Численное моделирование течения вязкого газа в рабочих лопатках осевых турбин с целью снижения в них потерь кинетической энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Туапетел Джонс Виктор

• Туапетел Джонс Виктор
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Туапетел Джонс Виктор

Основные обозначения

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, задачи и метод исследования

1.1. Состояние вопроса

1.2. Задачи исследования

1.3. Численное моделирование ступеней турбомашин.

1.3.1. Движения жидкости

1.3.2. Исходные уравнения

1.4. Гидродинамические пакеты

1.4.1. Модели турбулентности.

1.4.1.1. Модель вихревой вязкости Спаларта-Аллмараса

1.4.1.2. Модель hs.

1.4.1.3. SST- модель Ментера.

1.4.1.4. Модель V2F

1.4.2. Fluent

1.4.3. STAR-CD

1.4.4. CFX

1.4.5. FlowER

Глава 2. Потери энергии в решетках турбин.

2.1. Показатели качества решетки.

2.2. Профильные потери

2.3. Влияние на профильные потери t в решетках чисел Re, М

2.4. Влияние на потери энергии зазоров и перекрыш.

2.5. Влияние веерности на распределение потерь по высоте кольцевых решеток

Глава 3. Численное моделирование двумерного течения газа в решетках турбин

3.1. Координаты профиля и расчетные сетки.

3.2. Модели турбулентности на потери кинетической энергии.

3.3. Влияние входного угла потока и шага решеток.

3.4. Структура потока в рабочих решетках.

3.5. Влияние числа Рейнольдса и степени турбулентности.

3.6. Усовершенствование решетки Р2118В.

ГлаЬа 4. Численное моделирование пространственного потока в решетках осевых турбин

4.1. Метод и объект расчеты.

4.2. Расчеты потерь кинетической энергии по высоте лопатки.

4.3. Структура вторичных потоков на рабочйе лойатке.

4.4. Влияние концевых зазоров на пространственное течение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование течения вязкого газа в рабочих лопатках осевых турбин с целью снижения в них потерь кинетической энергии»

Актуальность работы. К.Г1.Д газотурбинной установки в значительной степени зависит от к.п.д. турбин и компрессоров, а также от потерь в других элементах ГТУ. В связи с этим, рациональному проектированию высокоэффективных газовых турбин, компрессоров и других элементов ГТУ всегда уделяется большое внимание.

Последнее поколение ГТУ имеет тепловой к.п.д. 53-58%. Высокий общий к.п.д. новых установок обусловлен прежде всего тем; что тепловой к.п.д. современных ГТД составляет 45-48%. Конструкция новых ГТД достаточно сложна и создает проблемы, которые требуют решения.

Одним из многих элементов в газовой турбине являются лопатки, функция которых проводить газ, и регулировать направление соответственно профилю лопаток. Течение газа в газовой турбине описывается теми же уравнениями: Разница заключается лишь в характере течения газа в межлопаточных каналах, где течение является конфузорным, сопровождающимся ростом скорости потока. Продукты сгорания, имеющие, высокую температуру и давление, которые поступают на лопатки, влияет на параметры и срок службы деталей ее горячей части. Для турбин« характерны > высокие газодинамические нагрузки при больших вращательных скоростях возникают транс- и сверхзвуковые течения; Повышение рабочих температур; в турбинах современных ГТД привело : к появлению характерных дефектов на кромках и в основании направляющих лопаток. Значительный прогресс газотурбинных технологий за последние двадцать лет достигнут за счет разработки новых материалов, покрытий, и способов охлаждения горячей части двигателей.

Повышение эффективности и надежности тепловых турбомашин требует совершенствования их проточных частей, и в первую очередь — лопаточных аппаратов. В настоящее время в турбомашинах используют большое количество лопаточных решеток, высокая эффективность которых подтверждена экспериментами на стендах и натурными испытаниями. Однако, в процессе модернизации существующего парка или проектирования^ новых тепловых турбин практически всегда требуется разрабатывать, новые лопаточные венцы. Для разрабатываемых ГТУ характерно проектирование проточных частей турбомашин на основе трёхмерных расчётов* с учётом концевых потерь и взаимной связи аэродинамики газового потока, охлаждения-деталей и их прочности.

При использовании современных, достаточно надёжных средств автоматизации появилась возможность регулирования систем охлаждения извне в зависимости от режима работы ГТУ для повышения их экономичности при различных режимах и частичных нагрузках.

