Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Турбомашины и турбоустановки

Диссертационная работа:

Назаренко Андрей Владиславович. Эффективность составных проницаемых оболочек в сопловых лопатках газовых турбин с проникающим охлаждением : диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.12 / Назаренко Андрей Владиславович; [Место защиты: ГОУВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"]. - Санкт-Петербург, 2008. - 162 с. : 19 ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 7

1. СОСТАВНЫЕ ПРОНИЦАЕМЫЕ ОБОЛОЧКИ В ОХЛАЖДАЕМЫХ
ЛОПАТКАХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ И
МЕТОДЫ РАСЧЁТА 13

1.1. Конструкции охлаждаемых лопаточных аппаратов турбин с

применением составных проницаемых оболочек 16

1.2. Обзор и анализ экспериментальных исследований гидравлических
характеристик СПО 20

1.3. Обзор и анализ опытных исследований теплообменных характеристик
СПО 34

1.4. Методы расчета теплогидравлических характеристик составных

проницаемых оболочек 53

1.5. Обзор и анализ работ по тепловому состоянию и эффективности
охлаждения лопаточных аппаратов с проникающим охлаждением на базе
СПО 63

1.6. Цели и задачи работы 73

2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ТЕЧЕНИЯ
И ТЕПЛООБМЕНА В СОСТАВНЫХ ПРОНИЦАЕМЫХ ОБОЛОЧКАХ 74

2.1. Особенности моделирования гидравлического сопротивления и
теплообмена в каналах СПО 74

2.2. Численное моделирование теплофизических процессов в СПО 77

  1. Постановка задачи и вычислительные аспекты 77

  2. Анализ пространственной структуры потока и гидравлические характеристики СПО 80

2.2.3. Теплообмен в каналах СПО 81

  1. Обобщение данных по внутреннему теплообмену в СПО 83

  2. Модель пористого материала для расчета характеристик СПО 87

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПЫТНОЙ
ЛОПАТКИ 91
3.1. Проектирование экспериментальной лопатки 91

3.2. Технология изготовления несущего стержня лопатки 94

  1. Проектирование стержня 94

  2. Технология изготовления СПО 95 3.3 Технология изготовления сопловой лопатки с оболочкой из СПО 98

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРАЛЯЮЩЕЙ
ЛОПАТКИ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ГТЭ - 150, МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ
ОПЫТОВ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ 101

  1. Экспериментальный стенд 101

  2. Схема измерений стенда и методика обработки опытных данных 105

4.3. Результаты экспериментального исследования теплового состояния

опытной лопатки 109

5. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОБМЕНА И ВЫБОР
СИСТЕМЫ ПРОНИКАЮЩЕГО ОХЛАЖДЕНИЯ В МНОГОСЛОЙНОЙ
НАПРАЛЯЮЩЕЙ ЛОПАТКЕ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ГТЭ -150 120

  1. Постановка задачи и вычислительные аспекты 120

  2. Описание численного алгоритма 122

5.2.1. Расчет внешней газодинамики 122.

  1. Расчет гидравлики подводящих каналов системы охлаждения оболочковой лопатки 127

  2. Расчет теплообмена и теплового состояния лопатки с пористой оболочкой 129

  1. Проектирование системы охлаждения для сопловой лопатки с оболочкой из СПО на температуру 1800К 131

  2. Методика и результаты прочностных расчетов проницаемой оболочки сопловой лопатки для 1-ой ступени ВГТ 135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143

ЛИТЕРАТУРА 145

ПРИЛОЖЕНИЕ 155

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а - минимальный размер отверстий в СПО, м; В - хорда лопатки, м;

С - максимальная толщина профиля лопатки, м; ср - удельная теплоёмкость, Дж/кг К; d - диаметр, м; Fплощадь, м ; G - массовый расход, кг/с; G о -относительный расход охладителя, %; g - удельный массовый расход охладителя, кг/с-м ; /-длина, м; L - высота лопатки, м; п - количество слоев СПО; р - давление, Па; Q - тепловой поток, Дж; Ар -перепад давления, Па, МПа; г - радиус, м;

5- шаг отверстий на поверхностях СПО, м; t - температура в градусах Цельсия,С; Г- температура в градусах Кельвина, К; и - скорость, м/с V- объем, м ;

х, у, z- оси декартовой системы координат;

а - вязкостный коэффициент гидравлического сопротивления, м" , коэффициент теплоотдачи, Вт/м-К;

/?- инерционный коэффициент гидравлического сопротивления, м"1; Л - коэффициент теплопроводности, Вт/м-К; коэффициент скорости; //-коэффициент динамической вязкости, Н-с/м ; р - плотность, кг/м3;

8- толщина образца СПО, м; П - пористость;

Т* -Т

0 = _С—_L_ _ безразмерная глубина охлаждения;

Тго " Т0-вх

(х d р * w d

Nu = число Нуссельта; Re = критерий Рейнольдса.

