Повышение эффективности циклонно-вихревого охлаждения лопаток высокотемпературных турбин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение эффективности ЦИКЛОННО-ВИХРЕВОГО охлаждения лопаток высокотемпературных турбин

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Хасанов Салават Маратович

Рыбинск 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева».

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации доктор технических наук, профессор Пиралишвили Шота Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мякочин Александр Сергеевич

кандидат технических наук, доцент Мохов Алексей Александрович

Ведущее предприятие НИИД ФГУП МНПП «САЛЮТ», г. Москва

Защита состоится «22» декабря 2010 года в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.03 в ГОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева»

Автореферат разослан «19» ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Каляева Н. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Конкурентоспособность и экономическая эффективность авиационных ГТД, газотурбинных энергетических установок определяется увеличением температурно-силовых параметров работы деталей газового тракта при неизменном условии обеспечения их надежности, что требует применения высокоэффективных технологий охлаждения элементов проточной части и совершенствование применяемых материалов. Потенциал традиционных методов внутреннего охлаждения почти исчерпан, в связи с этим возникает потребность поиска способов охлаждения, обеспечивающих высокий уровень теплообмена при незначительном росте потерь давления.

В качестве альтернативных схем охлаждения лопаток газовых турбин могут быть предложены циклонно-вихревые (с закруткой потока) системы охлаждения, характерные особенности течения в которых наиболее полно подходят для создания эффективных систем охлаждения лопаток проточной части ГТД. Конструкция циклонно-вихревой конвективно - пленочной системы охлаждения лопатки газовой турбины позволит обеспечить повышение уровня температуры перед газовой турбиной на 100 - 200 ^оС и равномерное распределение температуры по поверхности лопатки.

В связи с этим, исследование, направленное на разработку эффективных схем конвективно-пленочного охлаждения сопловых (рабочих) лопаток газовых турбин на основе использования циклонно-вихревой системы охлаждения является актуальным.

Цель работы. Научно-техническое обоснование и разработка комбинированной циклонно-вихревой системы охлаждения лопаток высокотемпературных турбин.

Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи:

- проанализировано современное состояние вопроса по схемам охлаждения лопаток турбины, обоснована перспективность циклонно-вихревой системы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых и паровых турбин;

- проведено численное исследование сопряженной задачи газодинамики и теплообмена в каналах охлаждения на основе решения системы осредненных уравнений Навье-Стокса и выбрана модель турбулентности, наиболее адекватная для решения поставленной задачи;

- выполнена верификация разработанной модели и экспериментальных данных по исследованию теплового состояния во внутренних охлаждающих каналах лопатки; циклонный вихревой охлаждение лопатка

- проведена апробация модели и методики на примере оценки теплового состояния спроектированной сопловой лопатки с циклонно-вихревой системой охлаждения;

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы основные положения термодинамики газовых потоков, тепломассообмена и методы: численного моделирования, основанные на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замыкаемых SST k-щ моделью турбулентности; статистического анализа и экспериментального исследования тепловых и гидравлических характеристик.

Достоверность и обоснованность полученных результатов достигается:

- корректным применением в расчетных исследованиях фундаментальных законов газовой динамики и теплообмена и использованием сертифицированного метрологического обеспечения оборудования и датчиков при постановке опытов;

- подтверждается удовлетворительным сопоставлением результатов численного расчета с экспериментальными данными и результатами других авторов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Физико-математическая модель термогазодинамического расчета для циклонно-вихревой системы охлаждения сопловой лопатки турбины.

2. Модель перспективной охлаждаемой лопатки с циклонно-вихревой системой охлаждения, обеспечивающая равномерное поле температур при минимальном относительном расходе охладителя.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, доказывающие перспективность использования циклонно-вихревой системы охлаждения.

Научная новизна заключается в следующем:

- проведены численные и экспериментальные исследования повышения эффективности внутреннего охлаждения сопловых лопаток газовых турбин за счет закрутки потока охладителя, на основе которых получены критериальные уравнения расчета теплообмена в циклонных каналах;

- определены оптимальные режимные и геометрические параметры циклонной системы охлаждения, обеспечивающие требуемую температурную равномерность по высоте пера лопатки;

- разработана конструкция сопловой лопатки с высокоэффективной циклонно-вихревой системой охлаждения, новизна которой подтверждена патентом на изобретение РФ №2382885 «Сопловая лопатка газовой турбины с циклонно-вихревой системой охлаждения».

