составе НА 1-й ступени турбины крупной энергетической ГТУ.

Проектируемая охлаждаемая лопатка рассчитывалась на начальную температуру в газовом потоке Т0*г = 1700 К, его давление Р0*г =1,502 МПа и приведенную скорость газового потока на выходе из лопаточной решетки

Рис. 8. Распределение скоростей потока в межлопаточном канале в среднем сечении опытной НЛ № 3 (режим № 38)

полное давление охлаждающего воздуха в передней Р0*в= 1,54 МПа и задней Р0*в= 1,52 МПа полостях и его температур в этих полостях Т0*в= 673 К.

Лопатка изготавливается литьем с направленной кристаллизацией из сплава ЦНК-7 НК и имеет снаружи слой теплозащит-нога покрытия толщиной 5 = 0,3 мм с величиной коэффициента теплопроводности = 3 Вт/(м-К).

В ходе предварительных расчетов удалось установить, что температура стенки лопатки превышает её допустимый уровень в Тл = 1150 К в области удлиненного свеса выходной кромки со стороны спинки. Как показала компьютерная визуализация обтекания указанной зоны профильной части лопатки, причина перегрева металла в этой зоне заключалась в наличии вихря в газовом потоке, образующегося в результате срыва потока с уступа укороченной части кромки на стороне корыта и последующего его нате-кания на удлиненный свес кромки со стороны спинки. В то же время для опытных режимов, как показали результаты аналогичной визуализации, такого явления не наблюдалось и охлаждающий воздух по выходе из задней полости лопатки образовывал на рассматриваемом свесе выходной кромки устойчивую тепловую завесу.

Т.о. с помощью разработанной расчетной модели удалось предсказать яв-

450 350 250 150 50

Т,°С

. спи чка 1 1 коры то .

• ' 1 [ •

[\/1Г 1 и V Г 1

1 1 1

0,0

0,2

0,4 0,6 0,8

1,0

Рис. 9. Экспериментальное (•) и расчетное распределение температуры стенки опытной НЛ № 3 вдоль внешнего обвода профиля (режим № 38)

ление, которое прежними расчетными методами, построенными на базе различных полуэмпирических теорий, выявить не удавалось, и на этом основании произвести модернизацию конструкции охлаждаемой лопатки, т.е. применить традиционный выпуск охлаждающего воздуха через щель в выходной кромке, а не в "карман" на корыте, как это было сделано в рассмотренной конструкции.

Результаты расчета температурного поля в среднем сечении модернизированной охлаждаемой НЛ 1-й ступени турбины на указанные выше начальные условия, представлены на рис. 10, и свидетельствуют о достижении вполне приемлемого теплового состояния, т.к. максимальная температура на обводе контура профиля не превышает 1120 К.

Оценка работоспособности спроектированной модернизированной охлаждаемой НЛ проводилась по критериям запаса длительной статической прочности от действия стационарных термических и изгибных напряжений и запаса долговечности от действия термоусталостного на-гружения на нестационарных режимах пуска и останова. Тем-Рис. 10. Расчетное распределение температуры пературные напряжения в сред-металла вдоль внешнею обвода профнля сред - нем сечении пера лопатки опре-него сечения модернизированной НЛ 1-й ступени турбины делялись по известной стержневой теории, учитывающей неравномерность температурного поля в среднем сечении пера лопатки. Использование для определения напряженного деформированного состояния лопатки коммерческого пакета позволило автоматически определять наиболее опасные точки в среднем сечении пера лопатки и оценивать в них запасы длительной статической прочности по суммарным напряжениям, которые, как показали расчеты, были не ниже, чем 2,1 при ресурсе лопаточного аппарата

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе выполненных исследований разработана и экспериментально обоснована высокоэффективная воздушная конвективно-пленочная система охлаждения НЛ 1-х ступеней турбин мощных стационарных энергетических ГТУ, обеспечивающая требуемые запасы как по длительной прочности на ресурс 25-103 час, так и по малоцикяовой термической усталости на 5000 циклов пусков и остановов ГТУ, при начальной температуре газа перед турбиной на

уровне 1700 К.

2. Спроектировано, изготовлено и запущено в эксплуатацию экспериментальное оборудование для определения расходных характеристик трактов охлаждения опытных НЛ с конвективно-пленочным охлаждением и исследования их теплового состояния в условиях обтекания горячим газовым потоком. Разработаны программы испытаний, методики обработки опытных данных и оценки погрешностей результатов опытного исследования.