X

ПОДСТРОЧНЫЕ ИНДЕКСЫ

в - внутренний теплообменная поверхность СПО;

вх - параметры на входе;

вых — параметры на выходе;

г - параметры газа;

г -0 - параметры газа перед турбиной;

г-1 — параметры газа за сопловым аппаратом турбины;

д — дугообразный канал, дефлектор

кан — охлаждающий канал в лопатке;

кр -круглые цилиндрические отверстия, критическое значение;

н - перфорированная часть поверхности;

0 - параметры охладителя;
п -параметры поры в СПО;
ел - слой;

cm - стенка;

ч — частица пористой среды; /о - поток вдали от входа в СПО; /7 - поток на внутренней поверхности СПО; /2 - поток на наружной поверхности СПО; і - текущее значение величины; max - максимальное значение; opt - оптимальное значение; v - отнесенная к объему величина;

1 - шаг отверстий в СПО в направлении внешнего потока;

2 - шаг отверстий в СПО в поперечном к внешнему потоку направлении;

НАДСТРОЧНЫЕ ИНДЕКСЫ * - параметры заторможенного потока; - - относительное значение, среднее значение.

СОКРАЩЕНИЯ ВГТ — высокотемпературная газовая турбина; ВТИ - Всесоюзный теплотехнический институт; КАИ - Казанский авиационный институт; ЛПИ - Ленинградский политехнический институт; ЛМЗ — Ленинградский металлический завод; МАИ - Московский авиационный институт; МВТУ- Московское высшее техническое училище; НА - направляющий аппарат НИМ — пористый порошковый материал; ПСМ - пористый сетчатый материал; СА - сопловой аппарат; СПО - составная проницаемая оболочка; ЦКТИ - Центральный котлотурбинный институт; DDA - Detroit - Diesel - Allison (США);. RR - Rolls-Royce Limited (Великобритания).

Остальные обозначения вводятся и поясняются непосредственно в тексте диссертации.

Введение к работе:

Актуальность работы. Характерной чертой современного этапа конструирования высокоэкономичных газовых турбин является использование лопаток с воздушным охлаждением, в которых используются различные способы охлаждения. К ним, в частности, относятся лопатки с внутренним конвективным охлаждением оболочковой или дефлекторной конструкции с продольной или поперечной схемой течения охладителя. В этом случае средняя безразмерная глубина охлаждения при относительном расходе охлаждающего воздуха на уровне в 4 % не превышает 0,45. Это препятствует использованию охлаждаемых лопаток указанных конструкций в газовых турбинах с начальной температурой газового потока 1800 К.

Применение перфорированных лопаток с воздушным охлаждением позволяет повысить эффективность охлаждения и довести указанную выше величину безразмерной глубины охлаждения до уровня 0,50 - 0,55.

Использование пористых проницаемых материалов в качестве оболочек сопловых лопаток резко повышает эффективность их охлаждения, доводя безразмерную глубину охлаждения до уровня 0,70 при относительном расходе охлаждающего воздуха около 4 %. Однако в условиях эксплуатации газовых турбин с лопатками из пористых материалов происходит окисление материала каркаса и закупоривание пор в пористом материале. Это негативно сказывается на показателях ресурса и надёжности лопаточного аппарата турбины в условиях указанных высоких температур газа на входе в турбину.

Одним из направлений устранения негативных последствий применения в оболочках охлаждаемых лопаток пористых материалов, имеющих значительную контактную поверхность теплообмена, является внедрение составных проницаемых оболочек (ОТО), которые занимают промежуточное положение между перфорированными стенками и пористыми сетчатыми материалами.

