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:

Гущин Александр Владимирович. Моделирование сопряженного теплообмена в проточных частях газотурбинных установок с секционированным пористым вдувом охладителя : Дис. ... канд. техн. наук : 05.04.12, 01.04.14 : Москва, 2005 165 c. РГБ ОД, 61:05-5/2016

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 7

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 17

  1. Сопряженная задача тепломассообмена. 17

  2. Внешняя задача 27

  3. Внутренняя задача 35

  4. Объемный коэффициент теплоотдачи 50

  5. Гидравлические характеристики пористых материалов 61

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОЙ
ЗАДАЧИ ТЕПЛООБМЕНА НА СТЕНКАХ С
СЕКЦИОНИРОВАННЬІМПОРИСТЬІМВДУВОМ 67

  1. Постановка задачи 67

  2. Основные уравнения и метод решения внешней задачи 69

  3. Основные уравнения и метод решения внутренней задачи 78

  4. Условия сопряжения внешней и внутренней задачи 83

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОЙ
ЗАДАЧИ ТЕПЛООБМЕНА 88

  1. Конечно-элементный метод и аппроксимация дифференциальных уравнений 88

  2. Алгоритм программы для ЭВМ 90

  3. Результаты численного моделирования сопряженной задачи

теплообмена 91

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОГО
ТЕПЛООБМЕНА И ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ
СЕКЦИОНИРОВАННОГО ПОРИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В ГТУ 127

  1. Установка и оборудование 127

  2. Описание экспериментальной модели 129

  3. Основные результаты экспериментальных исследований и

их сравнение результатами расчетов 131

4.4 Перспективы применения секционированного пористого охлаждения в

энергетических ГТУ 135

ВЫВОДЫ 138

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 140

ПРИЛОЖЕНИЕ 148

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

х, у - координаты, м; 5 - толщина пограничного слоя; 5* - толщина вытеснения; 5** - толщина потери импульса; т - толщина потери энергии; Vxпродольная составляющая скорости, м/с; vyпоперечная составляющая скорости, м/с;

(о ~—— безразмерная скорость;

Р- давление, Н/м2;

pi - коэффициент динамической вязкости, Нс/м2;

v — коэффициент кинематической вязкости, Н'с/м2;

Л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м'К);

Ср ~ удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг"К);

р - плотность, кг/м ;

є - степень турбулентности потока;

Т - температура, К;

ДГ- разность температур матрицы и охладителя, К;

Т -Т
в =— безразмерная температура;

q - плотность теплового потока, Вт/ м2;

- критерии Рейнольдса;

St - критерий Стэнтона;

ҐС ^

- относительный закон трения;

^/ =

Rer

## - относительный закон теплообмена;

vr =

' 2 v

^ + 1

- относительный закон учитывающий влияние

неизотермичности;

Г у/ = —— _ температурный фактор;

Ь = 2 -pw- Vw /(рп J^ С/0) - динамический параметр вдува; = Pw' Vw /(Ао 'У»'&о)— тепловой параметр вдува; btyкритический динамический параметр вдува;

Ьщ - критический тепловой параметр вдува;

- р -V

J = ~ - относительный массовый расход охладителя через проницаемую

/Лю " * at

поверхность (интенсивность вдува);

j' = pw-Vw- удельный массовый расход охладителя через проницаемую

поверхность; ccv - объемный коэффициент теплопередачи между пористой матрицей и охладителем, Вт/(м3'К);

а - коэффициент теплоотдачи от внешнего потока к поверхности стенки, Вт/(м2К);

ИНДЕКСЫ:

со - параметры на внешней границе пограничного слоя;

w - параметры на стенке;

  1. - параметры на наружной поверхности стенки;

  2. — параметры на внутренней поверхности стенки; М - параметры пористой матрицы;

С - параметры охладителя;

МО— параметры предвключенного непроницаемого участка; Ml - параметры непроницаемого участка за пористой стенкой; О— параметры при стандартных условиях;

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Одним из путей улучшения эффективности газотурбинных двигателей и энергетических установок наряду с усовершенствованием цикла является повышение уровня температуры рабочих процессов (рис.В.1), что невозможно без совершенствования тепловой защиты конструкционных элементов энергетических установок - лопаток газотурбинных двигателей, камер сгорания и сопел двигателей, стенок и каналов МГД-генераторов, электродуговых плазмотронов и т.д. при сохранении приемлемых значениях расходов охладителя и потерь энергии.

