Удосконалення методів розрахунку і розробка ефективних систем охолоджування газових турбін

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.05.16 - турбомашини та турбоустановки

Удосконалення методів розрахунку і розробка ефективних систем охолоджування газових турбін

Виконав Тарасов Олександр Іванович

Харків-2009

АНОТАЦІЯ

Тарасов О.І. Удосконалення методів розрахунку і розробка ефективних систем охолоджування газових турбін - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.05.16 - турбомашини і турбоустановки. - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»: Харків, 2009.

Дисертація присвячена вирішенню прикладної науково-технічної проблеми вдосконалення методів розрахунку і створення ефективних повітряних, парових систем охолоджування для сучасних і перспективних газових турбін.

Розроблено математичну модель гідродинамічного і теплового пограничного шару для визначення коефіцієнта тепловіддачі на торцевій поверхні міжлопаткових каналів активних і реактивних турбінних решіток.

Запропоновано спосіб зведення тривимірної задачі теплопровідності до двовимірної та обґрунтовано його застосування для попереднього розрахунку температурного стану газової турбіни з достатньою точністю для попереднього аналізу.

Вирішено проблему запирання каналів системи охолодження при досягненні швидкості звуку шляхом введення додаткових гідравлічних опорів.

Встановлено, що незалежно від форми зазору біля диска характер зміни відцентрового напору в роторах турбін залежно від витрат повітря в зазорі може бути описаний імітаційною залежністю.

Виконано порівняльний аналіз ефективності повітря, насиченої та вологої водяної пари в каналах системи охолодження за допомогою математичної моделі течії і теплообміну однофазного і двофазного теплоносіїв.

Уточнено рівняння подібності для теплообміну в каналах круглого і прямокутного поперечних перерізів, що дозволило виправити розрахунок температури охолоджуваних лопаток газових турбін на 20 - 30 К.

Для оптимізації систем охолодження газових турбін створено алгоритм і програму, яка була основана на методі ЛПt-послідовностей. Показані широкі можливості та ефективність програми для створення економних систем охолодження напрямних і робочих лопаток газових турбін.

Виконано аналіз розгалужених систем охолодження корпусу, ротора, напрямних лопаток високотемпературної газової турбіни при використанні повітря і перегрітої водяної пари. Встановлено, що однаковий температурний рівень деталей досягається при наближено двократному зниженні витрат пари в порівнянні з витратою повітря.

Обґрунтовано доцільність застосування пористих елементів з рідиннометалевим теплоносієм для вирівнювання температурного стану оболонки і збільшення ефективності її охолодження.

Ключові слова: газова турбіна, системи охолодження, тепловий захист, теплообмін, теплопередача, гідравлічні системи, коефіцієнт тепловіддачі, рідиннометалевий теплоносій.

тепловіддача газовий турбіна охолодження

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Термодинамічне вдосконалення ГТУ і ГТД всіх типів виконуються головним чином шляхом освоєння високих температур газу (Т_г). Оскільки темпи підвищення жароміцності сплавів для газових турбін істотно відстають від зростання Т_г, то у найближчому майбутньому єдиним шляхом підвищення Т_г залишається застосування охолоджування найбільш нагрітих і найбільш навантажених деталей газових турбін, в першу чергу соплових і робочих лопаток. Тому дослідження і вирішення проблем освоєння високих температур газу в газотурбінних установках за допомогою застосування високоефективного охолоджування деталей турбін є одним з найбільш актуальних напрямів розвитку сучасного газотурбінобудування.

При створенні сучасних високотемпературних газотурбінних установок доводиться вирішувати комплекс питань, пов'язаних з організацією ефективного охолоджування деталей турбін. Вітчизняні, а також зарубіжні організації і фірми накопичили великий досвід у розробці методів розрахунку зовнішнього і внутрішнього теплообміну в елементах охолоджуваних турбін, у створенні методів розрахунку термонапруженого стану і в оцінці міцності охолоджуваних лопаток, у вдосконаленні конструкцій елементів повітряних конвективних, плівкових, пористих і комбінованих систем охолоджування, в розробці нових рідинних систем охолоджування. Проте і на сьогодні проблема створення ефективних систем охолоджування газових турбін не може вважатися повністю вирішеною. Подальше вирішення проблеми поділяється на ряд складових:

- вдосконалення методів визначення граничних умов теплообміну в проточній частині турбіни;

- створення точніших методів моделювання гідравлічних схем систем охолоджування газових турбін;

- обґрунтування використання нетрадиційних теплоносіїв у системах охолоджування;

- застосування нетрадиційних способів охолоджування газових турбін.

Температура лопаток та інших елементів проточної частини в сучасних турбінах наближається до таких значень, коли невелике збільшення температури призводить до помітного зниження ресурсу роботи установки. У цих умовах виникає необхідність в точнішому, ніж раніше, прогнозуванні теплового стану найбільш навантажених частин турбіни. Таким чином продовжує бути актуальним вивчення теплообміну в проточній частині турбіни з метою вдосконалення методів розрахунку тепловіддачі.

У газотурбінних двигунах для охолоджування використовується виключно повітря, відбір якого з циклу знижує ефективність. Тому доцільно використовувати інші теплоносії. Зокрема, в наземних газотурбінних установках доцільним є використання водяної пари. Тому розробка методів розрахунку розгалужених систем парового охолоджування газових турбін і обґрунтування ефективності таких систем продовжує бути актуальним завданням у теперішній час.

У різних галузях техніки використовуються теплові труби з пористим наповнювачем, які мають високий коефіцієнт зведеної теплопровідності, що дозволяє застосовувати їх для передачі великих теплових потужностей за практично ізотермічних умов. У цьому розумінні їх застосування надзвичайно привабливе для охолоджування елементів газових турбін. Проте розв'язування цієї задачі натрапляє на серйозні теоретичні та технологічні труднощі.

Визначені проблеми є актуальними для турбінобудування та складають напрямок дисертаційної роботи.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи тісно пов'язана з науковими програмами МОН України, планами і темами, які виконувалися в НТУ «ХПІ» на кафедрі турбінобудування у період з 1999 по 2008 роки.