Результаты исследований свидетельствуют о достаточно высокой эффективности охлаждения таких оболочек, однако в ходе этих

исследований было также установлено, что отсутствуют научно -обоснованные рекомендации по выбору структурно - геометрических характеристик СПО. Попытки же описания течения и теплообмена в СПО с дугообразными каналами с помощью классических методов оказались неудачными из-за невозможности учёта отрывных и вихревых течений, связанных с движением теплоносителя.

Цель и задачи работы. Цель работы - повышение экономичности и надежности охлаждаемых газовых турбин за счет применения в. конструкциях сопловых лопаток составных проницаемых оболочек с дугообразными каналами.

При этом необходимо решить следующие основные задачи:

разработать технологию и конструкция сопловой лопатки с оболочкой из составных проницаемых оболочек (СПО) с дугообразными каналами.

провести классификацию отечественных и зарубежных СПО различной геометрии.

предложить экономичный метод расчета проницаемой вафельной конструкции, собранной из слоев с чередующимися круглыми отверстиями и дугообразными каналами и апробировать его путем сравнения с опытными данными и результатами трехмерного численного моделирования.

получить экспериментальные данные по тепловому состоянию и эффективности проникающего охлаждения через СПО для первой ступени турбины высокого давления газотурбинной энергетической установки: ГТЭ -150 и сопоставить их с данными по глубине охлаждения при конвективном и проницаемом охлаждении с оболочой из пористого сетчатого материала.

- разработать и верифицировать метод расчета теплового состояния
многослойной оболочки лопатки с включением CFD - пакета и обосновать
тепловую эффективность системы проницаемого охлаждения для
перспективных газовых турбин стационарных ГТУ.

Предметом исследования являются составные проницаемые оболочки с дугообразными каналами, а также сопловая лопатка первой ступени турбины

высокого давления газотурбинной энергетической установки ГТЭ —150, для которой проектировалась система проницаемого охлаждения.

Метод исследования - численное моделирование с помощью коммерческого пакета FLUENT и экспериментальное исследование на высокотемпературном стенде АООТ НПО ЦКТИ Результаты численного моделирования и экспериментального исследования сопловых лопаток с .проницаемым охлаждением подвергались анализу с точки зрения их качественной адекватности физической картине течения и теплообмена и тестированию на количественное соответствие опубликованным ранее и полученным в диссертации экспериментальным данным.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: предложен метод расчета проницаемой вафельной конструкции на основе модели эквивалентного пористого материала, который апробирован сравнением с опытными данными и результатами трехмерного численного моделирования. Выведено критериальное выражение для расчета внутреннего объемного теплообмена в СПО с дугообразными каналами, в котором используется' геометрический параметр в виде отношения площадей наружного и внутреннего теплообмена. Впервые получены распределения температуры по обводу оболочки профиля многослойной лопатки с проникающим охлаждением для условий близких натурным. Разработан алгоритм расчета и реализован с привлечением коммерческого пакета FLUENT метод прогнозирования теплового состояния проницаемой оболочки лопатки. Изучены возможности проницаемого охлаждения (на базе СПО с дугообразными каналами) по обеспечению работоспособности лопаток перспективных стационарных ГТУ с начальной температурой газа 1800К и степенью повышения давления в компрессоре щ =19.

Практическая ценность работы. Результаты опытных исследований показали, что система проникающего охлаждения сопловой лопатки первой ступени турбины высокого давления газотурбинной энергетической установки ГТЭ -150 ПО ЛМЗ с оболочкой из СПО по эффективности

практически не уступает пористому и превосходит конвективное и. конвективно - пленочное системы охлаждения. Предложен к реализации метод расчета термонапряженного состояния сопловых лопаток с оболочкой из СПО для прогнозирования работоспособности ГТУ с температурой газа на входе в турбину включительно до 1800К.

На защиту выносятся:

экспериментальные данные по тепловому состоянию сопловой лопатки первой ступени турбины высокого давления ГТЭ -150 ПО ЛМЗ с оболочкой из СПО;

экспериментальные данные по эффективности проницаемого охлаждения для многослойных лопаток и сравнительный анализ с конвективной, комбинированной (конвективно - пленочной) и пористой системами охлаждения;

численный метод расчета течения и теплообмена в проницаемой вафельной конструкции, собранной из слоев с чередующимися круглыми отверстиями и дугообразными каналами и результаты расчетов для трех и пятислойного СПО;

результаты обобщения расчетных и опытных данных по внутреннему теплообмену в СПО и сравнительный анализ с данными по теплообмену для пористых структур;

метод расчета теплового состояния наружной поверхности многослойных сопловых лопаток и результаты тестирования с опытными данными для условий близким натурным;

- результаты прогнозирования работоспособности сопловой лопатки с
составной проницаемой оболочкой перспективной ГТУ с температурой газа
на входе в турбину 1800К.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, пяти глав, заключения, приложения и библиографического списка использованной литературы из 87 источников.