о

го"

О.

1871 (3400)

1538 (2800)

1204 (2200)

870 (1600)

1990 2000 ГОД

Рис. В. 1. Уровень температуры перед турбиной в зависимости от года начала

серийного производства ГТУ:

ГТУ фирмы ALSTOM Power:

GT26 - 262 МВт.

ГТУ фирмы Siemens Westinghouse:

Typhoon - 4.35/4,7/5.05/5.25 МВт; Tornado - 6.75 МВт; Cyclone - 12.7 МВт; GT35 - 17 МВт; GT10C - 29 МВт; GTX100 - 43 МВт; V64.3A - 70 МВт;

V94.2 - 159 МВт; V84.3A - 180 МВт; V94.2A - 190 МВт; V94.3A - 265 МВт.

ГТУ фирмы ОАО "ЛМЗ":

ГТЭ-160 - 160 МВт; ГТЭ-180 - 180 МВт.

ГТУ фирмы ОАО "Сатурн":

ГТЭ-110-ПО МВт.

Тенденции повышения температуры рабочих процессов газотурбинных двигателей и установок различных типов [1], а также энергетических ГТУ на примере ведущих западных фирм и отечественных компаний ОАО "ЛМЗ", ОАО "Сатурн" (см. рис. В.1), "Салют" и СНТК им. Кузнецова подтверждают, что новые технологии в области высокотемпературных материалов и систем охлаждения проточной части стали не только основой совершенствования газотурбинной техники, но также фундаментом, на котором базируется развитие крупнейших мировых производителей ГТУ.

Для газотурбинных установок безрегенеративного цикла повышение температуры перед турбиной по соображениям термодинамической эффективности должно сопровождаться увеличением степени повышения давления в цикле. В этом случае величина отборов воздуха от компрессора для целей тепловой защиты проточной части становится фактором, очень существенно влияющим на эффективность установки в целом, так как повышение температуры воздуха за компрессором в цикле без регенерации обуславливает также необходимость охлаждения воздуха, отбираемого для охлаждения элементов проточной части.

Влияние расхода воздуха, отбираемого после компрессора, для охлаждения проточной части ГТУ на эффективность установки в целом можно проиллюстрировать на примере ГТУ: GT10B (25МВт) и GT10C (30МВт) компании Сименс. Для расчета приняты варианты ГТУ с различной температурой перед турбиной.

Мощность в зависимости от расхода охл. воздуха

4 6 Є 10 12 14 16

Расход охл. воздуха, %

GT10B,Tr=1385K GT10B,Tr=1623K

-GT10C,Tr=1417K GT10C, Tr=1S23K

Рис. B.2. Изменение мощности установок GT10B и GT10C в зависимости от изменения расхода воздуха для охлаждения проточной части

К.П.Д. в зависимости от расхода охл. воздуха

GT10BpTr=1385K -GT10B,Tr=1623K

Расход охл. воздуха, %

GT10C,Tr=1417K GT10C, Тг^1623К

Рис. В.З. Изменение к.п.д. установок GT10B и GT10C в зависимости от изменения расхода воздуха для охлаждения проточной части

Приведенные графики показывают очевидное значительное влияние

расхода охлаждающего воздуха на выходную мощность и К.П.Д. указанных газотурбинных установок. Для GT10B при 16% расходе воздуха на охлаждение и температуре перед турбиной 1385 К мощность составляет 24.7 МВт, а К.П.Д. 34,6%. В тоже время при сокращении расхода воздуха на охлаждение проточной части ГТУ до 6%, ее мощность при неизменной температуре перед турбиной составит 28.6 МВт (больше на ~16% отн.), а К.П.Д. 36,0% (больше на 1.4% абсолютных). Для установки GT10C, у которой более высокие степень

повышения давления (Кк=18) и температура за камерой сгорания (Тг =1417 К),

влияние уменьшения расхода воздуха охлаждающего воздуха на мощность и К.П.Д. более значительно. Если при расходе воздуха (^=18% мощность и К.ГТ.Д. GT10C составляет 30,5 МВт и 36,3% соответственно, то при сокращении расхода воздуха на охлаждение проточной части ГТУ до 7% мощность и К.П.Д. возрастают до 36,0 МВт (больше на -18% отн.) и 37,7% (больше на 1.4% абсолютных) соответственно.