3. По результатам опытного исследования пропускной способности трактов охлаждения опытных НЛ 1-й ступени турбины на газодинамическом стенде (в условиях обтекания лопаток внешним воздушным потоком) удалось установить, что соотношение между расходными характеристиками, полученными для одинаковых зон профильных частей различных лопаток осталось примерно таким же, как и в случае их определения на воздушном статическом стенде (в условиях отсутствия обтекания лопаток). Наблюдается хорошее совпадение гидравлических характеристик как для одинаковых зон разных лопаток, так и для одинаковых зон одних и тех же лопаток, полученных при разных внешних условиях.

4. "Горячие" испытания, выполненные в интервале изменения температур газа 500 * 700 °С и отношения давлений Рк/Рго = 1,05, при исследовании конвективно-пленочного охлаждения показали, что неравномерность в распределении температур более чем в два раза меньше средней глубины охлаждения. Безразмерная глубина охлаждения 9 в выбранной точке на входной кромке находилась в рассмотренных опытах на уровне 0,75 + 0,81, что обеспечивалось относительным расходом воздуха на уровне 10 %. На режимах с температурой газа 650 °С при исследовании чисто заградительного охлаждения установлено, что действие тепловой завесы распространяется на всю поверхность пера лопатки, т.ч. даже при отношении давлений Рк/Рго =1,012 температура в зоне выходной кромки не превышала 475 °С. Сравнение распределений температур, полученных в опытах при комбинированном и чисто заградительном охлаждении показало, что введение дополнительно внутреннего конвективного охлаждения дает снижение температуры лопатки на 50 * 100 °С.

5. Выполненный обзор и анализ современных методов расчетного исследования гидравлических характеристик трактов охлаждения и теплового состояния охлаждаемых лопаток ВГТ свидетельствует о их недостаточной разработанности применительно к облопачиванию турбины с комбинированным (конвективно-пленочным) охлаждением, что приводит к большим неточностям в определении теплового состояния таких лопаток и следовательно требует дальнейшего совершенствования этих расчетных методов с использованием современного программного и аппаратного обеспечения.

6. Результаты расчетов обтекания исследуемой решетки лопаток НА свидетельствуют о заметном смещении в сторону корыта точки растекания газовых потоков по обводу входной кромки от лобовой точки профиля. Факт нали-

чия такого смещения, весьма существенно влияющего на концепцию проектирования рядов отверстий перфорации в зоне лобовой точки обвода входной кромки лопатки, свидетельствует о необходимости весьма детальных расчетов обтекания лопаток турбин с конвективно-пленочным охлаждением.

7. Разработана комбинированная, с использованием программного комплекса COLD и коммерческого пакета FLUENT, методика теплового расчета лопатки НА 1-й ступени ВГТ с воздушным конвективно-пленочным охлаждением и проведено тестирование и корректировка разработанной методики по опытным данным тепловых и гидравлических испытаний экспериментальной охлаждаемой направляющей лопатки.

Публикации по теме диссертации

1. Многовариантный расчет тепловой схемы газотурбинной установки с открытыми системами воздушного и парового охлаждения газовой турбины/ А.В. Липин, В.Г. Полищук, В.А. Рассохин, Н.П. Соколов //XLVIII научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин: Тезисы докладов. -Рыбинск: Газотурбинные технологии, 2001. - С. 31 - 32.

2. Расчетно-экспериментальное исследование теплового состояния сопловой лопатки первой ступени турбины с конвективно-пленочным охлаждением / В.В. Кривоносова, А.В. Липин // Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2002. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Пермь: ПГТУ, 2002. - С. 164.

3. Результаты расчетно-экспериментального исследования гидравлических характеристик модельного соплового облопачивания для I ступени турбины установки ГТ-60/ К.Д. Андреев, А.А. Ермолаев, А.С. Лебедев, А.В. Липин, В.Г. Полищук, В.А. Рассохин, Н.П. Соколов//Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ, 2002.-Т. 2.-С. 45-48.

4. Результаты экспериментального исследования теплового состояния и эффективности воздушного охлаждения модифицированных лопаток СА первой ступени турбины установки ГТЭ-150/ К.Д. Андреев, А.А. Ермолаев, А.С. Лебедев, А.В. Липин, В.Г. Полищук, В.А. Рассохин, Н.П. Соколов, Ю.М Сундуков // L научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин: Тезисы докладов. - СПб.: ОАО ЛМЗ, 2003. - С. 25.

Подписано в печать^' ^^ 04. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Уч. печ. л. 1,0 . Тираж м . Заказ щ.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

«26269

Введение.

Основные условные обозначения.

Глава 1. Обзор, состояние вопроса, постановка задачи исследования.

1.11 Обзор и анализ основных работ по экспериментальному и расчетному исследованию эффективности конвективно-пленочного охлаждения зоны входной кромки лопатки.