Практическая значимость. Полученные в работе расчетные и экспериментальные результаты могут использоваться при проектировании и доводке систем охлаждения высокотемпературных лопаток авиационных газотурбинных двигателей. Разработанная конструкция лопатки первой ступени с циклонно-вихревой системой охлаждения позволяет добиться требуемой равномерности температуры по контуру и по высоте пера лопатки, обеспечивая высокую тепловую эффективность охлаждения. Работа выполнена в рамках государственного контракта №02.516.11.6021от 26 апреля 2007 г.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и получили одобрение на международных научных конференциях: IV Российской национальной конференции по теплообмену: РНКТ, г. Москва, МЭИ, 2008г.; всероссийской молодежной научной конференции с международным участием X Королевские чтения, г. Самара, 2009 г.; всероссийской выставке научно - технического творчества молодежи НТТМ г. Москва, 2009 г.; всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», г. Уфа, 2008 г.; всероссийской научно-технической конференции «Ракетно-космические двигательные установки» МГТУ имени Н.Э. Баумана, г. Москва, 2008 г.; XVII школе - семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях», г. Санкт-Петербург, 2008 г. и г. Жуковский 2009 г.; международной научно-технической конференции «Энергетические установки: теплообмен и процессы горения» г. Рыбинск, 2009 г.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 11-и печатных работах, в том числе в 2-х статьях в реферируемых журналах перечня ВАК, получен патент на изобретение №2382885 РФ МПК F01D5/18 «Сопловая лопатка газовой турбины с циклонно-вихревой системой охлаждения» приоритет от 20 мая 2008 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц, 108 рисунков, библиографический список из 138 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована перспективность и актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, показана ее научная новизна и практическая значимость, перечислены основные положения работы.

В первой главе анализируется современное состояние проблем, связанных с созданием перспективных авиационных ГТД и энергетических ГТУ. Из-за недостаточной несущей способности современных конструкционных материалов при высоких рабочих температурах создание высокотемпературных турбин достигается, главным образом, благодаря совершенствованию систем охлаждения элементов проточной части.

На основе анализа известных систем охлаждения лопаток газовых турбин установлено, что, несмотря на множество разработанных конструкций охлаждаемых лопаток и схем подвода воздуха к лопатке, в практике турбостроения нет оптимального варианта решения задачи снижения максимальной температурной неравномерности в поперечных сечениях пера лопатки. По данным литературных источников известные способы по увеличению интенсивности охлаждения и снижению неравномерности температуры пера лопатки имеют свои преимущества и недостатки, наилучшие условия эксплуатации и ограничения по использованию. Процесс охлаждения лопаток может быть интенсифицирован при использовании закрученных потоков. Характерные особенности закрученного потока наиболее полно подходят для создания эффективных схем конвективных и конвективно-пленочных систем охлаждения лопаток проточной части ГТД. Циклонно-вихревая схема охлаждения позволит добиться требуемой равномерности температуры по контуру и по высоте лопатки, обеспечить высокую степень её охлаждения. Закрутка потока за счет его интенсивной турбулизации обеспечивает существенное увеличение коэффициента теплоотдачи. Указанный технический результат достигается тем, что в циклонно-вихревой системе охлаждения лопатки газовой турбины происходит с помощью внутреннего конвективного и внешнего пленочного охлаждения с использованием закрученного потока.

На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе проведена постановка задачи численного моделирования теплообмена во внутренних каналах системы охлаждения.

Исследования по оптимизации конструкции при проектировании циклонно-вихревой системы охлаждения лопатки с целью обеспечения требуемой равномерности температуры по контуру и по высоте с достижением высокой интенсивности охлаждения, как входной кромки, так и основной части пера лопатки проводились в два этапа:

1) выполнялось численное исследование сопряженной задачи газодинамики и теплообмена в циклонном канале во входной кромке;

2) проводилось численное моделирование теплообмена и газодинамики течения охладителя в каналах, расположенных в основной части пера лопатки.