Таким образом, перед конструкторами стоит задача создать системы охлаждения, рассчитанные на более высокий уровень температуры в цикле при обеспечении приемлемых расходов охлаждающего воздуха, необходимых для тепловой защиты проточной части ГТУ. Одним из самых перспективных направлений для решения данной задачи является использование высокоэффективных систем охлаждения на основе конвективно-пленочных систем с термозащитными покрытиями и пористых систем охлаждения, а также высокотемпературных керамических материалов с температурой поверхности 1600-1900К.

На рис. В.4. представлено сравнение эффективностей охлаждения лопаток газовых турбин различных схем и эффективность пористого охлаждения, в зависимости от относительного расхода охлаждающего воздуха, полученные Богомоловым Е.Н.

1-лопатка с поперечным цилиндрическим оребрением; 2,8-лопатки с мелкими

радиальными каналами; 3-трехканальная лопатка 1 с петлевым течением

охладителя; 4-усовершенствованная лопатка 1 с выдувом охладителя через

кромки; 5-трехканальная лопатка с выпуском охладителя в радиальный зазор и

выходную кромку; 6,9-бездефлекгорные перфорированные лопатки с

комбинированным охлаждением; 7,10- дефлекгорные неперфорированные

лопатки; 11-13 - многоканальные перфорированные лопатки, 14-пористые

лопатки

Рис. В.4 Из рис. В.4 видно, что наиболее перспективным и эффективным способом тепловой защиты стенок является распределенный вдув охлаждающего газа1 в пограничный слой через перфорированные или пористые стенки. Способ охлаждения посредством вдува охлаждающего газа в пограничный слой через пористую стенку считается особенно перспективным, т.к. обладает рядом преимуществ по сравнению с вдувом через перфорированную стенку, что отражено в работах Кудрявцева В.М., Кутателадзе С.С., Леонтьева А.И., Галицейского Б.М., Волчкова Э.П., Совершенного В.Д., Поляева В.М., Осипова М.И. и др. Одним из основных достоинств вдува охладителя через пористую стенку является чрезвычайно высокая интенсивность теплообмена между

Эффективность системы охлаждения при использовании воды и пара не рассмотрены

проницаемой матрицей и протекающим сквозь нее теплоносителем вследствие очень развитой контактной поверхности. К другим достоинствам следует отнести более равномерное распределение охладителя на поверхности защищаемой стенки, меньшее влияние на пристенную область проточной части (по сравнению со вдувом охладителя через перфорацию), более высокую температуру охлаждающего газа (жидкости) на горячей поверхности при малых интенсивностях вдува и как следствие меньшее переохлаждение основного потока. Также следует отметить, что при распределенном нерегулируемом вдуве по всей защищаемой поверхности с постоянной интенсивностью вдува, низком температурном факторе, использовании металлических материалов, и как следствие достаточно высокого уровня расхода охлаждающего газа структура пограничного слоя изменяется, увеличиваются профильные потери, что в основном связано с потерями энергии основного потока на разгон охлаждающего воздуха, и также возможен отрыв пограничного слоя. Несмотря на то, что уже созданы первые образцы лопаток с пористыми оболочками, в силу конструктивно-технологических причин применение секционированного вдува представляется более рациональным, так как позволяет обеспечить тепловую защиту стенок при регулировании интенсивности вдува по длине секционированной стенки. Вдув охладителя через пористые секции создает газовые завесы на последующих непроницаемых участках и, таким образом, в сочетании (или без) с другими способами тепловой защиты (например, конвективное охлаждение внутренней поверхности непроницаемой стенки воздухом) позволяет обеспечить приемлемый уровень температур непроницаемых участков. Условия практического применения распределенного вдува и газовых завес при секционированном вдуве характеризуются, как правило, воздействием на пограничный слой таких возмущающих факторов, как неизотермичность и сжимаемость газового потока, градиентность течения, шероховатость стенки, нестационарность пограничного слоя и др.