1.2. Обзор основных методов гидравлического расчета систем охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин.34.

1.3. Обзор основных методов теплового расчета систем охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин.

1.4. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Программа испытаний направляющих лопаток. Объекты исследования, оборудование для проведения экспериментального исследования. Методики проведения экспериментальных исследований и обработки опытных данных.

2.1. Цель экспериментального исследования и программа испытаний направляющих лопаток 1-й ступени турбины на экспериментальных стендах.

2.2. Объекты исследования.

2.3. Оборудование для проведения экспериментального исследования.

2.4. Методика обработки опытных данных, способы представления результатов измерений, диапазоны их изменения и погрешности результатов опытного исследования.

Глава 3. Гидравлические и тепловые испытания опытных направляющих лопаток 1-й ступени турбины, результаты экспериментов. Эффективность воздушного охлаждения направляющих лопаток. Выводы по результатам испытаний.

3.1. Результаты экспериментального определения пропускной способности охлаждающего тракта опытных направляющих лопаток и отдельных его элементов.

3.2. Результаты экспериментального исследования теплового состояния опытных направляющих лопаток на газодинамическом стенде.

3.3. Оценки эффективности воздушного охлаждения опытных направляющих лопаток.

3.4. Выводы по результатам испытаний.

Глава 4. Проверка методики теплового расчета лопаток с конвективнопленочной системой охлаждения. Расчет теплового состояния t направляющей лопатки на параметры натурного режима работы.

Модернизация конструкции лопатки.

4.1. Расчетное определение расходных характеристик направляющей лопатки 1-й ступени турбины при параметрах эксперимента.

4.2. Расчетное определение теплового состояния направляющей лопатки

1-й ступени турбины при параметрах эксперимента.

4.3. Расчет теплового состояния направляющей лопатки 1-й ступени турбины на параметры натурного режима работы.

4.4. Расчет теплового состояния модернизированной конструкции направляющей лопатки 1-й ступени турбины на параметры натурного режима работы и оценка ее работоспособности.

Актуальность работы. Главными задачами современного газотурбостроения являются повышение экономичности и надежности работы газотурбинных установок всех типов; Основным способом совершенствования экономических показателей ГТУ является повышение, начальных параметров термодинамического цикла, и прежде всего - начальной i температуры газа; Если; учесть, что начальная температура газа перед турбиной современных стационарных энергетических ГТУ достигает 1500 + 1700 К, в то время как максимальная допустимая температура используемых, в настоящее время материалов с приемлемыми пределами жаропрочности находится на уровне 1100 + 1200 К, то становится очевидной необходимость введения охлаждения горячих деталей проточной части турбины ГТУ. Это в первую очередь относится к направляющим лопаткам 1-х ступеней турбин, которые работают в условиях сложного термонапряженного состояния.

С момента начала разработок систем охлаждения лопаточного аппарата высокотемпературных газовых турбин? вначале наибольшее распространение получили способы внутреннего конвективного охлаждения воздухом, отбираемым за ступенями компрессора ГТУ и движущимся по внутренним каналам в охлаждаемых лопатках. Вместе с тем, расчетные исследования показателей экономической эффективности ГТУ свидетельствуют о том, что применение внутренней конвективной системы охлаждения оказывается экономически выгодным до начальных температур газа перед турбиной не выше 1450 + 1500 К. При более высоких начальных температурах и соответствующих им степенях повышения давления в ГТУ на уровне 20 + 25 внутреннее конвективное охлаждение JIA турбины не обеспечивает требуемого срока службы лопаток при приемлемых расходах охлаждающего воздуха. В этих случаях находят применение комбинированные способы охлаждения, в которых внутреннее конвективное охлаждение дополняется внешним пленочным охлаждением.

Поэтому создание расчетных моделей лопаток газовых турбин с конвективно-пленочной системой охлаждения, верифицированных на основе экспериментальных исследований систем охлаждения такого типа, является актуальной задачей.

Цель работы состоит в создании высокоэф фективных систем охлаждения - лопаток мощных стационарных энергетических ГТУ на основе расчетноэкспериментальных исследований воздушных конвективно-пленочных систем охлаw ждения HJI 1 -й ступени турбины стационарных энергетических ГТУ.

Задачи исследования:

1. Обзор и анализ работ по современным методам гидравлического и теплового расчетов систем охлаждения лопаточных аппаратов ВГТ.

2. Обзор и анализ основных работ по расчетному и экспериментальному исследованию эффективности воздушного конвективно-пленочного охлаждения лобового участка обвода входной кромки лопаток 1-х ступеней ВГТ.