Як науковий керівник очолював виконання держбюджетних НДР: «Фундаментальні наукові дослідження і розробка методу створення високоекономічних турбінних лопаток з ламінаризованими профілями» (ДР № 0103U001501, 2003-2005), «Фундаментальні наукові дослідження систем транспіраційного і парового охолоджування високотемпературних газових турбін» (ДР № 0106U001778, 2006-2008) та госпдоговірної науково-дослідної роботи «Розрахунок системи охолоджування турбіни ГТЕ-115М» (ВАТ «Турбоатом», м. Харків, 2008).

Як відповідальний виконавець брав участь у виконанні держбюджетної НДР «Створення методів розрахунку гідродинаміки і теплообміну високотемпературних теплових труб. Використання теплових труб для теплової стабілізації елементів конструкцій газотурбінних установок» (ДР № 0100U001660, 2000-2002).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення систем охолоджування газових турбін шляхом подальшого розвитку методів розрахунку теплового стану газових турбін, гідравлічних систем охолоджування, а також застосуванням перспективних теплоносіїв і способів охолоджування.

У процесі виконання роботи були розв'язані задачі:

- визначення коефіцієнтів тепловіддачі на торцевій поверхні міжлопаткового каналу для активних і реактивних профілів на основі застосування математичної моделі спряженого гідродинамічного і теплового пограничного шару;

- удосконалення методів розрахунку розгалужених систем охолоджування газових турбін і закономірностей теплообміну у каналах цих систем;

- вивчення закономірностей течії і теплообміну однофазного і двофазного теплоносія в каналах системи охолоджування на основі застосування математичної теплогазодинамічної моделі;

- оптимізація розгалужених систем охолоджування газових турбін за допомогою ЛПt-пошуку;

- розробка розгалужених систем охолоджування газової турбіни і порівняльний аналіз ефективності парового і повітряного охолоджування;

- аналіз ефективності застосування вологої пари для охолоджування соплової лопатки високотемпературної турбіни порівняно з паровим і повітряним охолоджуванням;

- вивчання закономірностей процесів руху і фазового переходу у пористих матеріалах, заповнених рідиннометалевим теплоносієм;

- чисельний аналіз теплового стану багатошарової системи, що складається з оболонки лопатки, зовнішня поверхня якої нагрівається газом, пористої прокладки, заповненої рідиннометалевим теплоносієм, і внутрішньої тонкої стінки, яка охолоджуються повітрям;

- обґрунтування можливості застосування пористих прокладок з рідиннометалевим теплоносієм для вирівнювання температурного поля оболонки і збільшення ефективності її охолоджування.

Об'єкт дослідження - охолоджувані елементи високотемпературних газових турбін.

Предмет дослідження - процеси теплообміну в проточній частині газової турбіни і у внутрішніх каналах систем охолоджування, теплообмін у фазових переходах теплоносія в пористих матеріалах, моделювання розгалужених гідравлічних мереж систем охолоджування.

Методи дослідження. Теоретичні положення дисертації базуються на фундаментальних основах теорії тепломасообміну, гідродинаміки, чисельних методах розв'язування задач теплопровідності, конвективного і двофазного теплообміну, методах розрахунку розгалужених гідравлічних мереж. Зокрема, для розрахунків гідравлічних мереж систем охолоджування використано метод, оснований на теорії графів; для розрахунків теплового стану турбін - метод кінцевих елементів; для розв'язування системи звичайних диференційних рівнянь теплогазодинамічної задачі - метод Рунне-Кута; для оптимізації систем охолоджування - метод ЛП-пошука; для розв'язування задач тепломасообміну в насичених рідиннометалевим теплоносієм пористих прокладках - метод кінцевих елементів у поєднанні з методом Гальоркіна.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше:

1. Запропоновано і обґрунтовано модифікацію методу розрахунку розгалужених гідравлічних мереж з урахуванням стисливості теплоносія, що забезпечує похибку розрахунку витрати теплоносія не більше ніж 8-10 %.

2. Набув подальшого розвитку метод розрахунку відцентрового тиску повітря в різних за формою порожнинах біля дисків роторів газових турбін для моделювання розгалужених систем охолоджування газових турбін, який дозволяє уникнути коливань при сходженні ітераційного процесу та забезпечує надійні результати у практично важливому діапазоні витрат повітря, що запирає внутрішні порожнини у роторі від надходження газу.

3. Запропоновано і обґрунтовано поправку до рівняння подібності для теплообміну в каналах системи охолоджування прямокутного перерізу, яка вказує на зниження тепловіддачі у таких каналах у порівнянні з каналами круглого перерізу на 10-15 % залежно від співвідношення ширини до висоти.

4. Запропоновано в інтегральному методі розрахунку спряженого гідродинамічного і теплового пограничного шару використовувати уточнену залежність для тепловіддачі на торцевих поверхнях криволінійних каналів, яка дає можливість враховувати вплив на тепловіддачу особливостей течії в кутових зонах поблизу опуклого і увігнутого боків лопатки.

5. Для складних розгалужених систем охолоджування високотемпературних газових турбін виконано аналіз ефективності парової системи охолоджування у порівнянні з повітряною, який свідчить, що потрібна витрата пари порівняно з витратою повітря приблизно у два рази менше при утриманні температури деталей на однаковому рівні.

6. Показано ефективність вологої пари для охолоджування лопатки газової турбіни, зроблено обґрунтовані висновки щодо необхідного значення початкового ступеня сухості пари на вході у внутрішні канали системи охолоджування за допомогою розробленої математичної моделі сумісного вирішення рівнянь газодинаміки і теплообміну однофазних і двофазних теплоносіїв.

7. Запропоновано і теоретично обґрунтовано можливість застосування пористих елементів з рідиннометалевим теплоносієм для вирівнювання температурного поля оболонки лопатки і збільшення ефективності її охолоджування за допомогою розробленої математичної моделі теплообміну і динаміки рідиннометалевого теплоносія у пористих матеріалах.

8. Доведено ефективність методу ЛПt-послідовностей для оптимізації систем охолоджування газових турбін за допомогою розробленого алгоритму, який був впроваджений у загальну програму розрахунку систем охолоджування газових турбін.

Практичне значення одержаних результатів для галузі турбінобудування полягає у такому.

