Разработка эффективных систем охлаждения направляющей лопатки высокотемпературной газовой турбины на базе интенсификации теплообмена с вихревой матрицей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Андреев, Константин Дмитриевич

• Андреев, Константин Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Андреев, Константин Дмитриевич

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ВИХРЕВЫХ МАТРИЦ И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК С ВИХРЕВЫМИ МАТРИЦАМИ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

1.1. Объект исследований.

1.2. Обзор экспериментальных исследований гидравлического сопротивления и теплообмена в трактах с компланарным оребрением

1.3. Обзор экспериментальных исследований лопаток газовых турбин с системой охлаждения на базе вихревых матриц

1.4. Цели и задачи настоящих исследований

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ И ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ С ВИХРЕВЫМИ МАТРИЦАМИ

2.1. Экспериментальное оборудование и конструкция рабочего участка для исследования гидравлических сопротивлений и теплоотдачив каналах с вихревыми матрицами

2.2. Методика проведения опытов и обработки результатов экспериментов

2.3. Диапазоны изменения режимных параметров опытов.

Погрешности результатов экспериментального исследования

2.4. Результаты опытов по исследованию теплоотдачи и гидравлического сопротивления в канале прямоугольного поперечного сечения с гладкими стенками

2.5. Результаты исследования гидравлических характеристик теплообменных поверхностей со скрещивающимся и взаимно пересекающимся оребрением

2.6. Результаты исследования теплообмена в модельном канале. Обобщение опытных данных по теплообмену

2.7. Сравнение полученных результатов с результатами других организаций

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ЛОПАТКИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ С ВИХРЕВОЙ МАТРИЦЕЙ

3.1. Экспериментальные исследования теплового состояния и эффективности охлаждения направляющей лопатки газовой турбины с вихревой матрицей

3.1.1. Экспериментальное оборудование

3.1.2. Обработка результатов

3.1.3. Погрешности результатов

3.1.4. Результаты экспериментального исследования теплового состояния и эффективности охлаждения опытной лопатки. Анализ опытных данных

3.2. Расчетные исследования теплового состояния направляющей лопатки газовой турбины с вихревой матрицей

3.2.1. Особенности расчетного исследования теплового состояния лопаток

3.2.2. Краткое описание программного комплекса COLD

3.2.3. Расчетные исследования теплового состояния. Сравнение результатов расчетных и экспериментальных исследований и их анализ

4. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ЛОПАТКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

А - коэффициент;

В - ширина канала вихревой матрицы, м; Ь - толщина ребра вихревой матрицы, м; С - коэффициент; с1г - гидравлический диаметр канала, м; с!э - эквивалентный диаметр тракта с компланарными каналами, м;

Рх - общая теплообменная поверхность тракта с компланарными каналами, м2;

4 - эквивалентная площадь проходного сечения тракта с компланарными каналами,

Р0 - теплообменная поверхность базового канала с гладкими теплообменными поверхностями составляла, м2;

Рсх - неоребренная поверхность одной теплообменной пластины, м2; ГЁ - поверхность одной боковой стенки, свободной от оребрения, м ;

Рр - площадь поверхностей оребрения, м ; Рп - площадь пересечения оребрения, м2;

Р^ - площадь поверхности оребренных участков каналов, омываемые охлаждающим воздухом, м2;

§ = 9.81 - ускорение свободного падения, м/с ;

Ов - расход воздуха, проходящего через систему охлаждения, кг/с;

Ог - расход газа через межлопаточные каналы, кг/с;

Н - высота канала вихревой матрицы, м;

Ьп - величина взаимного пересечения ребер вихревой матрицы, м; Ьр - высота ребра вихревой матрицы, м; Ь - длина канала вихревой матрицы, м; т - показатель степени; п - показатель степени; Ыи - критерий Нуссельта; Р - среднее давление, Па;

Ра - атмосферное давление, Па; Я - газовая постоянная, Дж/кг-К;

Кеэ= ёэ-\Уэ/у - критерий Рейнольдса, в качестве характерного размера используется эквивалентный диаметр;

Б - шаг установки ребер вихревой матрицы, м; = Э/Ьр - относительный шаг установки ребер вихревой матрицы;

Тст - температура стенки, К;