3. Проведение экспериментальных исследований по определению расходных характеристик как отдельных элементов^ так и тракта охлаждения в целом для опытt. ных лопаток направляющего аппарата (ПА) 1-й ступени турбины с конвективнопленочным охлаждением.

4. Проведение экспериментальных исследований по определению теплового состояния как в условиях чисто заградительного, так и в условиях комбинированного (конвективно-пленочного) воздушного охлаждения опытных лопаток НА 1-й ступени турбины.

5: Разработка комбинированной; с использованием программного комплекса

COLD ; и коммерческого пакета FLUENT, методики теплового * расчета лопатки НА 1-й ступени ВГТ с воздушным конвективно-пленочным охлаждением. т. ■

6. Тестирование и корректировка разработанной- методики по опытным данным тепловых и гидравлических испытаний экспериментальной охлаждаемой HJI с конвективно-пленочным охлаждением.

7. Проектирование на базе разработанной методики лопатки НА 1-й ступени ВГТ с начальной температурой газа 1700 К, использующей комбинированное (кон

V» вективно-пленочное) охлаждение.

Научная новизна:

1. Получены экспериментальные расходные характеристики как отдельных элементов, так и тракта охлаждения в целом для лопаток НА 1-й ступени турбины с конвективно-пленочным охлаждением.

2. Установлены характеристики эффективности конвективно-пленочного воздушного охлаждения лопаток НА 1-й ступени турбины.

3. Разработана комбинированная расчетная модель лопатки НА 1-й ступени

ВГТ с конвективно-пленочным охлаждением, реализованная-в среде программного комплекса COLD и коммерческого пакета FLUENT, что позволило с требуемой точностью при умеренной затрате вычислительных ресурсов определять тепловое состояние лопатки.

Достоверность результатов и справедливость разработанных методик подтверждаются: результатами наладочных опытов; оценкой точности как результатов > измерений, так и получаемых опытных данных; совпадением в сопоставимых условиях результатов настоящего исследования с результатами других авторов; совпадением результатов расчетов с экспериментом.

Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи, подготовке и проведении опытов, обработке и анализе экспериментальных данных, разработке программ и методик расчета, анализе расчетных данных, проектировании лопатки НА 1-й ступени ВГТ.

Автор защищает:

1. Расчетную модель лопатки НА 1-й ступени ВГТ с конвективно-пленочным) охлаждением и разработанную на базе этой модели методику расчета теплового состояния охлаждаемой лопатки.

2. Результаты расчетно-экспериментального исследования гидравлических характеристик и теплового состояния; опытной охлаждаемой HJI с конвективно-пленочной системой охлаждения.

3. Теплогидравлические характеристики, эффективность охлаждения и запасы по работоспособности спроектированной охлаждаемой лопатки НА 1-й ступени ВГТ с начальной температурой газа перед турбиной 1700 К.

Практическая ценность работы заключается в создании с использованием разработанной i расчетной модели методики * расчета теплового состояния лопатки; НА 1 -и ступени ВГТ с комбинированным конвективно-пленочным охлаждением и проектировании по этой методике HJI турбины для нового поколения ГТУ с начальной температурой газа перед турбиной на уровне 1700 К.

Апробация работы. Основные материалы диссертации; доложены на XLVIII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Рыбинск, 2001), 3-й Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002) и L научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Санкт-Петербург, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 156 страниц текста, включая 74 рисунка, 11 таблиц и список литературы из 59 наименований.

3.4. Выводы по результатам испытаний

1. Из представленных результатов опытного исследования < пропускной способности отдельных зон профильных частей 4-х экспериментальных HJI 1-й ступени турбины, полученных в условиях продувки этих лопаток в атмосферу (без внешнего обтекания) можно констатировать, что расходные характеристики для рассмотренных зон всех 4-х исследованных лопаток различаются между собой не более, чем на 10 * 20 %. При этом (насколько об этом можно судить по 4-м опытным лопаткам) само по себе несовпадение отдельных характеристик для исследованных зон-опытных лопаток является чисто случайным и, по всей вероятности, обусловлено, прежде всего, технологическими отклонениями от номинальных размеров при производстве лопаток.

2. В 5 целом по результатам опытного исследования пропускной способности трактов охлаждения опытных HJI 1-й ступени турбины на газодинамическом стенде (в условиях обтекания лопаток внешним воздушным потоком) удалось установить, что соотношение между расходными характеристиками, полученными для одинаковых зон профильных частей различных лопаток осталось примерно таким же, как и в, случае их определения на воздушном статическом стенде (в условиях отсутствия обтекания лопаток). Наблюдается хорошее совпадение гидравлических характеристик как для одинаковых зон разных лопаток, так и для одинаковых зон одних и тех же лопаток, полученных при разных внешних условиях.