1. Розроблені метод і комп'ютерна програма для визначення граничних умов теплообміну на торцевих поверхнях міжлопаткових каналів у соплових і робочих лопатках, яка може застосовуватися в процесі проектування систем охолодження газових турбін для підвищення надійності розрахунків.

2. Дано рекомендації щодо визначення витрати пари у порівнянні з витратою повітря в системах охолоджування стаціонарних газових турбін, які можуть використовуватися для попереднього аналізу парового охолоджування.

3. Розроблено метод розв'язування одновимірної спряженої задачі газодинаміки, теплообміну однофазних і двофазних теплоносіїв та температурного стану оболонки лопатки; створено відповідну комп'ютерну програму, яку доцільно використовувати для проектування дефлекторних систем охолоджування тонкостінних лопаток газових турбін.

4. Отримала подальший розвиток модель двофазного теплообміну у пористому середовищі, на основі якої створено програмний комплекс для моделювання теплообміну в багатошаровій системі, який дозволяє розробляти перспективні системи охолоджування лопаток газових турбін.

5. Вдосконалено систему охолоджування направляючої лопатки газової турбіни за допомогою використання пористих елементів, насичених двофазним теплоносієм, що є прикладом перспективної системи охолоджування.

6. Створено алгоритм і відповідну програму оптимізації систем охолоджування з урахуванням режимних і функціональних обмежень, яка дозволяє суттєво зменшити час на розробку розгалужених систем охолоджування газових турбін.

Результати дисертаційної роботи впроваджено на: ВАТ «Турбоатом» (м. Харків, акт про впровадження від 19.05.2009), ДП НВКГ «Зоря»-«Машпроект» (м. Миколаїв, акт про впровадження від 18.05.2009), ВАТ «Актуальна механіка» (м. Харків, акт впровадження від 15.12.2008) та у навчальний процес кафедри турбінобудування НТУ «ХПІ» (акт про впровадження від 15.05.2009).

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: міжнародних науково-технічних конференціях «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я» (Харків, 1999, 2001, 2002, 2003, 2005, 2008); «HEAT/MASS TRANSFER MIF-92» (Мінськ, 1992), 4-й міжнародній конференції «Обратные задачи: идентификация, проектирование и управление» (Москва, 2003); міжнародній науково-технічній конференції «Вдосконалення турбоустановок методами математичного моделювання» (Зміїв, Україна, 2003); міжнародних науково-технічних конференціях «Power Engineering Research Problems» (Варшава, Польща, 1999, 2003), «International Joint Power Generation Conference» (Атланта, США, 2003), «ASME Turbo Expo» (Відень, Австрія, 2004), IV міжнародній науково-технічній конференції «Проблемы промышленной теплотехники» (Київ, 2005); Всеукраїнській науково-технічній конференції «Проблемы энергосбережения Украины и пути их решения» (Харків, 2006, 2007, 2008, 2009), міжнародній науково-технічній конференції «Моделирование-2008» (Київ, 2008), XII і XIII Всеросійській міжвузівській конференції «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» (Москва, 2004, 2008).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність дослідження, формулюється мета роботи і перелік вирішуваних завдань, указується наукова новизна роботи і її практичне значення.

У першому розділі дисертаційної роботи зроблено огляд теоретичних та експериментальних робіт про теплообмін у каналах системи охолоджування і в проточній частині газової турбіни. Розглянуто методи розрахунку розгалужених систем охолоджування газових турбін та відмічено їх недоліки. Показано тенденції застосування повітряної системи охолоджування. Проаналізовано особливості застосування пари в системах охолоджування. Наведено відомості про роботи, присвячені дослідженню вологої пари як охолоджувача і можливості використання теплових труб як елемента систем охолоджування деталей газових турбін. Проведено аналіз невирішених проблем за всіма напрямками.

У другому розділі обґрунтовується необхідність вдосконалення і створення нових інтегральних методів розрахунку теплового пограничного шару в інженерній практиці. Показано, що існуючі чисельні методи моделювання в'язких течій з використанням моделей турбулентності різного рівня не дозволяють поки з достатньою точністю розраховувати інтенсивність тепловіддачі, особливо в області переходу від ламінарного режиму течії в пограничному шарі до турбулентного. Чисельне моделювання течії в плоских решітках турбінних профілів типу ТС-1А підтвердило цей висновок. Інтегральний метод розрахунку теплового пограничного шару показав помітно кращий збіг з експериментом, ніж чисельне моделювання.

Аналіз досліджень теплообміну на торцевих поверхнях показав, що течія тут є складнішою, ніж на профілі лопатки і це не дозволяє описати тепловіддачу на торцевій поверхні простими рівняннями подібності. Тому в розрахунках теплового стану вінця турбіни використовується середній коефіцієнт тепловіддачі на торцевій поверхні міжлопаткового каналу. Проте проведені оцінки показали, що задання середнього коефіцієнта тепловіддачі замість локального може приводити до неприпустимої похибки розрахунку температури металу. Тому було виконане вдосконалено методи розрахунку локальної тепловіддачі на торцевій поверхні міжлопаткового каналу.

Система інтегральних рівнянь тривимірного гідродинамічного торцевого пограничного шару була виведена на основі залежностей, отриманих у роботі Гречаниченко Ю.В., і розв'язана відносно товщини втрати імпульсу і кута скосу потоку в пограничному шарі. Інтегральне рівняння теплового пограничного шару розв'язувалось відносно товщини втрати ентальпії

і у системі координат Мейджора мало вигляд

, (1)

де , - кут відхилення донних ліній струменя від напряму вектора швидкості зовнішнього потоку С_e;



критерій Стантона; q_w - тепловий струмінь на стінці, різниця між температурою стінки і загальмованою температурою зовнішнього потоку, - формпараметр теплового пограничного шару, - густина, С_р - теплоємність.

Вузловим моментом інтегрального методу розрахунку теплового пограничного шару є консервативний закон теплообміну, як для гідродинамічного пограничного шару є закон тертя.