3 - угол установки ребер вихревой матрицы к направлению продольной оси канала, рад; а - угол наклона поверхности ребра к плоскости основной широкой стенки, рад; Ув - объем, занимаемый теплоносителем в тракте с компланарными каналами, м3; п - число, равное 3.1415.; С, - коэффициент сопротивления в канале; - коэффициент сопротивления, отнесенный к единице длины канала, £,= С,-с1г/Ь;

Р = — - относительный угол установки ребер вихревой матрицы к направлению тс продольной оси канала;

УЭ - эквивалентная скорость в тракте с компланарными каналами, м/с; V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; ¥ = Тст /Тв - температурный фактор; а = а ¡к - относительный угол наклона поверхности ребра к плоскости основной широкой стенки;

Ур о - объем, занимаемый ребрами теплообменных поверхностей, м3;

Ур - общий объем оребрения на участке канала с двумя скрещивающимися оребренными поверхностями, м3;

Уп - объем пересечения оребрения, м ;

Ув - свободный от оребрения объем в канале вихревой матрицы, м ; X - коэффициент теплопроводности, Вт/м-К; ав - коэффициент теплоотдачи с воздушной стороны; аг - коэффициент теплоотдачи с газовой стороны; р - плотность среды, кг/м ;

X - относительная скорость потока воздуха или газа; <т - относительная погрешность измерений; Рг - критерий Прандтля;

Re^ - величина критерия Рейнольдса, определяющая границу зоны автомодельности;

Со - коэффициент сопротивления в пределах зоны автомодельности; Тг* - температура газа за камерой сгорания, К;

Рн- давление газа на выходе из решетки профилей лопатки в корневом сечении, Па;

Р^- давление газа на выходе из решетки профилей лопатки в периферийном сечении, Па;

Р®х - давление воздуха на входе в систему охлаждения лопатки, Па; Тввх - температура воздуха на входе в систему охлаждения лопатки, Па; Т*0 - температура газа перед фронтом решетки лопаток, К; 9 - безразмерная глубина охлаждения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка эффективных систем охлаждения направляющей лопатки высокотемпературной газовой турбины на базе интенсификации теплообмена с вихревой матрицей»

На современном этапе развития как отечественного, так и зарубежного стационарного газотурбостроения в качестве главной тенденции, определяющей неуклонный рост экономичности вновь проектируемых мощных ГТУ, является повышение начальных параметров газа перед турбиной, в частности, температуры [18]. В условиях опережающих темпов роста начальной температуры газа в турбине в сранении с темпами роста характеристик жаропрочности и жаростойкости вновь создаваемых материалов для газотурбостроения реализация высоких начальных температур возможна только при использовании интенсивного охлаждения горячих деталей проточной части газовой турбины. С помощью охлаждения представляется возможным получить такие температуры в материале охлаждаемой детали, которые обеспечили бы ее работоспособность во всем диапазоне эксплуатационных режимов [11].

К настоящему времени наиболее широкое распространение получили системы открытого воздушного охлаждения, для которого используется часть циклового воздуха, сбрасываемая после прохода по охлаждающим каналам горячих деталей в проточную часть турбины [29]. Их основным достоинством является простота конструктивного исполнения. Вместе с тем, расходование воздуха на охлаждение турбины приводит к уменьшению выгоды, получаемой от повышения начальной температуры газа, и может сделать ее столь незначительной, что технологические и эксплуатационные трудности, связанные с применением охлаждаемых деталей и усложнение конструкции ГТУ не будут оправдываться. Поэтому при увеличении температуры газа на входе в турбину перед проектировщиками стоит задача достижения необходимого эффекта охлаждения деталей турбины при минимальном относительном расходе охлаждающего воздуха [32].

В высокотемпературных газовых турбинах наиболее сильные тепловые нагрузки воспринимает лопаточный аппарат, в частности, направляющие лопатки первой ступени, для которых дополнительным фактором, ухудшающим их 9 тепловое состояние, является неравномерность газового потока после камеры сгорания, которая может достигать в стационарных газотурбинных установках 15% от величины среднемассовой температуры.