Практическая реализация рассматриваемого способа охлаждения стала возможной после появления новых конструктивных решений и технологий

изготовления пористых материалов, наиболее перспективными из которых являются пористые или перфорированные материалы на основе высокотемпературных металлических сплавов, керамик и композитов на основе А1203, SisN4, SiC, TiC и боридов (ТіВ2). Использование таких материалов позволит существенно повысить температуру рабочих процессов энергетических установок без увеличения потерь на охлаждение.

Для расчетов трения и теплообмена при течениях рабочей среды, теплового и термопрочностного расчетов компонентов проточной части газовых турбин с пористыми элементами необходимо располагать информацией об интенсивности теплопереноса, распределении температурных полей в пористых элементах, охладителе и непосредственно примыкающих к этим пористым элементам участкам из непроницаемых материалов. Эту информацию можно получить из решения задачи сопряженного теплообмена для стенки с пористыми секциями и секционированным вдувом охладителя в пограничный слой.

Таким образом, исследование систем охлаждения посредством вдува охладителя в пограничный слой секционированной стенки через пористые секции является одной из актуальных научно-технических задач применительно к проточным частям ГТУ.

Данная работа выполнялась на кафедре "Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки" Ml "ГУ им. Н.Э. Баумана в соответствии с госбюджетными НИР по грантам РФФИ (00-15-99074 и 96-15-98143).

Целью настоящей работы является дальнейшее развитие теоретического и экспериментального исследования комплексного сопряженного теплообмена, поставленного и проведенного на кафедре Э-3 МГТУ им. Н.Э Баумана, усовершенствование метода и разработка программы расчета сопряженной задачи теплообмена для секционированной стенки со вдувом охладителя в пограничный слой применительно к проточным частям газотурбинных и энергетических установок.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

  1. Разработка физической и математической моделей сопряженного тепломассообмена в стенке с секционированным вдувом охладителя в пограничный слой;

  2. Математическое моделирование в сопряженной постановке распределения тепловых потоков, локальных коэффициентов теплообмена и трения на секционированной стенке с пористым участками, а также теплового состояния секционированной стенки;

  3. Экспериментальные исследования сопряженного теплообмена при течении на стенках со вдувом через секции, изготовленные из высокотемпературных пористых материалов.

Научная новизна.

  1. Моделирование сопряженной задачи теплообмена для секционированной стенки с пористым вдувом при учете теплоизолированности или теплового сопротивления на стыках проницаемых и непроницаемых участков;

  2. Сопряжение внешней и внутренней задачи теплообмена на пористых участках по тепловому потоку и определяющей температуре наружной поверхности стенки, которая вычислялась как температура смешения газов из внешнего потока и охлаждающего воздуха из пористой матрицы на наружной поверхности стенки;

  3. Показана немонотонность распределения теплового потока, разности температур матрицы и охладителя на наружной поверхности пористой стенки и распределения температуры в пористых и непроницаемых участках в зависимости от интенсивности вдува, теплофизических свойств материалов, толщины стенки, скорости внешнего потока (при Fe=const и Кг > V*,i\ шероховатости поверхности и различных граничных условий.

Достоверность результатов. Расчетная модель основана на использовании уравнений переноса импульса и энергии, численных расчетов турбулентных пограничных слоев и предельных законах асимптотической теории. Для численных расчетов применен метод конечных элементов и

конечных разностей, хорошо зарекомендовавшие себя в мировой практике при
решении задач подобного класса. Адекватность математической модели
подтверждается приемлемой точностью результатов численных расчетов при
сравнении экспериментальными данными, полученными на

высокотемпературном стенде кафедры Э-3 МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Практическое значение и реализация результатов. Предложенный метод расчетов процессов теплообмена в секционированной стенке с охлаждаемой пористой секцией и выполненные эксперименты дают возможность:

  1. Моделировать процессы переноса импульса и энергии, распределения локальных коэффициентов трения и теплообмена, прогнозировать тепловое состояние элементов проточной части энергетических установок с пористым охлаждением.