Из большого ряда моделей турбулентности были рассмотрены и проанализированы модели, наиболее адекватные задачам в турбомашиностроении: модель Спаларта-Алмараса (Spalart-Almaras Model), k- модель, k- модель, SST k- модель. Анализ выбранных моделей турбулентности показал, что наилучшую точность расчета обеспечивает SST k- модель турбулентности, которая связана с использованием в пристеночной области k-щ модели, изначально ориентированной на разрешение мелкомасштабной турбулентности, а в основном потоке - k-е модели, предназначенной для описания крупномасштабных когерентных структур.

Построение расчётной сетки выполнено в ANSYS ICEM CFD с учетом требований к дискретизации для SST k-щ модели турбулентности и была создана сетка с размером первой ячейки 1...5·10^-6 м, соотношение между объемами соседних ячеек не более 1,3. В областях межлопаточного канала, охлаждающего канала и тела лопатки описание рабочей области производиться регулярной гексагональной сеткой. Из соотношения цена/качество это наиболее предпочтительный вариант. Для расчётной области отводящего и подводящего патрубка допускается дискретизация тетрагональной нерегулярной сеткой.

Размеры 3D моделей соответствуют экспериментальным образцам. Моделирование выполнялось для различных перепадов давления при изменяющемся количестве тангенциальных подводов n = 1; 2; 4; 6; 8.

Из анализа результатов численного исследования установлено, что температурная неравномерность на модели сопловой лопатки с одним и двумя тангенциальными подводами для всех перепадов давления высокая и составляет порядка ДТ = 52…64 К для верхнего сечения лопатки и ДТ = 30…40 К для среднего сечения лопатки при соответственно. С увеличением количества тангенциальных подводов температурная неравномерность снижается; при восьми она достигает ДТ = 8…19 К в верхнем сечении лопатки и ДТ = 5…14 К в среднем сечении при соответственно (рис. 1).

Рис. 1 Температурная неравномерность по высоте входной кромки: а - сторона низкого давления; б - сторона высокого давления

Увеличение количества подводящих каналов более восьми в конструкции сопловой лопатки с геометрических и практических соображений является нецелесообразным. Со стороны высокого давления наблюдается большая температурная неравномерность, что может быть связано с особенностями гидродинамики течения охладителя.

Величина эффективности охлаждения входной кромки снижается по высоте пера лопатки от корневого к верхнему сечению, что объясняется подогревом охлаждающего потока и снижением коэффициента теплоотдачи от разрушения закрутки при движении по каналу входной кромки (рис. 2).

Рис. 2 Эффективность охлаждения входной кромки модели; а - сторона низкого давления; б - сторона высокого давления

Наименьшие значения эффективности охлаждения наблюдаются при количестве подводящих каналов n = 1 и n = 2 и составляет при относительном расходе И = 0,44; 0,42; 0,38 и И = 0,55; 0,5; 0,45 для соответственно. При увеличении числа подводящих каналов до n = 4; 6; 8 эффективность охлаждения возрастает и составляет для n = 4 И = 0,62; 0,52; 0,47 для n = 6 И = 0,65; 0,58; 0,54 для n = 8 И = 0,67; 0,6; 0,56. Повышение теплосъема с увеличением количества подводящих тангенциальных каналов связано с меньшим подогревом охладителя из-за дополнительного подвода его по высоте канала, а также со стабилизацией закрутки потока по высоте канала.



Рис. 3 Линии тока в каналах системы охлаждения модели

При возрастании относительного расхода до наблюдается плавное изменение эффективности охлаждения. Эффективность охлаждения нарастает монотонно, при она начинает интенсивно повышаться (линия выпуклая) за счет увеличения скорости закрутки при повышении расхода охладителя (рис. 2).

При количестве тангенциальных подводов n = 8, с относительным шагом = 0,23 и при перепаде давления равном = 1,8 абсолютный прогрев воздуха в канале входной кромки модели (рис. 4 а) минимальный, а относительный расход максимален = 3,8 % (рис. 4 б).



n - число тангенциальных подводов охладителя

Рис. 4 а - Абсолютный подогрев воздуха в канале входной кромки модели; б - Расходные характеристики модели

В районе пяти нижних тангенциальных подводов температура охлаждающего потока сохраняется на минимальном уровне от 300…330 К. Увеличение температуры охладителя в канале входной кромки связано с прогревом воздуха в подводящем канале центральной полости по высоте тела пера лопатки. Распределение температуры по поверхности пера модели лопатки для перепада давления приведено на рис. 5. Из рис. 6 видно, что распределение интенсивности охлаждения воздуха по высоте пера лопатки незначительно снижается.