Основным способом повышения эффективности систем охлаждения лопаточных аппаратов с целью обеспечения необходимого ресурса их работы является интенсификация внутреннего теплообмена в каналах системы охлаждения [8]. К таким способам теплоотдачи в плоских охлаждающих каналах относится оребрение их противоположных стенок взаимно пересекающимися ребрами, расположенными под некоторым углом к оси канала, так называемые каналы с вихревой матрицей, или компланарные каналы [27].

Учитывая актуальность, проблемами интенсификации теплообмена с помощью вихревых матриц занимались в разное время и занимаются в настоящее время большое число организаций. Накоплен опыт применения вихревых матриц в системах охлаждения лопаточных аппаратов на - АО "Ленинградский Металлический завод", НПП "Завод им. В.Я. Климова", АО "Турбомоторный завод" и других энергомашиностроительных предприятиях.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Андреев, Константин Дмитриевич

Основные результаты:

1. Спроектирован и изготовлен модельный канал для экспериментального исследования теплообмена и гидравлического сопротивления теплообменных поверхностей со скрещивающимся под углом 2(3 и взаимно пересекающимся на величину Ьп оребрением. Изготовлены опытные теплообменные поверхности и выполнена их препарировка термопарами. Смонтирован экспериментальный стенд, включающий собственно модельный канал, систему подвода воздуха к этому каналу, систему электрического обогрева теплопередающих стенок канала и систему измерения электрических и термодинамических параметров.

2. Составлена методика обработки опытных данных и обобщения результатов опытов в критериях подобия. Проведена оценка погрешностей результатов опытов.

3. Проведено экспериментальное исследование коэффициентов теплоотдачи и коэффициентов гидравлического сопротивления на участке канала прямоугольного поперечного сечения длиной Ь с соотношением сторон В/Н= 90/12 мм со скрещивающимся под углом 2(3 и взаимно пересекающимся на глубину Ьп оребрением двух противоположных широких стенок. Исследовано 12 вариантов теплообменных поверхностей с углами 2(3= 60°, 90° и 120° и величиной перекрыши ребер Ьп= 6, 4, 2 и 0 мм по каждому из углов 2(3. Шаг оребрения Б и толщина ребра Ь у всех исследованных вариантов были одинаковы и составляли соответственно 8= 14 мм и Ь= 4 мм. Использование в качестве теплоносителя воздуха с начальной температурой примерно 300 К обеспечивало диапазон изменения критериев Ые= (5.50)-10 , вычисленных по эквивалентному гидравлическому диаметру с1э и эквивалентной площади проходного сечения

4. Результаты опытов по определению гидравлических сопротивлений в канале с оребренными теплообменными поверхностями показали, что коэффициенты гидравлических сопротивлений исследованных поверхностей С, превышают коэффициенты гидравлического сопротивления того же участка канала, но имеющего гладкие стенки, С,0 в 15. .750 раз в зависимости от величины угла 2(3 и значения перекрыши ребер hn. При Re< (14.20)-103 коэффициенты гидравлических сопротивлений практически не зависят от Re, но при больших значениях Re с увеличением последних убывают. Глубина взаимного пересечения ребер hn при прочих равных условиях заметно влияет на величину коэффициентов гидравлического сопротивления С,: с увеличением hn коэффициенты ^ возрастают. Аналогичным образом влияет на коэффициенты гидравлического сопротивления и угол скрещивания 2р.

5. Результаты опытов по определению теплоотдачи на участке канала с оребренными поверхностями показали, что безразмерные коэффициенты теплоотдачи на исследованных поверхностях Nu превышают коэффициенты теплоотдачи на том же участке канала с гладкими стенками Nu в 1.5.3.5 раза в зависимости от величины угла 2(3 и глубины взаимного пересечения ребер hn по всему исследованному диапазону изменения критериев Re. Если разброс точек в координатах графика Nu= f(Re) при 2(3= const по параметру hn составляет ±15% от некоторой осредняющей их линии для всех значений исследованного угла скрещивания ребер 2(3, то влияние угла скрещивания ребер 2(3 на средние числа Nu при постоянном значении величины hn оказывается весьма заметным. В этом случае увеличение угла 2(3 сопровождается и ростом коэффициентов теплоотдачи.