Коректування закону теплообміну було виконано з використанням вибірки експериментальних даних відносно локальної тепловіддачі на торцевих поверхнях у плоских турбінних решітках напрямних і робочих лопаток. Заздалегідь шляхом рішення оберненої задачі теплопровідності в двовимірній постановці були отримані згладжені розподіли інтенсивності тепловіддачі для всіх досліджених решіток. Відмічено, що в кутових зонах торцевої поверхні у всіх дослідах інтенсивність теплообміну була вища, ніж у середній частині.

Запропоновано для середньої частини торцевої поверхні закон теплообміну використовувати у вигляді

, (2)

де _Tu, Tu - відповідно поправка на турбулентність і ступінь турбулентності зовнішнього потоку, що змінюється вниз за течією.

Для кутових зон, прилеглих до увігнутої і опуклої сторін лопатки, було запропоновано поправки до закону теплообміну відповідно у вигляді

; (3)

, (4)

еквівалентний діаметр криволінійного каналу, F - площа перерізу, П - периметр перерізу, R - кривизна каналу.

Таким чином, рівняння подібності, що замикає інтегральну систему теплового пограничного шару (1), відповідно для увігнутого і опуклого боків лопатки мало вигляд

; (5)

, (6)

,(7)

Порівняльний аналіз розрахунку з експериментом був проведений відносно місцевих коефіцієнтів тепловіддачі на торцевій поверхні для чотирьох решіток профілів активного і реактивного типу. Було встановлено, що в цілому розрахункові значення добре узгоджуються з експериментальними даними як якісно, так і кількісно.

У третьому розділі виконано вдосконалення математичних моделей систем охолоджування. Відмічено, що проектування є складним багатодисциплінарним процесом, який припускає багатократне виконання розрахунків теплового і напруженого стану деталей газової турбіни, визначення параметрів охолоджувача в каналах системи охолоджування, а також проведення інших, не менш важливих розрахунків. Показано, що жодна з багатофункціональних програм не може повністю задовольнити всім потребам процесу проектування. Однією з причин цього є те, що параметри повітря або іншого теплоносія за течією у каналах системи охолоджування значно змінюються у зв'язку з підігрівом і падінням тиску. Крім того, слід мати на увазі, що конструкції корпусу турбіни і частково ротора є тонкостінними оболонками, омиваними гарячим газом з одного боку, а з іншого - повітрям або іншим газоподібним теплоносієм. Оскільки визначення теплового стану охолоджуваних елементів газової турбіни і розподілення теплоносія в системі охолоджування знаходяться у тісному взаємозв'язку. Ці задачі в загальному випадку не можуть бути розділені. У зв'язку з цим системи охолоджування проектуються за допомогою комп'ютерних програм різного ієрархічного рівня. Основною в цьому ланцюжку програм є програма взаємозв'язаного розрахунку гідравлічної мережі і температурного стану елементів газової турбіни, яка в максимальній мірі дозволяє враховувати всі особливості конструкції. Цим вимогам відповідає розроблений програмний комплекс ТНА (Thermal & Hydraulic Analysis).

ТНА має широкі можливості проектування систем охолоджування з різними теплоносіями. Він складається з двох основних модулів: модуля розрахунку розгалуженої гідравлічної мережі і модуля розрахунку теплового стану плоских і осесиметричних багатоскладових тіл. Обидва модулі працюють у зв'язаній постановці, суть якої полягає в обміні інформацією на кожному кроці ітераційного процесу.

Модуль розрахунку гідравлічної мережі базується на математичній моделі макрорівня, в якій використовувалися головним чином співвідношення алгебри. Модуль розрахунку температурного стану тіла це модель мікрорівня, тобто математична модель для рішення плоскї і осесиметричної задачі теплопровідності методом кінцевих елементів.

Використання двох модулів в зв'язаній постановці дозволяє знайти як параметри гідравлічної мережі, так і температурний стан охолоджуваної конструкції.

Методи розрахунку гідравлічних мереж вважаються добре відпрацьованими. У зв'язку з цим можна вказати на роботи Слітенко А.Ф., Кондращенко В.Я., Вінічука С.Д., Федорова М.Ю, Швеца І.Т., Дибана Є.П. та ін. У дисертаційній роботі гідравлічна мережа розраховувалася методом Андріяшева, який припускав організацію ітераційних циклів по незалежних контурах.

Температурний стан плоского або осесиметричного тіла розраховувався за допомогою МКЕ, який передбачає мінімізацію функціонала. Для осесиметричної задачі теплопровідності функціонал має вигляд

.(8)

У двовимірній задачі використані найбільш прості кінцеві елементи - трикутні елементи з лінійною апроксимацією температури, що дають достатньо точне рішення для задач теплопровідності. У тривимірному випадку - шестигранні елементи. Швидкість зміни температури усередині кожного елемента передбачалася незалежною від координат, що дозволило уникнути осциляцій температури в нестаціонарних процесах.

Запропоновано використовувати члени функціонала Q і R для зведення тривимірної задачі теплопровідності до двовимірної. Такий підхід дозволив розраховувати елементи ротора і корпусу турбіни в осесиметричній постановці, враховуючи при цьому відведення теплоти при проходженні теплоносія крізь монтажні зазори між дисками і хвостовиками лопаток, крізь стики в корпусних елементах і т.д. Проведено аналіз похибки розрахунку температури, зумовлений таким спрощенням задачі, і показано у яких випадках слід виконувати подальші уточнюючі розрахунки в тривимірній постановці.

Незважаючи на те, що проблемі розрахунку охолоджування елементів газових турбін присвячена велика кількість робіт, є необхідність удосконалювати методи розрахунку тепловіддачі в каналах системи охолоджування і методи розрахунку гідравлічних схем.

Структурною одиницею гідравлічної схеми системи охолоджування є канал, у якому втрачається повний тиск і відбувається підігрів теплоносія. Точність визначення втрат тиску і підігріву теплоносія, а також точність розрахунку гідравлічної мережі в цілому залежить від похибки обчислення коефіцієнта гідравлічного опору і коефіцієнта тепловіддачі в каналі. Проте геометрія каналів системи охолоджування не обмежується тільки простими конфігураціями, теплообмін і опір у яких добре вивчені експериментально. Тому було виконано обширне чисельне дослідження теплообміну (CFD-аналіз) в деяких специфічних каналах. Таким чином був вивчений теплообмін у каналах круглого і прямокутного перерізу при великій різниці температури стінки і повітря, теплообмін у прямокутних каналах, переріз яких змінювався вздовж каналу, теплообмін у зоні вхідної кромки лопатки.