Рис. 5 Распределение температуры по поверхности пера модели лопатки со стороны низкого давления

Рис. 6 Температурное поле в канале системы охлаждения лопатки

Среднее значение коэффициента теплоотдачи во внутренних каналах входной кромки для рекомендуемого режима составляет 3627 Вт /(м² K), что говорит о достаточно высокой интенсивности теплообмена.

Рис. 7 Линии тока в каналах системы охлаждения модели

На втором этапе исследования проводилось численное моделирование теплового состояния поверхности пластины с тремя тангенциальными подводами, расположенными по высоте каналов.

По результатам моделирования (рис. 7) видно, что по мере движения охладителя в ресивер интенсивность его закрутки равномерна по всей высоте каналов системы охлаждения. Градиент температуры по высоте пластины составляет в среднем ДТ_ср = 9 K.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию гидродинамики и теплообмена во внутренних каналах системы охлаждения.

Экспериментальные исследования проводились в два этапа:

- исследование эффективности охлаждения входной кромки;

- исследование эффективности охлаждения в циклонных каналах, расположенных на стороне низкого и высокого давления.

На первом этапе исследований препарированная охлаждаемая лопатка устанавливалась в середину лопаточного пакета из трех лопаток (см. рис. 8), и испытывалась на экспериментальном стенде при параметрах газа .

Рис 8 Схема препарации входной кромки

В ходе эксперимента измерялись: температура рабочего тела на входе и выходе в охлаждаемую лопатку; полное давление рабочего тела на входе в охлаждаемую лопатку; расход охлаждающего воздуха; температура на входной кромке ± 90° от лобовой точки натекания; распределение полного давления на входе в межлопаточный канал; статическое давление на входе в межлопаточный канал; распределение полной температуры на входе в межлопаточный канал. В качестве основных критериев, характеризующих эффективность рассматриваемой системы охлаждения, использовались: расход охладителя и эффективность охлаждения.

На втором этапе при исследовании пластины с циклонными каналами, расположенными на стороне низкого и высокого давления, измерялись: температура рабочего тела на входе и выходе; полное давление рабочего тела на входе; расход охлаждающего воздуха; температура на поверхности пластины; статическое давление на выходе. По результатам измерений вычислялись: темп охлаждения и коэффициент теплоотдачи.

Максимальная погрешность полного и статического давления составила 2 и 2,1 % соответственно, осредненных значений полного и статического давления 2,3 %, расхода основного потока (по измеренному распределению скорости) 4,7 %, коэффициента гидравлических потерь 12,7 %, восстановления статического давления 9,2 %, коэффициента относительных потерь полного давления 10,5 %, расхода охлаждающего воздуха 0,5%, абсолютная погрешность температуры на входе в межлопаточный канал и температуры на входе в систему охлаждения равна, погрешность измерения температуры горячих газов составила .

В ходе экспериментального исследования использованы средства измерения: прибор для визуализации и измерения тепловых полей в ИК-диапазоне излучения Термограф ИРТИС 2000, преобразователь термоэлектрический (кабельный) ТХА9310 (ТУ 4211-136-12150638-2006), модуль сбора и обработки данных с термоэлектрических преобразователей (термопар) I-7018, датчик полной температуры, гребенка полного давления и полной температуры, датчик статического давления, водяной манометр, кориолисовый расходомер Promass 80/83.

Из анализа результатов экспериментального исследования установлено, что величина расхода охлаждающего воздуха повышается с увеличением перепада давления и достигает своего максимума при = 1,8, в охлаждающем канале входной кромки = 3,8 % (рис. 9), а в циклонных каналах G = 0,00213 кг/с. Абсолютный прогрев воздуха в канале входной кромки модели при n = 8 и = 1,8 наименьший ДТ = 228 К.