Степень достоверности решения задачи оптимизации и соответствие эксплуатационных характеристик расчетным» во многом зависят от совпадения истинных и принятых в расчете потерь кинетической энергии в проточной части осевой тепловой турбины. Исследование потерь на плоских решетках профилей ведутся уже давно, получены необходимые обобщения, которые в сочетании с отраслевыми стандартами на профили широко используются в проектировании.

В настоящее время все большее число расчётов теплового и газодинамического состояния лопаток осуществляется численно с использованием современных компьютерных CFD (Computational Fluid Dynamic) технологий, основы которых изложены в работах по проектированию, анализу и т.д. К наиболее совершенным компьютерным программам, реализующим CFD-технологии, можно отнести Fluent, STAR-CD, Ansys-CFX, которые дают возможность моделировать газодинамические процессы.

Известно, что появление коммерческих программ открывает большие возможности моделирования процессов течения в проточной части турбомашин. Применение компьютерных пакетов весьма ускоряют и уменьшают сроки решения задач. Тем не менее, необходим высокий уровень специалиста при использовании этих пакетов, для получения высокой эффективности. Современные программные средства позволяют не только определить интегральные характеристики течения, но и детально проанализировать локальные параметры, выявить особенности обтекания.

Цель и задачи работы Цель проведенных исследований заключалась в разработке основных научно-технических решений для оценки локальных и интегральных характеристик двухмерного и трехмерного течения газа в решетках осевых турбин, с помощью универсального гидродинамического программного пакета Fluent.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

• Рассмотрены, методы расчёта обтекания рабочих профилей турбинных ступеней и проанализирована картина течения газа.

• Произведен расчет потерь кинетической^нергии« потока вследствие изменения числа Маха на малой относительной высоте' лопатки газовой турбины.

• Рассмотрено влияние вторичных течений в-межлопаточном канале рабочей решетки на потери* кинетической энергии, при дозвуковой, трансзвуковой и сверхзвуковой скорости потока.

• Рассмотрено влияние радиального зазора на пространственное течение.

Предметом исследования являются лопаточные решетки малой высоты, их газодинамические характеристики при обтекании турбулентным потоком газа, с режимами, до-, транс- и сверхзвукового течения.

Метод исследования заключался в численном моделировании потока при разных начальных условиях и в последующем анализе его поведения, с целью повышения эффективности РТУ.

Научная новизна работы

• Выявлена зависимость, между высотой рабочей лопатки и структурой течения при различных значениях числа Маха.

• Установлены методические рекомендации по выбору параметров, которые позволят обеспечить оптимальную точность результатов расчета.

Практическая ценность работы

Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение, так как их учет и использование на практике позволит добиться значительного повышения эффективности установки.

На защиту выносятся :

• Результаты анализа турбулентных течений.

• Найденные оптимальные характеристики лопаток турбин.

• Характер изменения коэффициента потерь по высоте решетки.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения и библиографического списка использованной литературы из 51 источников.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Туапетел Джонс Виктор

Основные выводы по работе и рекомендации по применению универсального гидродинамического программного пакета Fluent для расчета течения в решетке турбин Р2118В сводится к следующему.

1. Расчет потери кинетической энергий с применениями структурированной и неструктурированной сетки в плоской турбине решетки удовлетворительно совпадает с экспериментом.

2. С применением модель турбулентности Спаларта-Аллмараса, результаты расчеты двухмерное течение показывает, что увеличение числа Рейнольдса при Pi = 18° и (3i=21° коэффициент потери энергии снижается.

3. Изменение угла входного потока с 18° до 21° происходит снижения-коэффициентов потерь энергии и последующее увеличение угла потока с 21° до 24° приводит к небольшому изменению коэффициентов потери энергии.

4. Характер изменения коэффициент потерь в зависимости от степени турбулентности при Mi = 1,0 и 1,2 показывает, что при М] = 1,0 с ростом степени турбулентности в диапазоне 1%</<12% коэффициенты потерь возрастают, но не большой, Q = 0,24 0,26. При М] = 1,2 коэффициентов потерь меняются от 0,21 0,23. Но тогда для / > 6 % увеличение коэффициентов потерь более больших величин.

5. Перепрофилирование решетки привело к снижению коэффициента потерь и отрыв потока уменьшается на выпуклой поверхности.

6. Численное моделирование трехмерного течения с моделью турбулентностью ксй^Т дает достоверную картину течения, а газодинамические характеристики, построенные по результатам моделирования, хорошо соотносятся с данными экспериментами.