Встановлено, що в круглому каналі локальна тепловіддача за умови, що температура стінки Т_с більше температури повітря T_п, досить добре описується рівнянням подібності

,(9)

де - поправка на початкову ділянку

,(10)

яка була запропонована Мухіним В.О., Сукомелом О.С., Величко В.І. для середньої тепловіддачі у трубі довжиною l. Порівняння розрахунків за рівняннями (9), (10) з результатами чисельного аналізу показало збіг локальної тепловіддачі з прийнятною похибкою уздовж всієї довжини каналу.

Рівняння (9) дещо відрізняється значенням показника ступеня і співмножника від рівняння з довідника з теплообміну Кутателадзе С.С. і Борішанського В.М. для середньої тепловіддачі, де вони мають значення відповідно 0,55 і 0,023. Враховуючи те, що чисельний аналіз не може бути цілком виправданою підставою для корекції експериментальних даних, рівняння (9) виявилося корисним для аналізу впливу на тепловіддачу інших чинників. Зокрема, вивчено відмінність тепловіддачі в круглих і прямокутних каналах.

Як приклад використовувався канал охолоджування, розташований на внутрішньому боці лопатки (7). Температура поверхні була задана рівною 1123 К, температура повітря на вході в канал 573 К. Ширина каналу варіювалася, але висота залишалася постійною і рівною 2 мм. Витрата повітря задавалася такою, щоб забезпечити швидкість повітря в межах 100 м/с, що є характерним для каналів систем охолоджування. Встановлено, що внаслідок гальмування потоку в кутових зонах прямокутного каналу середня по периметру тепловіддача знижується в порівнянні з круглим каналом приблизно на 15-18 %, що відображається поправкою до рівняння (9):

,(11)

де h - висота, b - ширина каналу.

У каналах системи охолоджування часто має місце трибічний теплообмін (7). Встановлено, що у цьому випадку коефіцієнт тепловіддачі знижується ще на 10 % (8). Таким чином, застосування рівняння для круглого каналу (9) для розрахунку тепловіддачі в прямокутному каналі, як це зазвичай робиться, для каналу з трибічним теплообміном завищує коефіцієнт тепловіддачі більше ніж на 25 %. За деякими оцінками ця похибка може привести до заниження температури зовнішньої поверхні лопаток більше ніж на 30 К, що в значній мірі може відбитися на ресурсі їх роботи.

У розрахунках гідравлічних мереж найбільш складною і не до кінця розв'язаною проблемою є розрахунок замикання каналів, коли повітря досягає швидкості звуку. У зв'язку з цим запропоновано прийом, який дозволяє з похибкою, що не перевищує 10 %, розраховувати витрату повітря в цих випадках. Суть прийому полягає в діленні падіння повного тиску в каналі на дві складові

. (12)

Перша з них рівна падінню повного тиску в каналі за рахунок гідравлічного опору від величини повного тиску на вході до деякого значення повного тиску, якому відповідає умова М=1. Друга складова обумовлена додатковим опором. Якщо значення числа Маха скрізь у каналі менше одиниці, то , де - величина повного тиску на виході з каналу. Впровадження запропонованого підходу у розрахунок гідравлічних мереж дозволило помітно підвищити точність розрахунку і забезпечити надійну і швидку збіжність ітераційного процесу.

Точність запропонованого підходу аналізувалася шляхом зіставлення з результатами чисельного аналізу течії в трубах і діафрагмах з урахуванням стисливості, а також з експериментальними даними. У всіх випадках розрахунок за допомогою ТНА з описаним прийомом показував достатньо високу точність.

Однією з важливих проблем розрахунку систем охолоджування роторів газових турбін є надійне врахування відцентрового натиску, яке визначає замикання придискових зазорів від проникнення газу з проточної частини турбіни. Для визначення відцентрового тиску, як правило, розв'язується звичайне диференціальне рівняння рівноваги (Швець І.Т., Дибан Є.П) відносно закрутки потоку

,(13 )

,

закрутка потоку,

,

кінематичний фактор,

,

- кутова швидкість.

У зіставленні з результатами CFD-аналізу було встановлено, що інтегрування рівняння (13) дозволяє знайти відцентровий тиск з прийнятною точністю у випадку відцентрового руху повітря (позитивна витрата) і при невеликих значеннях витрати доцентрового руху (негативна витрата). При великих значеннях витрати повітря або газу у напрямі до осі обертання структура течії в зазорі біля диска значно ускладнюється і тому не може бути описана рівнянням (13).

Проведений аналіз дозволив замінити багатократне інтегрування (13) для всіх зазорів у системах охолоджування ротора попередньою побудовою імітаційних кривих типу H=f(G) (11). Аналітичний опис відцентрового натиску привів до вдосконалення алгоритму Андріяшева пошуку витрат у незалежних контурах гідравлічної мережі системи охолоджування. Як наслідок було покращено збіжність ітераційного процесу розрахунку гідравлічної мережі і виключено осциляції.

У четвертому розділі розглядається можливість використання в системі охолоджування стаціонарних газових турбін перегрітої пари.

Виконаний порівняльний аналіз повітряної і парової системи охолоджування включав спряжене рішення проблем теплопровідності твердого тіла і моделювання потоків охолоджувача в розгалуженій гідравлічній мережі. Аналізувалася система охолоджування енергетичної газотурбінної установки, що призначена для роботи в парогазовому циклі. Зокрема, було проаналізовано систему охолоджування частини корпусу з сопловим апаратом, соплові лопатки, диск турбіни, робочі лопатки першого ступеня, а також систему охолоджування ротора в цілому.

Встановлено, що для всіх досліджуваних елементів заміна повітря на пару з тими ж, що і повітря, параметрами на вході в систему приводить до переохолодження. Наприклад, для лопатки з дефлекторною системою охолоджування (12) заміна повітря на пару знижує витрати охолоджувача і одночасно знижує температуру лопатки. Така ж тенденція спостерігалася при аналізі температурного стану окремого диска газової турбіни і ротора турбіни в цілому (13).