В области тангенциальных подводов охладителя наблюдаются экстремальные значения коэффициентов теплоотдачи во входной кромке и в циклонных каналах системы охлаждения. При снижении перепада давления наблюдается падение коэффициентов теплоотдачи. Это свидетельствует о том, что закрутка потока в канале поддерживается, а снижение связано с падением радиальной компоненты скорости закручнного потока.

Рис. 9 Расходные характеристики модели в охлаждающем канале входной кромки

Температурная неравномерность на модели сопловой лопатки с увеличением тангенциальных подводов снижается, для одного и двух подводов ДТ = 38…56 К для верхнего сечения лопатки и ДТ = 33…51 К для среднего сечения при соответственно. При четырех и шести подводах температурная неравномерность снижается до ДТ = 21…47 К в верхнем сечении лопатки и ДТ = 14…48 К в среднем сечении. При восьми тангенциальных подводах наблюдается дальнейшее выравнивание температуры по высоте входной кромки ДТ = 10…21 К в верхнем сечении лопатки и ДТ = 7…16 К в среднем сечении при .

Эффективность охлаждения наблюдается при увеличении числа тангенциальных каналов до n = 4; 6; 8 при для n = 8, И = 0,64; 0,58; 0,53 соответственно для , Это связано с меньшим подогревом охладителя по высоте канала, а также со стабилизацией закрутки потока (рис.10).

Рис. 10 Эффективность охлаждения входной кромки модели; а - сторона низкого давления; б - сторона высокого давления

По результатам экспериментального исследования получены критериальные уравнения для расчета среднего теплообмена и коэффициента теплоотдачи на входной кромке (1), в циклонных каналах в теле пера лопатки (2) и по высоте в области пластины без тангенциальных подводов (3).

, r = 0,85 (1)

, r = 0,87 (2)

где - площадь тангенциальной щели и циклонной камеры охлаждения, - температура поверхности входной кромки и охлаждающего воздуха,

- число тангенциальных подводов охладителя.

r = 0,89 (3)

Уравнения (1-3) позволяют с погрешностью, не превышающей 8%, раcсчитывать средние коэффициенты теплоотдачи на внутренней поверхности охлаждающего канала входной кромки и в циклонных каналах, размещенных в теле пера лопатки с погрешностью 5-7%. Уравнения имеют высокую степень корреляции (коэффициент корреляции составляет r = 0,85; 0,87 и 0,89 соответственно) с экспериментальными данными в диапазоне чисел Рейнольдса 8000 < Re < 30000.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию сопловой лопатки с циклонно-вихревой системой охлаждения, имеющей максимальную толщину профиля сmax =11,8 мм; относительную высоту пера . Геометрия лопатки проектировалась с учётом развитого завесного охлаждения входной кромки.

Течение охладителя в системе охлаждения лопатки организуется следующим образом: а) от торцевого входа воздух подводится к центральному каналу; б) через отверстия, соединяющие центральный канал с боковыми, производится подвод и закрутка для организации «циклонного» течения охладителя; в) в канале охлаждения входной кромки воздух выпускается в проточную часть через 4 ряда перфораций; г) в коллекторе, расположенном над лопаткой, организуется сбор воздуха из боковых отверстий и его подвод к «вихревой» матрице; д) после прохождения воздуха через «вихревую» матрицу он сбрасывается в проточную часть через щель в выходной кромке лопатки.

Рис. 11 Схема охлаждения лопатки

Схема охлаждения лопатки представлена на рис. 11.

Сопоставление экспериментальных и численных данных по величине приведенного расхода показало, что его величина повышается с ростом перепада давления и достигает своего максимума G_пр = 0,083 10⁵·K^0.5 ·кг/(с·Па) и 0,076·10⁵·K^0,5·кг/(с·Па) при = 1,6…1,8 для расчетных и экспериментальных данных соответственно. Расчетные данные превышают экспериментальные, максимальное их отличие для перепада = 1,8 и составило порядка 9 %.