7. Численный расчет трехмерного вязкого течения в проточной части рабочей решетки турбины с использованием модели турбулентности Ы-геаНгаЫе и йгш-З'ЗТ и комбинации формы сетки позволил получить результаты, близкие к данным экспериментам в области чисел Мо/ от 0,9 до 1,4. По высоте лопатки низкий коэффициент потери энергии имеет место при / = 0,75. После Т > 0,75 происходит увеличение интенсивности вторичных течений.

8. При М1 = 0,6 и 0,8 увеличение радиального зазора на диапазоне о = 0,015 + 0,037 влияет повышение потери энергии.

9. Наличие диссипацией энергии в радиальном зазоре составляет коэффициент потери энергии до 87 %. В среднем сечении решетки увеличение радиального зазора коэффициент потери энергии уменьшается.

Заключение

Численное моделирование течение вязкого газа в рабочих лопаток осевых турбин для усовершенствования- работы турбин, выполненных в рамках диссертации, демонстрируют реальную возможность корректного численного моделирования параметров пространственного турбулентного потока в рабочих решетках турбин на основе осредненной по Рейнольдсу системы уравнений Навье-Стокса.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Туапетел Джонс Виктор, 2010 год

1. Афанасьева*H.J Н., Бусурин В. Н., Гогодев И. Г. и,др; Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин.; Иод общ. Ред. В: А. Черникова, - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 19801 - 263 с.

2. Бойко A.B., Оптимального- проектирования проточных частей осевых турбомашин-современное /Вестник НТУ «ХПИ». Сборник научных трудов. Тематический выпуск «Энергетическое и- теплотехническое оборудование». — Харьков: НТУ «ХПИ». — 2005. — № 6. — с. 14-20

3. Быстров Ю. А. Численное Моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Ю. А.Быстров, С. А. Исаев, Н. А. Кудрявцев, А. И. Леонтьев. СПб.:Судостроение, 2005, 390с.

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

5. Венедиктов В. Д.и др., Современные методы пространственного проектирования проточной» части газовых турбин / Теплоэнергетика -2002-№ 9^- с.12-18:

6. Волков К. Н., Разработка и реализация алгоритмов численного решения задач механика жидкости и газа / Вычислителные методы и программирование; 2007, Т.8, с. 40-56.

7. Дейч, М.Е. Атлас профилей решеток осевых турбин / М.Е Дейч, Г.А. Филиппов, Л.Я. Лазарев.- М.Машиностроение, 1965.-96с

8. Дейч, М.Е Техническая газодинамика / М.Е Дейч М.: Госэнергоиздат, 1961, -670с.

9. Дейч, М.Е., Самойлович, Г. С., Основы аэродинамики осевых, турбомашин / М.Е. Дейч, М.: Машиностроение, 1959. — 428с.

10. Галаев С. А., Численное моделирование течения вязкого газа в решетках осевых турбомашин: методика и результаты применения современных программных средств, дисерт. канд. тек. наук, СПб, 2006.

11. Кириллов, И; И. Теория турбомашин / И. И. Кириллов, Л.: Машиностроение, 1972.-535с.

12. Кириллов, И. И. Теория турбомашин (примери и задачи) / И. И. Кириллов, А; И; Кириллов Л.: Машиностроение, 1974.-320с.

13. Коршунов Б.А.и др Влияние относительной высоты лопаток на потери в турбинных сопловых решетках // Теплоэнергетика 2005 - № 6 - с. 19-22

14. Костюк, А. Г. Динамика и прочность турбомашин / А. Г. Костюк, М.:МЭИ, 2000.-479с

15. Лапшин, К.Л. Оптимизация проточных частей многоступенчатых турбин I К. Л. Лапшин, СПб.: Издательство С.Петербургская университета, 1992.-196с.

16. Манушин Э. А. Газовые Турбины: проблемы и перспективы / Э: А Манушин Москва энергоатомиздат, 1986-167 с.

17. Марков Н. М. Теория и расчет турбинных ступеней / Н. М.Марков -М. Машиностроение 1963, 154с

18. Мехерван П. Бойс. Эксплуатационая готовность и надежность современных промышленных газотурбинных двигателей* // Газотурбинные Технологи — март 2005.

19. Михальцев В.Б., Моляков В.Д.; Теория и проектирование газовой турбины, МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2006; 104 с.

20. Русанов А.В.,.Ёршов С.В , Метод расчета трехмерных турбулентных течений в проточных частях произвольной формы / Институт проблем машиностроения им. А.Н.Подгорного НАН Украины

21. Сеноо И., Трехмерные пограничные слои в турбомашинах // Трехмерные турбулентные пограничные слои / Издательство «мир», Москва, 1985, с.150-162.