6. Обобщение результатов опытов позволило получить эмпирические критериальные соотношения для определения коэффициентов гидравлических сопротивлений С, и безразмерных коэффициентов теплоотдачи Nu в теплообменных поверхностях со скрещивающимся и взаимно пересекающимся оребрением. Протяженность области автомодельности по критерию Re для коэффициентов гидравлического сопротивления С, зависит от параметров (3 = 2(3/л и hn = hn /hp; от этих же параметров зависит и величина коэффициентов гидравлического сопротивления в рассматриваемой области. При RoRe^ предложена степенная зависимость f(Re) с показателем степени т, зависящим от глубины пересечения ребер hn. Опытные данные по средней теплоотдаче на теплообменных поверхностях также удалось обобщить простыми степенными соотношениями вида Nu= CRen, коэффициент С и показатель степени п в котором являются линейными функциями параметрами р.

7. На базе полученных критериальных соотношений для коэффициентов гидравлического сопротивления и средних чисел Nu создана математическая модель охлаждаемой направляющей лопатки с вихревой матрицей газоперекачивающего агрегата ГТН-6У, выпускаемого АО "Турбомоторный завод".

8. Проведены расчетные исследования этой лопатки с использованием программного комплекса COLD (ПИМаш) для различных вариантов конструкции дефлектора. Получены распределения температур вдоль обвода профиля, значения расходов охладителя, коэффициенты теплоотдачи с наружной и внутренней стороны, коэффициенты гидравлических сопротивлений в системе охлаждения для широкого спектра изменения режимных параметров.

9. Был подготовлен рабочий участок с препарированными термопарами экспериментальными охлаждаемыми направляющими лопатками установки ГТН-6У.

10. Проведены экспериментальные исследования таких лопаток с режимными параметрами и вариантами конструкций дефлектора, соответствующими параметрам и конструкциям, для которых проводились расчетные исследования. Выявлено очень хорошее согласование температурных полей и расходов охладителя на всех режимах и при всех исследованных конструкциях системы охлаждения. Это подтвердило правильность созданной математической модели лопатки, выведенных критериальных соотношений по теплообмену и гидравлическому сопротивлению в каналах с компланарным оребрением. Доказана также возможность практического применения полученных зависимостей для расчета участков системы охлаждения турбинных лопаток с вихревыми матрицами.

138

11. Создана математическая модель и проведены расчетные исследования направляющей лопатки первой ступени высокотемпературной газовой турбины стационарной энергетической установки ГТЭ-150 АО "Ленинградский Металлический завод". Даны практические рекомендации по изменению конструкции вихревой матрицы, установленной в этой лопатке, с целью повышения эффективности всей системы охлаждения.

Заключение.

В работе были проведены комплексные - экспериментальные и расчетные -исследования теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с компланарным оребрением применительно к системам охлаждения лопаточного аппарата высокотемпературных газовых турбин.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Андреев, Константин Дмитриевич, 1999 год

1. Акимов Н.К., Проскуряков Г.В. Модернизация газоперекачивающих агрегатов 16 и 25 МВт // Тяжелое машиностроение. - 1996. - № 6. - С. 7-22.

2. Внутренняя теплоотдача в оребренных каналах со скрещивающимися струями охлаждающего воздуха / М.Н.Галкин, А.Н.Бойко, В.Г.Попов, Н.Л.Ярославцев // Машиностроение. (Изв. высш. учеб. заведений). 1984. - № 5.-С. 56-60.

3. Вохмянин С.М., Роост Э.Г., Богов И.А. Расчет систем охлаждения лопаток газовых турбин. Программный комплекс COLD. СПб.: Международная Академия Наук Высшей Школы. Санкт-Петербургское отд-ние. СПИМаш (ВТУЗ-ЛМЗ), 1997. - 110с.

4. Высокотемпературный экспериментальный стенд / Л.В.Арсеньев,

5. B.В.Носов, В.Г.Полищук, Н.П.Соколов // Ленинград, межотрасл. территор. центр научно-техн. информ. и пропаганды. Информационный листок. 1161-86. - Л.: ЦНТИ, 1986.

6. Галкин М.Н., Попов В.Г., Ярославцев Н.Л. Исследование и расчет гидравлических и тепловых характеристик охлаждаемых конструкций с компланарными каналами // Машиностроение. (Изв. высш. учеб. заведений). 1985. - № 3. - С. 7376.

7. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло- и массообмена. М.: Высшая школа, 1967. - 300 с.

8. Интенсификация теплообмена в каналах / Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер,

9. C.А.Ярхо. М.: Машиностроение, 1981. - 205 с.

10. Интенсификация теплообмена в оребренных трактах с предельно большими углами скрещивающихся каналов / М.Н.Галкин, В.П.Линвинков, В.А.Мальков и др. // Машиностроение. (Изв. высш. учеб. заведений). 1987. - № 9. - С. 60-63.

11. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сухомел A.C. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.-488 с.

12. Копелев С.З. Охлаждаемые лопатки газовых турбин. М.: Наука, 1983.143 с.

13. Копелев С.З., Слитенко А.Ф. Конструкция и расчет систем охлаждения ГТД / Под ред. Слитенко А.Ф. Харьков: Основа, 1994.- 240 с.

14. Кудрявцев В.М., Орлин С.А., Поснов С.А. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления в трактах с компланарными каналами // Машиностроение. (Изв. высш. учеб. заведений). 1983. - № 4. - С. 54-58.

15. Кудрявцев В.М., Орлин С.А., Поснов С.А. Экспериментальное исследование теплообмена в тракте с компланарными каналами // Тепловые процессы в двигателях и энергоустановках летательных аппаратов. (Межвуз. научн. сб.). Казань: 1985. - С. 56-62.

16. Лебедев A.C. Экспериментальное исследование теплообмена в модельных каналах охлаждения турбинных лопаток // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений). 1986. - № 9. - С. 92-95.

17. Легкий В.М., Макаров A.C. Теплообмен на термическом начальном участке при стабилизированном турбулентном течении воздуха в круглых трубах и прямоугольных каналах // Инж.-физ. журн. 1971. - т. 20. - № 2. - С. 215-223.

18. Манушин Э.А. Газовые турбины: проблемы и перспективы. М.: Энерго-атомиздат, 1986. - 167 с.

19. Новый газотурбинный двигатель мощностью 110 МВт для стационарных энергетических установок / В.И.Романов, С.В.Рудометов, О.Г.Жирицкий, В.В.Романов // Теплоэнергетика. 1992. - № 9. - С. 15-21.

20. Петухов Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 472 с.

21. Правила измерения расходов газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД50 213 - 80. - М.: Изд,-во стандартов, 1982. - 320 с.

22. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978. - 703 с.

23. Расчетные и экспериментальные методы определения теплового состояния основных узлов газовых турбин с воздушным охлаждением. РУ, вып. 29, т.З. -Л.: ЦКТИ, 1977.

24. Результаты гидравлических испытаний модели вихревой рабочей лопатки. Отчет о НИР / Предприятие п/я А-1469; н. руководитель С.В.Рудометов. ОТ 255.00.253 - 80. - Николаев, 1980. - 25 с.

25. Стационарные газотурбинные установки / Л.В.Арсеньев, В.Г.Тырышкин, И.А.Богов и др.; Под ред. Л.В.Арсеньева и В.Г.Тырышкина. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1989. - 543 с.

26. Теория и техника теплофизического эксперимента: Учеб. пособие для вузов / Ю.Ф.Гортышов, Ф.Н.Дресвянников, Н.С.Идиатуллин и др.; Под ред. В.К.Щукина. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 360 с.

27. Теория теплообмена: Учебник для вузов / С.И.Исаев, И.А.Кожинов, В.И.Кофанев и др.; Под ред. А.И.Леонтьева. М.: Высшая школа, 1979. - 495 с.

28. Тепловое состояние охлаждаемых рабочих лопаток газовых турбин / Ар-сеньев Л.В., Корсов Ю.Г., Митряев И.Б., Полищук В.Г. Энергетическое машиностроение (НИИЭинформэнергомаш), 1983. - № 5. - (3-83-05).

29. Швец И.Т., Дыбан Е.П. Воздушное охлаждение деталей газовых турбин. -Киев: Наукова думка, 1974. 487 с.

30. Экспериментальное исследование теплопередающих поверхностей с компланарными каналами (типа Френкеля) / А.Н.Антонов, Ю.Ф.Баранов, А.Ю.Клочков и др. // Вестник МЭИ. 1997. - № 1. - С. 21-23.