Рис. 12 Распределение средней эффективности охлаждения по сечениям пера лопатки: 1 - расчет в периферийном сечении; 2 - расчет в среднем сечении; 3 - расчет в корневом сечении

Спроектированная сопловая лопатка с циклонно-вихревой системой охлаждения характеризуется высокой эффективностью охлаждения во всех трех сечениях пера (рис. 12): в корневом сечении И_ср = 0,59 - 0,61; в среднем - И_ср = 0,56-0,59; в периферийном - И_ср = 0,52-0,53 при относительном расходе охладителя = 6-7%. Максимальная средняя эффективность охлаждения И_ср = 0,56 по профилю пера лопатки достигается при относительном расходе охладителя = 4-6% и перепаде давления = 1,6…1,8. Следует отметить, что увеличение относительно расхода от 4% до 7% не приводит к существенному изменению эффективности охлаждения, также дальнейшее увеличение расхода не является целесообразным в связи началом проявления эффекта запирания охлаждающего потока в тангенциальных подводящих каналах охлаждения. Выявлен скачкообразный характер изменения эффективности охлаждения по профилю пера лопатки, который объясняется возникновением экстремумов в области расположения охлаждающих циклонных каналов в пере лопатки. Снижение величины эффективности охлаждения в области выходной кромки связано с поступлением более прогретого охладителя из верхнего коллектора в вихревую матрицу. Экстремальное изменение эффективности охлаждения вдоль пера лопатки возникает в области циклонных каналов, что объясняется более интенсивным охлаждением поверхности лопатки в этой части (рис. 13).

Рис. 13 Распределение средней эффективности охлаждения по профилю пера лопатки

Сопоставление результатов численных расчетов с экспериментальными данными показало, что максимальное расхождение по эффективности охлаждения составило 5%. Данный факт говорит о возможности использования предложенного метода численных трехмерных теплогидравлических расчетов при проектировании и оценке эффективности систем охлаждения лопаток турбин.

Пятая глава посвящена численному моделированию сопловой лопатки турбины при реальных режимах работы ГТД. Трехмерная математическая модель в численных расчетах теплового состояния охлаждаемой лопатки замыкалась SST k- моделью турбулентности. Расчёты останавливались при достижении уровня сходимости по нормализованным среднеквадратичным невязкам ниже 5•10^-5 и балансе суммарного расхода ниже 0,01%.



Рис. 14 Распределение коэффициента теплоотдачи по обводу профиля

Расчетное распределение коэффициента теплоотдачи по обводу профиля при интенсивности турбулентности набегающего потока представлено на рис. 14.

Средняя температура наружной поверхности лопатки составляет 820 К, а её максимальное значение достигается в области входной кромки и равно 944 К. На поверхности выходной кромки температура лопатки не превышает 923 К. При тангенциальной подаче охладителя в радиальные цилиндрические каналы в последних формируются устойчивые вихревые структуры, активно воздействующие на пограничный слой, интенсифицируя тем самым теплообменные процессы.

Рис. 15 Картина течения охладителя во внутренней полости лопатки

На рис. 15 представлена картина течения охладителя во внутренней полости лопатки, на шкале приведены значения скорости течения охладителя.

Анализ результатов показал, что организация циклонно-вихревой (с закруткой потока) системы охлаждения позволяет добиться достаточно высокой равномерности температуры по контуру и по высоте пера, обеспечивая сравнительно высокую тепловую эффективность охлаждения лопатки по сечениям пера лопатки: корневое - 0,62; среднее - 0,56; периферийное - 0,52 при относительном расходе охлаждающего воздуха =3,7 % и выявили уменьшение И по высоте пера лопатки на 7-10%.

Количественно эффективности охлаждения по наружному профилю в трех сечениях пера лопатки оценивалась в зависимости от безразмерной координаты профиля рис. 16.

Рис. 16 Распределение эффективности охлаждения сопловой лопатки по обводу пера

Величина эффективности охлаждения уменьшается от корневого сечения к периферийному из-за прогрева охладителя. Экстремальные значения возникают в области расположения циклонных каналов охлаждения в теле пера лопатки.

Численный анализ в условиях реальных режимов работы ГТД показал, что спроектированная лопатка обладает высокими показателями по эффективности охлаждения: И_ср = 0,57 по поверхности пера лопатки при =3,7 % и может быть использована в перспективных схемах охлаждения высокотемпературных лопаток газовых и паровых турбин.

Сопловая лопатка с циклонно-вихревой системой охлаждения по сравнению с лопатками чисто конвективного и конвективно-пленочного охлаждения обладает более высокой эффективностью охлаждения. Это видно из диаграммы, изображенной на рис. 17 и представляющей зависимость реализуемых в рабочих условиях средних эффективностей охлаждения И различных лопаток от относительного расхода охладителя . Линиями на рис. 17 нанесены теоретические характеристики охлаждаемых лопаток, построенные на основании уравнения баланса тепла.