22. Соколовский Г. А. Трансзвуковые течения газа через решетки турбомашин / Г. А.Соколовский .,К.:Наукова Думка, 1980.-156с.

23. Соколовский Г. А., Гнесин В. И., Нестационарные трансзвуковые и вязкие течения в турбомашинах / Г. А.Соколовский., К.:Наукова Думка, 1986.-259с.

24. Тыринов А. И. Верификация нестационарных к- е моделей турбулентности на основе теплообменных процессов в импактной струе // Пром. Теплотехника 2006 - № 5 - с. 21-26.

25. Тарасова А.И., и др /О моделировании теплообмена на профилях Турбиных лопаток с помощью CFD программ / Сборник научных трудов. Тематический выпуск «Энергетическое и теплотехническое оборудование». — Харьков: НТУ «ХПИ». — 2005. — № 6. —81-84.

26. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкости: в 1 и 2'т./ К Флетчер ; пер. с англ. М.: Мир, 1991.-Т. 1-2.

27. Чупин П. В., и др., Оптимизация ступени турбины ГТД использованием комплексов программ ГЬлуеЕК-Орйтш и СРХ-ТА8Сйош.

28. Шерстюк А.Н, Определение параметров газа в турбинной ступени при подводе или отводе тепла через поверхности деталей //Теплоэнергетика 2002 - № 5 - с.58-59

29. Abed К. A. Performance estimation of axial flow reaction turbine // IE(I) Journal MC April2003 - Vol.84 - p.7-12

30. Aminossadati S.M;, Simulation of Aerodynamic Loss for Turbine Blades with Trailing-Edge Coolant Ejection; PhD Thesis ; The University of Queensland; Australia, 1998

31. Bailey D. A. Study of Mean- and Turbulent-Velocity fields in a Large-Scale Turbine-Vane Passage, Journal of Engineering for Power, Trans. ASME Vol. 102, 1980, p.88-89

32. Denton J.D., Aerothermodynamics of Internal Flows / Lessons from Rotor 3T Proc. 3rd Internat. Symp., Beijing, China / 1996 p. 3-14

33. Denton J. D., Dawes W. N., Computational' fluid dynamics for turbomachinery design / Proc Instn Mech Engrs Vol 213 Part С / 1999 -p.107-1243 8. FLUENT 6.1 Features / Fluent Inc. 2003

34. Graziani R. A., Blair M. F., Taylor J. R., Mayle R. E., An experimental' study of endwall and airfoil surface heat transfer in* a large scale turbine blade cascade, Journal of Engineering for Power, Vol. 102, 1983. p.257-267.

35. Gregory-Smith D. G., Secondary flows and losses in axial flow turbines / Journal of Engineering for Power, Vol. 104, 1982. p.819-822.

36. Han L. S., Cox W. R., A visual study of turbine blade pressure-side boundary layers / Journal of Engineering for Power, Vol. 105, 1980. p.47-52.

37. Hirsch Charles, Demeulenaere Alain State of the Art in the Industrial CFD for Turbomachinery Flows ; CFD Network Newsletter A Thematic Network For Quality and Trust Volume 2, No. 3 December 2003-p.5-9

38. Khalatov. A., Syred N., Smith A., Bowen G., A CFD study into the flow pattern in a double overlapped cyclom cooling configuration // Пром. Теплотехника 2002- № 5 -p. 23-33 .

39. Kochevsky, Alexey N., Possibilities of simulation of fluid flows using the modern CFD software tools / Research Scientist, Department of Applied Fluid Mechanics, Sumy State University.

40. Lakshiminarayana В., Jabbari A., Yamaoka H. Three-dimensional turbulent boundary layer on a single rotating helical blade, Journal Fluid Mechanics, Vol.51,1972, p. 545

41. Marchal P., Sieverding С. H. Secondary flows within turbomachinery blading / Secondary flows in turbomachines, AGARD-CP-214,Paper 11, 1977.

42. Rainer Kurz, Gas Turbine Performace // Proceedings of the thirty-fourth turbomachinery symposium 2005 -p.131-146 ,

43. Xu L. The base pressure and trailing edge loss of transonic turbine blades; PhD Thesis; 1985; University of Cambridge; England.

44. Yershov Sergey V, Rusanov A. V, Shapochka A , 3D Viscous transonic turbomachine flows: numerical simulation and optimisation using code FlowER /Institute of Mechanical Engineering Problems, Ukranian Academy of Sciences