3. "Горячие" испытания выполнены в интервале изменения температур газа 500 -т- 700 °С и отношения давлений Рк/Рг0 = 1,05, при исследовании конвективно-пленочного охлаждения показали, что неравномерность в распределении температур более чем в два раза меньше средней глубины охлаждения. Безразмерная глубина охлаждения 0 в выбранной точке на входной кромкой находилась в рассмотренных опытах на уровне 0,75 -s- 0,81, что обеспечивалось относительным расходом воздуха на уровне 10 %.

4. На режимах с температурой газа 650 °С при исследовании чисто заградительного охлаждения установлено, что действие тепловой завесы распространяется на всю поверхность профиля лопатки, т.к. даже при отношении давлений Рк/Рг0 = 1,012, температура в зоне входной кромки не превышала 475 °С.

5. Сравнение распределения температур, полученных в опытах при комбинированном и чисто заградительном охлаждении показало, что введение дополнительно внутреннего конвективного охлаждения дает снижение температуры лопатки на 50.+ 100 °С.

Глава 4. ПРОВЕРКА МЕТОДИКИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ЛОПАТОК С КОНВЕКТИВНО-ПЛЕНОЧНОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯМ РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ЛОПАТКИ НА ПАРАМЕТРЫ НАТУРНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ; МОДЕРНИЗАЦИЯ

КОНСТРУКЦИИ ЛОПАТКИ

С целью; верификации предлагаемой расчетной методики необходимо провести расчетное определение расходных характеристик и температурного поля в исследуемой НЛ при режимных параметрах экспериментов и сравнить результаты расчетов по этой методике с результатами экспериментальных исследований. По результатам этого сравнения можно будет сделать вывод о возможности применения данной методики для расчета теплового состояния направляющих лопаток с конвективно-пленочной системой охлаждения, в том числе и < на натурные условия работы.

4.1. Расчетное определение расходных характеристик направляющей лопатки 1-й ступени турбины при параметрах эксперимента

Расчеты расходных характеристик, для; сравнения1 их с экспериментальными расходными характеристиками, произведены для; опытной направляющей лопатки № 3 1-й ступени турбины.

В 5 качестве исходных данных для расчета расходных характеристик принимались экспериментальные: режимные параметры газового- потока иг охлаждающего воздуха. Геометрические: характеристики расчетных элементов направляющей лопатки, в том числе и ее системы охлаждения, взяты из математической модели данной лопатки; спроектированной в CAD/CAE/CAM системе Unigraphics NX.

На ЛМЗ для расчета s гидравлики систем охлаждения используется; программа А.Ф.Слитенко [49]. Тем не менее, для обработки экспериментальных данных была выбрана, разработанная в СПИМаш'е программа под условным названием GIDRA [6]; входящая в программный комплекс COLD; Этот выбор обусловлен следующими обстоятельствами:

1. Программа моделирует запирание потока; в: каналах, т.е. работает как на докритических, так и при критических и сверхкритических перепадах давлений. Расчеты показали, что на некоторых режимах отдельные каналы перфорации и выходной кромки работают на сверхкритических перепадах давлений.

2. Экспериментальная лопатка имеет развитое пленочное охлаждение. Программа А.Ф.Слитенко выводит в результирующий файл,. за. исключением полного давления и статической температуры, только средние * по ? каналу параметры потока. Однако известно, что для корректного расчета пленочного охлаждения необходимо знать значения таких параметров потока, как полная температура, скорость, статические давление: и - плотность, причем, в выходном сечении каналов перфорации. Как; показывают расчеты, для некоторых каналов значения параметров в выходном сечении существенно отличаются от таковых в среднем сечении. Проведение дополнительного точного расчета необходимых величин в выходном* сечении по данным программы А.Ф.Слитенко затруднительно и трудоемко. Программа GIDRA лишена этого недостатка.

3. Удобство формирования файла с исходными данными.

Для расчетов давлений в газовом потоке в точках профиля, где производится! выпуск охлаждающего воздуха на наружную поверхность лопатки при обработке экспериментов по исследованию гидравлики системы охлаждения лопатки в условиях "холодного" набегающего потока, использовалась программа UPI [7] для расчета потенциального обтекания плоских решеток профилей, также входящая в программный комплекс COLD.

Эквивалентные гидравлические схемы для расчета параметров охладителя * в отдельных зонах системы охлаждения направляющей лопатки 1-й ступени турбины представлены на рис. 4.1 -f- 4.5. Следует обратить внимание, что при расчете расходных характеристик зон: передней полости системы; охлаждения направляющей г лопатки (см. рис. 4.1 4-4.4), учитывались утечки охлаждающего воздуха через щель между прорезью в периферийной полке направляющей лопатки и вставленной в эту прорезь с последующим отгибом душирующей пластиной:

Сравнение экспериментальных и расчетных расходных характеристик отдельных зон системы охлаждения опытной направляющей лопатки № 3 1-й ступени турбины без внешнего обтекания потоком; представлены наг рис. 4.6 4.10, а в условиях набегающего потока - на рис. 4.11 и 4.12.