Причина цього була пояснена відмінністю властивостей пари і повітря. При однакових умах кінематична в'язкість, теплопровідність трохи відрізняються. Разом з тим спостерігалися сильні відмінності в густині, теплоємності і значенні критерію Прандтля. Густина пари була у півтора раза менше густини повітря, що збільшило швидкість пари і витрати повного тиску. Як наслідок заміна повітря на пару знижує витрати охолоджувача на 20 - 30 %.

Зростання швидкості пари зумовило зростання тепловіддачі у всіх каналах системи приблизно на 30 - 40 % (12). Крім того, температура пари зростала у меншій мірі внаслідок більшої теплоємності (приблизно в 2 рази) у порівнянні з повітрям.

Щоб не допустити переохолодження і зберегти температуру деталей на тому ж рівні, що і при повітряній системі охолоджування, було знижено тиск пари на вході в систему. В результаті витрата пари в порівнянні з витратою повітря зменшилася в сопловому апараті на 45 %, в робочих лопатках на 35 %. Для всього ротора газової турбіни зниження витрати склало 32 %.

Таким чином, застосування пари як охолоджувача має переваги:

- при однакових з повітрям вхідному тиску і температурі значно знижується температура деталей турбіни при одночасному зменшенні витрати теплоносія;

- при приблизно однакових температурах деталей істотно знижується витрата пари в порівнянні з витратою повітря.

У п'ятому розділі проведено порівняльний аналіз для трьох типів теплоносіїв: повітря, перегрітої пари і вологої пари на прикладі охолодження соплової лопатки першого ступеня з дефлектором.

З цією метою розроблено метод, оснований на інтегруванні одновимірних рівнянь енергії, руху, нерозривності для теплоносія і одновимірного рішення рівняння теплопровідності для оболонки лопатки.

У випадку застосування однофазного теплоносія система диференціальних рівнянь складалася з: рівняння енергії

; (14)



рівняння імпульсів

;(15)

рівняння нерозривності

. (16)

У рівняннях (14) - (16) прийняті позначення: w - швидкість, р - тиск, - щільність, Q - тепловий потік, d_ек - еквівалентний діаметр каналу, - коефіцієнт опору тертя, f - площа поперечного перерізу каналу.

Для замикання системи рівнянь (14) - (16) використовувалося рівняння для потоку теплоти від газу крізь оболонку лопатки до охолоджувача

, (17)

де _г, _ох - коефіцієнти тепловіддачі від газу до стінки і від стінки до охолоджувача, T_г - температура газу, T_ох - поточна температура охолоджувача, , - товщина стінки і теплопровідність матеріалу лопатки, G - масова витрата охолоджувача, h - висота лопатки.

У випадку застосування вологої пари система диференційних рівнянь зазнавала зміни, зумовленої збільшенням витрати парової фази в результаті скипання вологи. Диференціальні рівняння визначали рух і теплообмін парової фази вологої пари. Вони включали:

рівняння енергії



; (18)

рівняння імпульсів

; (19)

рівняння нерозривності

, (20)

де r - теплота паротворення.

У випадку застосування однофазного охолоджувача тепловіддача від оболонки до теплоносія розраховувалася за рівнянням

, ( 21)

де T_c - температура стінки каналу, _l - коефіцієнт, що враховує довжину каналу, _ор - коефіцієнт оребрення.

Після відповідних перетворень система рівнянь (14) - (17), (18) - (21) розв'язувалася методом Рунге-Кутта.

Теплообмін вологої пари характеризується помітно більшою інтенсивністю в порівнянні з сухою парою. Проте надійних залежностей через надзвичайну складність процесу двофазного теплообміну на сьогодні не існує. Тому використовувалися орієнтовні поправкові коефіцієнти до залежності (21), що ґрунтуються на результатах дослідів, у яких вивчався двофазний теплообмін у зігнутій трубці.

Проведені розрахунки показали, що у випадку застосування охолоджувачем перегрітої пари замість повітря температура зовнішньої стінки лопатки знижувалася приблизно на 150 К при одночасному зниженні підігріву теплоносія (14). У випадку застосування вологої пари охолоджування відбувається при температурі насичення до тих пір, поки ступінь сухості пари не досягне одиниці. Тому глибина охолоджування у випадку застосування вологої пари є більшою, ніж при використанні повітря і перегрітої пари. Показано, що для охолоджування аналізованої лопатки вологість пари на вході має бути 13 %.

Волога пара привела до істотного захолоджування лопатки. Це дозволило істотно скоротити витрату охолоджувача або підвищити температуру газу. При підвищенні температури газу на 200 К температура стінки лопатки знаходилася в прийнятному температурному стані.

Було проведено також оцінку застосування повітря і пари для охолоджування торцевої поверхні міжлопаткового каналу високотемпературної газової турбіни. Для цього проаналізовано схему охолоджування, в якій охолоджувач подавався всередину міжлопаткового каналу. З боку газу задавалися коефіцієнти тепловіддачі, які були визначені за методом розділу 2. Показано, що заміна повітря на перегріту пару дає змогу понизити температуру торцевої стінки у середньому на 60 - 65 К з одночасним зменшенням нерівномірності температури. У випадку приблизно однакових температур стінки витрата перегрітої пари менше витрати повітря на 35 %.

У шостому розділі розглянуто оптимізацію систем охолоджування з використанням програмного комплексу ТНА, в який був упроваджений модуль оптимізації (15). Було застосовано метод систематичного перегляду багатовимірного простору параметрів за допомогою пробних точок ЛПt-послідовностей, що за даними Соболя І.М. і Статникова Р.Б. є найбільш рівномірно розподіленими серед усіх відомих послідовностей.

Метод дозволив розв'язувати багатокритерійну оптимізаційну задачу для систем охолоджування газотурбінних установок у багатовимірному просторі варійованих параметрів з урахуванням різних функціональних і параметричних обмежень, що накладаються відповідно до технологічних можливостей виготовлення деталей турбіни і вимог щодо забезпечення надійності. Метою оптимізації було забезпечення допустимого температурного рівня газової турбіни при мінімальних витратах на охолоджування. Як критерії, що оптимізуються, були прийняті:

- витрати повітря, яке подається в систему охолоджування з різних відборів компресора;

- термодинамічні параметри повітря, яке подається в систему охолоджування, відповідні їх значенням за конкретними ступенями компресора;

- витоки повітря з системи охолоджування в проточну частину газової турбіни.