  2. Применить предложенную методику к широкому классу пористых материалов, элементам различной геометрии и для различных режимов течения.

  3. Обосновать возможность применения пористых керамических материалов и композитов с целью обеспечения повышения КПД и удельной мощности газотурбинных двигателей и энергетических установок за счет уменьшения отборов воздуха за компрессором для тепловой защиты проточной части.

На защиту выносятся:

  1. Моделирование и методика расчета сопряженной задачи теплообмена и трения в двумерной постановке для секционированной стенки с пористой секцией и вдувом охладителя в пограничный слой.

  2. Результаты численных расчетов теплового состояния для секционированной стенки с пористой секцией, выполненных для различных значений интенсивности вдува, тешгофизических параметров пористой матрицы и непроницаемых секций, а также различных краевых условий и геометрии стенки.

  3. Результаты экспериментов, полученных на специальном

высокотемпературном стенде кафедры Э-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана и

специально спроектированных экспериментальных участках,

изготовленных из пористых материалов. 4. Результаты, показывающие эффективность применения секционированного

пористого охлаждения в газовых турбинах. Апробация результатов исследований проводилась на Всероссийской Межвузовской научно-технической конференции "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели", посвященной 150-летию Н.Е. Жуковского (г. Москва, 1996 г.), Всероссийском научно-техническом семинаре им. проф. Уварова (г. Москва, 1997 г.), Второй Российской национальной конференции по теплообмену (г. Москва, 1998 г.), Всероссийской Межвузовской Научно-технической конференции Газотурбинные и Комбинированные установки и двигатели (г. Москва, 2000 г.), Международной конференции по теплообменному оборудованию (Португалия, 1998 г.), Международном симпозиуме по теплообмену и механике жидкости и газа (Китай, 2000 г.) докладывалась и обсуждалась на заседаниях кафедры Э-3 факультета Энергомашиностроение МГТУ им. Н.Э.Баумана (1997-2002 гг.). Диссертационная работа была заслушана и одобрена на заседании кафедры 'Тазотурбинные и нетрадиционные энергоустановки". МГТУ им. Н.Э.Баумана (2003 г.)

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, заведующему кафедры Э-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Заслуженному работнику высшей школы РФ, к.т.н., профессору Осипову Михаилу Ивановичу за постановку задачи и помощь при подготовке этой работы.

Подобные работы
Абдуазизов Набижон Азаматович
Обоснование и выбор параметров системы "гидробак-охладитель" гидрообъемной силовой установки карьерного комбайна
Симагин Александр Сергеевич
Установка перемешивания циркуляционных вод ТЭС и АЭС в прудах-охладителях
Рындин Павел Викторович
Математическое моделирование теплообмена при электродуговом синтезе углеродных наноструктур
Фролов Алексей Юрьевич
Разработка конструкции и моделирование теплообмена в испарительных установках сжиженного углеводородного газа малых удаленных объектов АПК
Васильева Ирина Модестовна
Разработка отопительных котлов высокой тепловой напряженности на основе моделирования теплообмена в топочной камере
Сорокин Георгий Александрович
Моделирование теплообмена при кипении жидкометаллического теплоносителя в режиме аварийного расхолаживания в реакторах на быстрых нейтронах
Семичева Наталья Евгеньевна
Моделирование теплообмена и разработка эффективных стеклянных теплообменников для утилизации теплоты коррозионноактивных вентиляционных выбросов
Афанасьев Алексей Викторович
Математическое моделирование теплообмена около горизонтального цилиндра, обтекаемого плоской струей, при ламинарной совпадающей смешанной конвекции
Рулев Александр Владимирович
Разработка и оптимизация промышленного регазификатора на основе моделирования теплообмена в твердотельном теплоносителе
Нестеров Денис Александрович
Вычислительное моделирование теплообмена в магнитогазодинамических течениях с Т-слоем

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