Рис. 17 Зависимости средних эффективностей охлаждения, реализуемых в лопатках различных схем от относительного расхода охладителя

1- лопатка с поперечным цилиндрическим оребрением; 2,8- с мелкими радиальными каналами; 3- с петлевым течением охладителя; 4-усовершенствованная лопатка 1 с выдувом охладителя через входную кромку; 5-трех канальная с выпуском охладителя в радиальный зазор и выходную кромку; 6,11,19,20-бездефлекторные перфорированные с комбинированным охлаждением; 7,8,9,10,13,16,21-дефлекторные; 12,14,15-многоканальные перфорированные; 17-с вихревой матрицей; 18-многоканальная петлевая схема охлаждения; 22, 23 - средняя и минимальная эффективность циклонно-вихревой сопловой лопатки с воздушным охлаждением по результатам экспериментального исследования; 24,25 - средняя и минимальная эффективность циклонно-вихревой сопловой лопатки с воздушным охлаждение по результатам численного моделирования на реальном режиме работы двигателя

В заключении приведены основные выводы и результаты работы.

Выводы по работе

1. Разработаны рекомендации по оптимизации геометрии проектируемой сопловой лопатки с циклонно-вихревой системой охлаждения. При использовании восьми тангенциальных подводов с относительной площадью соплового ввода , расположенных с относительным шагом = 0,23 при перепаде давления достигается максимальная эффективность охлаждения по результатам эксперимнтального исследования И = 0,64, неравномерность температурного поля не превышает ДТ = 11 К, относительный расход охладителя составляет . Среднее значение коэффициента теплоотдачи в канале системы охлаждения по высоте входной кромки для указанного режима составляет 2575 Вт /(м² K), что говорит о достаточно высокой интенсивности теплообмена.

2. Полученые критериальные уравнения позволяют с погрешностью, не превышающей 8%, расчитывать средние коэффициенты теплоотдачи на внутренней поверхности охлаждающего канала входной кромки и в циклонных каналах, размещенных в теле пера лопатки, с погрешностью 5-7%. Критериальные уравнения имеют высокую степень корреляции с экспериментальными данными в диапазоне чисел Рейнольдса 8000 < Re < 30000.

3. Спроектированная сопловая лопатка с циклонно-вихревой системой охлаждения характеризуется высокой эффективностью охлаждения по всем трем сечениям пера. Максимальная средняя эффективность охлаждения И_ср = 0,56 по профилю пера лопатки достигается при режимах течения охладителя: относительном расходе охладителя = 4-6% и перепаде давления = 1,6…1,8. Сопоставление результатов численных расчетов с экспериментальными данными показало, что максимальное расхождение составило 9 % по расходу и 5% по эффективности охлаждения. Данный факт говорит о возможности использования предложенного метода численных трехмерных теплогидравлических расчетов при проектировании и оценке эффективности систем охлаждения лопаток турбин.

4. Численное моделирование спроектированной лопатки на реальных режимах выявила высокие показатели по эффективности охлаждения: И_ср = 0,57 поверхности пера лопатки при =3,7 % и .

Основные результаты работы представлены в следующих публикациях

1. Пиралишвили Ш.А. Перспективные системы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых и паровых турбин комбинированных установок [Текст] / Пиралишвили Ш.А., Жорник И.В., Веретенников С.В., Хасанов С.М., Спичакова М.В. // Конверсия в машиностроении. 2008. №1. С. 21 - 24.

2. Пиралишвили, Ш.А. Применение вихревых энергоразделителей для тепловой защиты узлов высокотемпературных газовых и паровых турбин [Текст] / Пиралишвили Ш.А., Фролова И.В., Веретенников С.В., Хасанов С.М., Смирнов С.А. // Авиакосмическое приборостроение. 2009. №11. С. 3 - 9.

3. Патент №2382885 РФ МПК F01D5/18; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева РГАТА. № 2008120064; заявлено. 20.05.08.; опубликовано. 27.02.2010, Бюл. № 6. 5 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...