Як функціональні обмеження використовувалися максимальні і середні температури деталей турбіни або ті параметри охолоджувача, за якими можна судити про температуру деталей (коефіцієнти тепловіддачі, витрати і температура охолоджувача в деяких каналах системи). Як параметричні обмеження використані обмеження на геометричні розміри і кількість каналів в елементах охолоджуючого тракту.

Численні розрахунки показали, що такий метод, реалізований в ТНА, гарантує знаходження оптимального варіанта системи охолоджування навіть при великій кількості критеріїв, що оптимізуються, варійованих параметрів, функціональних і параметричних обмежень. При цьому вихідний потік інформації містить не тільки оптимальний варіант системи охолоджування, але і найбільш ефективні варіанти з паретової множини, які за економічністю дещо поступаються оптимальному, але можуть, в загальному випадку, вигідно відрізнятися за технологічністю виготовлення або мати високу надійність в експлуатації.

Ефективність застосування методу ЛП-пошуку показана для систем охолоджування ряду направляючих і робочих лопаток газової турбіни.

Виконано оптимізацію системи охолоджування петльового типу для робочої лопатки.

На першому етапі оптимізації варіювалися тільки чотири геометричні параметри - ширина щілини у вихідній кромці в чотирьох перерізах лопатки. Оптимальний варіант був знайдений серед відносно невеликої вибірки з 500 варіантів і характеризувався зменшеною витратою на 27,6 % у порівнянні з початковим і значно більш рівномірним полем температури. Подальша оптимізація здійснювалася з введеними додатковими варійованими параметрами - висотою і кроком поперечних ребер, використовуваними для турбулізації потоку у вертикальних каналах лопатки. При такому істотному збільшенні кількості параметрів оптимум був знайдений серед вибірки з 10000 варіантів. Знайдений варіант виявився істотно більш вигідним у порівнянні з початковим. Витрата повітря складала всього 68 % від початкової витрати, перепади температури уздовж профілю лопатки і по висоті значно зменшилися.

У сьомому розділі розглянуто альтернативний підхід до організації систем охолоджування газових турбін. Охолоджувані елементи конструкції газових турбін, особливо лопаток, характеризуються досить складною формою внутрішніх порожнин. Часто вони мають настільки малі розміри, що організація повітряної або парової систем охолоджування є неможливою. Така ситуація може мати місце у випадках вхідної і особливо вихідної кромок лопаток. Розміри вихідної кромки лопатки нерідко не дозволяють взагалі розмістити усередині охолоджуючий канал. У цьому випадку повітря виводиться з внутрішньої порожнини через отвори увігнутої частини оболонки лопатки, розташовані на відстані 10-15% від вихідної кромки.

Як для лопаток малих розмірів з хордою 30-40 мм, так і для лопаток з хордою 100 і більше міліметрів падіння температури уздовж лопатки від вхідної кромки до вихідної може складати 100 і більше градусів. Вирівнювання температури лопатки може бути досягнуте, якщо з боку охолоджувача розташувати елементи, що володіють високою теплопровідністю, дозволяють перерозподіляти відведення теплоти до повітря. Відомо, що теплові труби з пористим наповнювачем володіють високою зведеною теплопровідністю. Проте через малі розміри внутрішніх порожнин лопаток розмістити усередині теплову трубу не вдається. Тому як альтернатива запропоновано використовувати тільки елементи теплових труб, а саме тільки їх пористу частину у вигляді пластин або елементів складнішої форми. Ці елементи повинні прилягати до внутрішньої оболонки лопатки з одного боку, а з другого боку - охолоджуватися повітрям або парою.

Застосування теплових труб і пропонованих пористих елементів у системах охолоджування газових турбін можливо в перспективі за умови проведення глибоких наукових досліджень і технологічних розробок. Зроблено перший крок у цьому напрямі, а саме: розроблено математичну модель, що описує процеси теплообміну в пористому елементі, заповненому рідким лужним металом (K, Na, Li), і процесу теплопровідності в металевій оболонці лопатки. Використовуючи модель, проведено аналіз ефективності такого способу охолоджування лопаток турбіни газотурбінного двигуна.

Для опису процесу передачі теплоти за рахунок взаємного переміщення рідкої і парової фаз у пористому середовищі було використано математичну модель, яка складалася з рівняння збереження енергії для зведеної ентальпії Н

,(22)

рівняння збереження маси, записаного відносно зведеного тиску двофазного теплоносія



,(23)

рівняння теплопровідності для оболонки лопатки відносно температури Т

.(24)

У рівняннях , , - швидкість, густина і кінематична в'язкість двофазного середовища; - об'ємна пористість, - поверхневий натяг, К -проникність; - параметри, які залежать від пористості, властивостей теплоносія і насичення s; С, - об'ємна теплоємність і теплопровідність матеріалу твердого тіла.

Рівняння (22) випливало із загального рівняння збереження енергії для системи, яка включала у себе тверду матрицю і двофазну суміш. При цьому зроблено допущення про те, що в матриці, парі і рідинній фазі спостерігається термодинамічна рівновага, тобто передача енергії відбувається тільки за рахунок взаємної дифузії пари і рідини. Рівняння (22) придатне і в тій ситуації, коли в пористому середовищі присутня як двофазна зона, так і однофазні зони, зайняті відповідно парою і рідиною.

Рівняння (23) отримано в результаті складання рівнянь збереження закону Дарсі для рідкої і парової фаз.

У загальному випадку задача розв'язувалася у нестаціонарній постановці (зовнішній цикл). На кожному часовому кроці виконувалися додаткові ітерації (внутрішній цикл), в яких перераховувалися властивості двофазного теплоносія, які були залежні від насиченості, і властивості пористого середовища.

Адекватність математичної моделі і її програмної реалізації було встановлено зіставленням із результатами фізичного експерименту з теплообміну в пористих середовищах, заповнених водою.