Сопоставление значений относительных максимальных отклонений A max lOO

Рис. 4.5. Эквивалентная гидравлическая схема задней полости системы охлаждения направляющей лопатки 1-й ступени турбины

О^ЛО'кг-л/кДс.Па)

Рис. 4.6. Экспериментальная (•) и расчетная зависимости приведенного расхода через зону входной кромки системы охлаждения опытной HJI № 3 без набегающего потока от отношения давлений в полости подачи охладителя к атмосферному давлению

Рис. 4.7. Экспериментальная (•) и расчетная зависимости приведенного расхода через зону спинки системы охлаждения опытной HJI № 3 без набегающего потока от отношения давлений в полости подачи охладителя к атмосферному давлению пр, 106 кг • >/к/(с • Па)

Рис. 4.8. Экспериментальная (•) и расчетная зависимости приведенного расхода через зону корыта системы охлаждения опытной HJI № 3 без набегающего потока от отношения давлений в полости подачи охладителя к атмосферному давлению

О^К^кг-ТкДс.Па)

Рис. 4.9. Экспериментальная (•) и расчетная зависимости приведенного расхода через переднюю полость системы охлаждения опытной HJI № 3 без набегающего потока от отношения давлений в полости подачи охладителя к атмосферному давлению

О^Ю'кг.ТкДсПа)

Рис. 4.10. Экспериментальная (•) и расчетная зависимости приведенного расхода через заднюю полость системы охлаждения опытной HJI № 3 без набегающего потока от отношения давлений в полости подачи охладителя к атмосферному давлению пр > 106 кг • Vk/(c • Па)

Рис. 4.11. Экспериментальная (•) и расчетная зависимости приведенного расхода через зону спинки системы охлаждения опытной HJI № 3 в условиях набегающего потока от отношения давлений в полости подачи охладителя к давлению в газовом потоке перед фронтом решетки

Рис. 4.12. Экспериментальная (•) и расчетная зависимости приведенного расхода через заднюю полость системы охлаждения опытной HJI № 3 в условиях набегающего потока от отношения давлений в полости подачи охладителя к давлению в газовом потоке перед фронтом решетки экспериментальных расходов охлаждающего воздуха от полученных расчетных путем приведено в табл. 4.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении отметим основные результаты представленной работы:

1. На основе выполненных исследований разработана и экспериментально обоснована s высокоэффективная воздушная конвективно-пленочная система охлаждения ЫЛ 1-х ступеней турбин мощных стационарных энергетических ГТУ, обеспечивающая требуемые запасы как по длительной прочности на ресурс 25-103 час, так и по малоцикловой термической усталости на 5000 циклов пусков и остановов ГТУ, при начальной температуре газа перед турбиной на уровне 1700 К.

2. Спроектировано, изготовлено и запущено в эксплуатацию экспериментальное оборудование: для определения расходных характеристик трактов охлаждения опытных НЛ с конвективно-пленочным охлаждением и исследования t их теплового состояния в условиях обтекания горячим газовым потоком. Разработаны программы испытаний, методики обработки опытных данных и оценки погрешностей результатов опытного исследования.

3 • По результатам опытного исследования пропускной способности трактов охлаждения опытных НЛ 1-й ступени турбины на газодинамическом стенде (в условиях обтекания лопаток внешним; воздушным потоком) удалось установить, что соотношение между расходными характеристиками, полученными для одинаковых зон профильных частей различных лопаток осталось примерно таким же, как и в случае их определения на воздушном статическом стенде (в условиях отсутствия обтекания лопаток). Наблюдается хорошее совпадение гидравлических характеристик как для одинаковых зон разных лопаток, так и для одинаковых зон одних и тех же лопаток, полученных при разных внешних условиях.

4. "Горячие" испытания, выполненные в интервале изменения температур газа 500 -т- 700 и отношения давлений Рк/Рго = 1,05, при исследовании конвективно-пленочного охлаждения показали, что неравномерность в распределении температур более чем в два? раза? меньше средней глубины; охлаждения. Безразмерная глубина4 охлаждения 0 в выбранной точке на: входной кромке находилась в рассмотренных опытах на уровне 0,75 -ь 0,81, что обеспечивалось относительным расходом воздуха на уровне 10 %. На режимах с температурой газа 650 °С при исследовании чисто заградительного охлаждения установлено, что действие тепловой < завесы распространяется на> всю поверхность пера лопатки, т.к. даже при отношении давлений Рк/Рго= 1,012 температура в зоне выходной кромки не превышала 475°С. Сравнение распределений температур, полученных в опытах при комбинированном и чисто заградительном охлаждении показало, что введение дополнительно внутреннего конвективного охлаждения дает снижение температуры лопатки на 50 н-100 °С.