В главе 1 даётся современное состояние вопроса о процессах, происходящих при течении и теплообмене теплоносителя в составных проницаемых оболочках, о конструкциях охлаждаемых лопаток турбин с использованием составных проницаемых оболочек, делается анализ методов расчёта теплогидравлических характеристик и подходов к их оптимизации. Здесь же даётся обзор и анализ работ по тепловому состоянию и эффективности охлаждения лопаток с проникающим охлаждением. В. заключение главы формулируются цели и задачи диссертации.

В главе 2 на "макромасштабном" уровне проведена классификация уже существующих составных проницаемых оболочек. В качестве характерного масштаба рассматривается отношение инерционного и вязкостного > коэффициентов сопротивления. Представлены результаты трехмерного численного моделирования с использованием пакета FLUENT течения и теплообмена внутри системы каналов Зх-слойного и 5ти-слойного слоистых проницаемых материалов. Вводится модель эквивалентного пористого материала, которая позволяет в несколько раз снизить вычислительные затраты при расчётах теплогидравлических характеристик слоистых проницаемых оболочек.

В главе 3 приводятся основные положения, разработанной в МВТУ при непосредственном участии автора диссертации, технологии изготовления СПО и описываются основные этапы её практической, реализации при проектировании и изготовлении лопатки соплового аппарата для 1-ой ступени турбины крупной отечественной энергетической ГТУ типа ГТЭ-150.

В главе 4 приведено описание экспериментальной установки для проведения испытаний с лопатками с проникающим охлаждением для условий близким натурным, методики проведения опытов и приведен анализ

полученных данных по эффективности охлаждения и теплового состояния оболочки СПО при различных значениях расхода охладителя.

В главе 5 дается описание алгоритма и результатов численного моделирования двумерного течения и тепломассобмена в сопловой решетке при проникающем охлаждении лопатки первой ступени ГТЭ-150, проведено сравнение с опытными данными и обосновывается эффективность применения СПО с дугообразными каналами при проектировании системы проникающего охлаждения перспективной газовой турбины с начальной температурой 1800К.

В приложении сведены табличные данные по гидравлическим сопротивлениям СПО отечественных и зарубежных фирм и организаций, координаты профиля исследуемой лопатки, геометрические характеристики тракта системы охлаждения, данные режимов испытаний, а также вариант расчета погрешностей основных параметров.

Подобные работы
Назаренко Андрей Владиславович
Обоснование эффективности применения составных проницаемых оболочек в охлаждаемых лопатках газовых турбин на основе физического и численного моделирования
Веретельник Алексей Викторович
Исследование эффективности транспирационного охлаждения высокотемпературных газовых турбин
Цирков Максим Борисович
Совершенствование утилизационных ПГУ за счет использования парового охлаждения газовых турбин
Ануров Юрий Михайлович
Эффективные методы интенсификации теплообмена в системах охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин
Мосенжник Борис Юрьевич
Разработка и исследование конструкций направляющих аппаратов с устройствами для интенсификации дробления влаги в целях борьбы с эрозией рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин
Яганов Александр Михайлович
Экспериментальное исследование влияния режимных факторов на вибрационное состояние и ресурс рабочих лопаток последних ступеней мощных теплофикационных турбин
Давлетшин Феликс Мубаракович
Повышение эффективности охлаждения воды в системах оборотного водоснабжения промышленных энергетических установок
Мусаев Каромат Юсуфович
Методы повышения надежности и эффективности системы охлаждения двигателей автомобилей, эксплуатируемых в условиях Средней Азии
Визгалов Сергей Владимирович
Влияние внутреннего охлаждения на эффективность рабочего процесса шестеренчатого компрессора
Хоменко Валерий Арсеньевич
Режимы и технические средства повышения эффективности процесса охлаждения брикетированной травяной резки

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net