Запропоновано використовувати натрій як теплоносій, який через меншу хімічну активність дозволяє виготовляти пористі структури з доступних матеріалів, таких як хромонікельові неіржавіючі сталі і нікель. Термін придатності таких пористих структур більше ресурсу двигуна і складає 1,3•10⁵ годин при вмісті в натрії кисню 210^-3 %.

Показано ефективність передачі великих теплових потоків у пористих прокладках, розміри яких дозволяють встановлювати їх на внутрішній поверхні оболонки лопатки турбіни. Розглянуто одношарові, двошарові і тришарові пористі моделі з нерівномірним тепловим навантаженням, знайдено оптимальні співвідношення характеристик кожного з шарів. Як приклад розглянуто модель пористої прокладки з нерівномірним тепловим потоком на поверхні, який імітував зміну тепловіддачі від газу до профілю турбінної лопатки. На внутрішньому боці було задано температуру насичення натрію, яка рівнялася 881,7 С. Встановлено, що весь об'єм порожнин був заповнений як рідким, так і парою натрію при температурі насичення. Розрахунок температурного стану повністю металевої оболонки за тих же граничних умов показав, що в цьому випадку зміна температури мала місце у межах від 1023 С до 890 С. Перепад температури складав 123 С.

Був виконаний аналіз теплового стану вхідної кромки газової турбіни для двох варіантів конструкції: традиційної металевої вхідної кромки (20) і вхідної кромки з пористою прокладкою зі спеченого сталевого порошку з пористістю 0,6. Розглянутий не розрахунковий режим течії газу з ударом в увігнуту частину профілю. При цьому коефіцієнт тепловіддачі мав максимальне значення 6000 Вт/м²К на увігнутій частині профілю і мінімальне 2000 Вт/м²К на невеликій відстані від точки розділення потоку на опуклій частині. З внутрішнього боку кромка охолоджувалася повітрям, що надходило з дефлектора через систему отворів.

Для металевої оболонки лопатки в цих умовах мали місце значні перепади температури. Так на короткій відстані уздовж профілю температура поверхні лопатки змінювалася на 90 С (20).

У випадку використання пористої прокладки (21) температурне поле металу лопатки значно вирівнювалося, нерівномірність температури поверхні становила всього 26 С. Усередині пористого елемента знаходилася ізотермічна двофазна зона з температурою насичення натрію. Насиченість натрію змінювалася від 5 % поблизу зони нагріву до 95 % поблизу зони охолоджування.

Проведений аналіз показав доцільність використання натрію як допоміжного теплоносія для теплової стабілізації елементів газових турбін. Виявилося можливим отримати оптимальне співвідношення між проникністю пористого середовища і геометричними розмірами пористого елемента, яке забезпечувало транспорт теплоносія і дуже близький до ізотермічного стан оболонки лопатки.

Виконано модернізацію системи охолоджування напрямної лопатки високотемпературної газової турбіни високого тиску авіаційного двигуна. Один із варіантів початкової системи охолоджування не забезпечував прийнятний температурний рівень (22). Максимальна температура спостерігалася в зоні вихідної кромки і складала 1020 С, температура вхідної кромки була біля 840 С. Таким чином, падіння температури по опуклій і увігнутій частині лопатки досягало 100 - 150 С.

Застосування уздовж обводу профілю пористої прокладки з натрієм привело до вирівнювання температур лопатки і зменшення температури вхідної і вихідної кромок (23). При цьому витрата повітря була така, як у попередній конструкції. Пориста прокладка мала товщину 3 мм, що в 2 рази перевищувало товщину оболонки. У зв'язку з цим її не вдалося розмістити у зоні вихідної кромки лопатки і тому температура вихідної кромки знизилася тільки до 970С. В той же час температура вхідної кромки знизилася до 820 С. На 13 С зменшилися перепади температури на опуклій і увігнутій поверхнях оболонки лопатки в місцях установки пористої прокладки.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено науково-практичну проблему удосконалення методів розрахунку тепловіддачі і течії у розгалужених гідравлічних схемах, теплообміну у проточній частині газової турбіни і у пористих системах, насичених рідким металом. Всі розроблені та удосконалені методи були втілені у відповідні комп'ютерні програми, що дозволило створити і дозволяє створювати у майбутньому ефективні конструкції систем охолоджування сучасних і перспективних газових турбін.

1. Розроблено інтегральний метод розрахунку гідродинамічного і теплового пограничного шару та створено відповідну комп'ютерну програму, яка дозволяє визначати коефіцієнти тепловіддачі на торцевих поверхнях міжлопаткових каналів активних і реактивних профілів турбінних лопаток.

2. Удосконалені методи розрахунку розгалужених систем охолоджування газових турбін, зокрема:

- розроблено і впроваджено в спільний алгоритм розрахунку гідравлічних схем систем охолоджування газових турбін метод врахування замикання каналів у випадку досягнення швидкості звуку;

- метод розрахунку відцентрового тиску, який був інтегрований у загальну схему розрахунку системи охолоджування роторів турбін;

- запропоновано поправку до розрахунку теплообміну в каналах системи охолоджування прямокутного перерізу з чотирибічнім і трибічним обігріванням;

- запропоновано спосіб визначення тепловіддачі в каналах прямокутної форми з прохідним перерізом, що різко змінюється.

3. Встановлено закономірності течії і теплообміну однофазного і двофазного теплоносія в каналах системи охолоджування лопаток газових турбін та визначено переваги вологої водяної пари за допомогою розробленої математичної теплогазодинамічної моделі та відповідної комп'ютерної програми.

4. Виконано багатофакторну оптимізацію систем охолоджування газових турбін на допомогою розробленого алгоритму методу ЛПt-пошуку та відповідної комп'ютерної програми.

5. Розроблено розгалужені системи охолоджування елементів газових турбін і доведено ефективність водяної пари як охолоджувача у порівнянні з повітрям, що дозволяє рекомендувати широке застосування водяної пари для вказаних цілей.

6. Розроблено метод та комп'ютерну програму для аналізу теплового стану багатошарової системи, що складається з оболонки лопатки, зовнішня поверхня якої нагрівається газом, пористої прокладки, заповненої рідиннометалевим теплоносієм, і внутрішньої тонкої стінки, яка охолоджуються повітрям.

...