5. Выполненный обзор и анализ современных методов расчетного исследования i. гидравлических характеристик трактов охлаждения и теплового состояния, охлаждаемых лопаток ВГТ свидетельствует о их недостаточной разработанности; применительно1 к облопачиванию; турбины с комбинированным (конвективно-пленочным) охлаждением, что приводит к большим неточностям в определении теплового состояния таких лопаток, и следовательно, требует дальнейшего совершенствования ; этих расчетных методов с использованием современного программного и аппаратного обеспечения.

6. Результаты расчетов обтекания исследуемойf решетки; лопаток НА свидетельствуют о заметном смещении в сторону корыта точки растекания газовых потоков по обводу входной кромки от лобовой точки профиля. Факт наличия; такого смещения; весьма существенно влияющего на концепцию проектирования; рядов отверстий перфорации в зоне лобовой точки * обвода входной кромки лопатки, свидетельствует о необходимости весьма детальных расчетов обтекания лопаток турбин с конвективно-пленочным охлаждением.

7. Разработана комбинированная; с использованием программного комплекса COLD и коммерческого пакета FLUENT, методика теплового расчета лопатки«НА 1-й ступени ВГТ с воздушным конвективно-пленочным охлаждением и проведено тестирование и корректировка разработанной методики по опытным данным тепловых и гидравлических испытаний экспериментальной охлаждаемой - направляющей лопатки.

1. Аэродинамическое совершенствование лопаточных аппаратов паровых и газовых турбин / Гукасова Е.А., Жуковский М.И., Заводовский А.М. и др.- М.- Л.: Гос-энергоиздат, 1960. 340 с.

2. Абианц В.X. Теория авиационных газовых турбин. М.: Машиностроение, 1979.-246 с.

3. Богомолов Е.Н. Рабочие процессы в охлаждаемых турбинах газотурбинных двигателей с перфорированными лопатками. М.: Машиностроение, 1987. - 160 с.

4. Венедиктов В.Д. Газодинамика охлаждаемых турбин. М.: Машиностроение, 1990. -240 с.

5. Вохмянин С.М., Роост Э.Г. Компьютерная база экспериментальных данных охлаждаемых лопаток газовых турбин // Теплоэнергетика. — 1997. № 5: — С. 49-52.

6. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет/ В.И. Локай, М.К. Максутова, В.А. Стрункин. М.: Машиностроение, 1991. -512 с.

7. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. М.: Энергия, 1974. - 594 с.

8. Жаров Г.Г., Венцюлис JI.C. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки. Л.: Судостроение, 1973. - 359 с.

9. Зысина-Моложен Л .М., Зысин Л.В., Поляк М.П. Теплообмен в турбомашинах. -Д.: Машиностроение, 1974. 336 с.

10. Иванов B.C., Нагога Г.П., Скворцов B.JL Исследование теплообмена в лобовом участке перфорированной входной кромки охлаждаемых лопаток газовых турбин / Проектирование и доводка авиационных двигателей: Межвуз. сб. Куйбышев: КуАИ. - 1983. - С. 96 - 108.

11. Ид ел ьчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. - 559 с.

12. Интенсификация теплообмена в каналах /Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А.Ярхо. -М.: Машиностроение, 1981.-205 с.

13. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Гл. ред. Физико-математической литературы изд-ва Наука, 1978. - 512 с.

14. Коваленко А.Н., Лебедев А.С., Сафонов Л.П. Охлаждение лопаточных аппаратов газовых турбин: Обзор //Энергетическое машиностроение, Сер. 3. Вып. 4: — М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1990. 40 с.

15. Копелев С.З. Охлаждаемые лопатки газовых турбин (тепловой расчет и профилирование). М.: Наука, 1983. - 143 с.

16. Копелев С.З., Гуров С.В. Тепловое состояние элементов конструкцийавиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1978. - 208 с.

17. Копелев С.3., Гуров С.В., Авилова-Шульгина М;А. Повышение эффективности охлаждения входной кромки турбинных лопаток // Теплоэнергетика. 1971. -№12;-С. 38-41.

18. Копелев С.З., Слитенко А.Ф. Конструкция и расчет систем охлаждения ГТД/Под ред. Слитенко А.Ф. Харьков: Основа, 1994.-240 с.

19. Костеж В.К., Халтурин В.А., Харьковский С.В; Разработка программных комплексов моделирования полей температуры в роторах турбин ГТД (квазитрехмерные и трёхмерные модели). М.: Изд-во ЦИАМ, 1988. - 88 с.

20. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

21. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987. - 840 с.

22. Манушин Э.А. Газовые турбины: проблемы и перспективы. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 167 с.

23. Методы и задачи теплообмена: Учебн. пособие для авиационных вузов / Я.М. Котляр, В;Д. Совершенный, Д.С. Стриженов. М.: Машиностроение, 1987. -320 с.

24. Михеев М.А., Михеева И.М; Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973.-320 с.

25. Нагога Г.П: Эффективные способы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин: Учебное пособие. М.: МАИ, 1996. - 100 с.

26. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки. М.: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.

27. Паспорт на сплав ЦНК-7 PC для лопаток газовых турбин. СПб,: ОАО J1M3, 2001. - 110 с.

28. Паспорт на сплав ЦНК-7 НК для лопаток газовых турбин. СПб.: ОАО ЛМЗ, 20011 — 122 с.

29. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 472 с.

30. Преображенский; В.П. Теплотехнические измерения и приборы. — Ml: Энергия, 1978 703 с.

31. Препарировка и определение теплового состояния направляющих лопаток и температуры таза перед турбиной / Отчет ОАО НПО ЦКТИ. — Договор № 31—02/19 от 15.11.01. СПб.: 2003. - 12 с.

32. Расчет охлаждения турбин с помощью ЭЦВМ! Температурные поля и стационарная гидравлика. РТМ 24.020.13-72. М.:Минтяжэнерготрансмаш, 1974. -132 с.

33. Расчетные и экспериментальные методы определения теплового состояния основных узлов газовых турбин с воздушным охлаждением. Руководящие указания

34. ЦКТИ ИТТФ. - Т. 1.- Л.: 1970.-365 с.

35. Расчетные и экспериментальные методы определения теплового состояния основных узлов газовых турбин с воздушным охлаждением. Руководящие указания ЦКТИ - ИТТФ. - Т. 2. - Л.: 1972. - 224 с.

36. Расчетные и экспериментальные методы определения теплового состояниям основных узлов газовых турбин с воздушным охлаждением. Руководящие указания ЦКТИ - ИТТФ. - Т. 3. - Л.: 1977. - 190 с.

37. Самарский А.А., Тихонов А.Н. Уравнения математической физики. -М.: Гос. изд-во технико-теоретической лит., 1953. 680 с.

38. Слитенко А.Ф. Метод и программа расчета систем охлаждения газовых турбин / Научно-технический отчет № П-85. Харьков: Изд-во ХПИ, 1983. - 68 с.

39. Стационарные газотурбинные установки / Л.В.Арсеньев, В.Г.Тырышкин, И.А. Богов и др.; под ред. Л.В1 Арсеньева и В.Г. Тырышкина. Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1989. - 543 с.

40. Теория: и техника теплофизического эксперимента: Учебное пособие для вузов / Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин и др.; под ред. В.К. Щукина. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 360 с.

41. Теория теплообмена: Учебник для вузов/ С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др.; под редакцией А.И: Леонтьева. — М.: Высшая школа, 1979. -495 с.

42. Теплообменные устройства газотурбинных и комбинированных установок: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Н.Д. Грязнов, В.М: Епифанов, В.Л. Иванов, Э.А. Манушин. М.: Машиностроение, 1985. - 360 с.

43. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей летательных аппаратов/ В.И. Локай, М.Н. Бодунов, В.В. Жуйков, А.В. Щукин. М.: Машиностроение, 1985. - 216 с.

44. Термопрочность деталей машин/Под ред. И.А. Биргера, Б.Ф. Шорра. — М.: Машиностроение, 1975. — 455 с.

45. Хэдрик Дж. К., Мецгер Д. Э., Такеучи Д.И. Применение формальных методов оптимизации при проектировании систем охлаждения газовой завесой //Ракетная техника и космонавтика. Т. 16- №12. Пер. с англ. М.: Мир, 1978. - Т. 16. -№12.-С. 149-155.

46. Щвец И.Т., Дыбан Е.П. Воздушное охлаждение деталей газовых турбин. -Киев.: Наукова думка, 1974. 487 с.

47. Menter F.R. Two-equation eddy viscosity turbulence models for engineering applications. // AIAA J. 1994. - 32, № 11. - P. 1299 - 1310.

48. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten Years of Industrial Experience with the SST Turbulence Model, Proc. 4th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, October 12-17,2003, Antalya, Turkey, PP. 621-629.