Совершенствование методов проектирования газовых турбин на основе расчета газодинамических характеристик с учетом системы завесного охлаждения сопловых лопаток тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Ковалева, Наталья Николаевна

• Ковалева, Наталья Николаевна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ковалева, Наталья Николаевна

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ.

1.1 Тенденции развития параметров рабочего процесса газотурбинных двигателей.

1.2. Аэродинамические характеристики коротких турбинных решеток.

1.2.1 Вторичные течения в решетках турбомашин.

1.2.2 Аэродинамические характеристики коротких турбинных решеток.

1.3 Исследования в области газодинамики охлаждаемых турбин

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И

МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1 Экспериментальный стенд для изучения аэродинамических характеристик решеток.

2.2. Описание экспериментальной установки.

2.3. Проведение экспериментального исследования в изотермических условиях.

2.4. Принцип организации измерений.

2.5. Применяемые приемники параметров потока.

2.6. Методика обработки результатов измерений.

2.7. Погрешности измерений.

2.8. Анализ достоверности результатов.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В РЕШЕТКЕ С ВЫДУВОМ ОХЛАДИТЕЛЯ ЧЕРЕЗ ПЕРФОРАЦИИ НА ВОГНУТОЙ СТОРОНЕ ПРОФИЛЯ И ЩЕЛЬ В ВЫХОДНОЙ КРОМКЕ ЛОПАТКИ 63 3.1 Обзор существующих численных методов для решения поставленной задачи.

3.2 Модели турбулентности (замыкание уравнений газовой динамики).

3.3 Создание расчетной сетки. х 3.4 Реализация численного решения.

3.4.1 Постановка целей и задач численного моделирования.

3.4.2 Модель расчетной области.

3.4.3 Постановка задачи.

3.4.4 Расчетная сетка.

3.5 Результаты численного расчета.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЙ ВЫДУВА ВОЗДУХА ЧЕРЕЗ ПЕРФОРАЦИИ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ НА КОРЫТЦЕ ЛОПАТКИ.

4.1 Влияние выдува воздуха через перфорации, расположенные на корытце лопатки, на потери в решетке с длинными лопатками

Ь = 70 мм).

4.1.1 Выдув воздуха через столбцы перфораций, расположенные на различном расстоянии от выходной кромки.

4.1.2 Выдув воздуха через ряды перфораций, расположенные на различной высоте над торцевой поверхностью (обводом проточной части).

4.2 Влияние выдува воздуха через перфорации, расположенные на корытце лопатки, на потери в решетке с короткими лопатками

Ь = 40 мм).

4.3 Влияние выдува воздуха через перфорации на корытце лопатки на составляющие потерь.

4.4 Эмпирический метод расчета потерь в решетке.

4.5 Влияние выдува воздуха через перфорации, расположенные на корытце лопатки, на угол выхода потока в решетке с длинными лопатками (h = 70 мм).

4.6 Влияние выдува воздуха через перфорации, расположенные на корытце лопатки, на угол выхода потока в решетке с короткими лопатками (h = 40мм).

4.7 Эмпирическая зависимость для оценки угла выхода потока из решетки.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ВЫДУВ ВОЗДУХА ЧЕРЕЗ ЩЕЛЬ В ВЫХОДНОЙ КРОМКЕ

5.1 Влияние выдува воздуха через щель на вогнутой поверхности профиля на потери в решетке с длинными лопатками (h = 70 мм).

5.2 Влияние выдува воздуха через щель на вогнутой поверхности профиля на потери в решетке с короткими лопатками (h = 40 мм).

5.3 Влияние выдува воздуха через щель на вогнутой поверхности профиля на составляющие потерь.

5.4 Влияние выдува воздуха через щель на вогнутой поверхности профиля на углол выхода потока из решетки.

5.5 Зависимость для оценки угла выхода потока из решетки при выдуве воздуха через щель на вогнутой поверхности профиля.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов проектирования газовых турбин на основе расчета газодинамических характеристик с учетом системы завесного охлаждения сопловых лопаток»

Актуальность работы

Развитие газотурбинных двигателей идет по пути увеличения степени повышения давления в компрессоре и максимальной температуры рабочего тела в цикле. С одной стороны, это обусловило возрастание роли лопаточных машин в обеспечении высоких эксплуатационных качеств двигателя, но с другой - привело к существенному усилению зависимости компрессора и турбины от негативных влияний концевых явлений в проточной части из - за уменьшения относительных геометрических размеров лопаточных венцов.

Особенно актуальными указанные проблемы представляются в отношении высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей (ГТД). Это связано с высокой аэродинамической нагруженностью таких турбин и с необходимостью иметь развитую систему охлаждения лопаток и других элементов конструкции, воспринимающих тепловые потоки от газа. Высокая газодинамическая нагруженность ступеней турбины способствует расширению зоны вторичных течений в лопаточных венцах, в результате чего растут потери, связанные с системой охлаждения.

Лопатки сопловых аппаратов с точки зрения динамики вторичных течений становятся короткими, то есть вторичные вихри, образовавшиеся на противоположных торцевых стенках, взаимодействуют между собой ядрами. В таки решетках охладитель, выдуваемый на поверхность лопатки в поток, будет активно взаимодействовать с вторичными вихрями и менять тем самым аэродинамические характеристики решетки.

Цель работы

Исследовать влияние системы завесного охлаждения на потери и углы выхода потока в сопловых аппаратах газовых турбин для разработки методов быстрой инженерной оценки аэродинамических характеристик решеток.

Задачи работы

1. Проанализировать результаты исследований российских и зарубежных научных институтов в области взаимодействия, характеристик, и моделирования течения в сопловых аппаратах охлаждаемых газовых турбин.

2. Провести экспериментальное и численное исследование по определению влияния выдува воздуха через перфорации и щель на вогнутой поверхности профиля лопатки на потери энергии и углы выхода потока в решетке.

3. Проанализировать влияние высоты решетки на потери от системы охлаждения и угол выхода потока из охлаждаемой решетки, разработать методы оценки указанных величин на стадии предварительного проектирования турбин.

Научная новизна

1. Полученные экспериментальны данные о влиянии выдува воздуха на аэродинамические характеристики коротких сопловых решеток отражают зависимость потерь от местоположения ряда перфораций и параметров хладагента.

2. Установлена зависимость потерь от выдува воздуха на вогнутой поверхности профиля для коротких решеток. Предложено эмпирическое соотношение для оценки этих потерь.

3. Выявлено влияние выдува воздуха на угол выхода потока из решетки. Установлена зависимость угла выхода потока от параметров и места выдува.

На защиту выносятся

1. Результаты экспериментального и численного исследования влияния выдува воздуха через перфорации и через щель на вогнутой поверхности профиля лопатки на потери в решетке.

2. Зависимость для оценки потерь от охлаждения для решеток с короткими лопатками.

3. Результаты экспериментального и численного исследования влияния выдува воздуха через перфорации и через щель на вогнутой поверхности профиля лопатки на угол выхода потока из решетки.

4. Соотношения для оценки угла выхода потока из решетки, позволяющее корректировать угол выхода, полученный без охлаждения.

Практическая полезность и реализация результатов

Разработанные рекомендации позволяют увеличить коэффициент полезного действия (КПД) охлаждаемых газовых турбин и сократить сроки их проектирования.

Достоверность и обоснованность результатов достигается применением экспериментально - исследовательского оборудования, соблюдением условий подобия, применением сертифицированных средств при обработке экспериментальных данных, проведении численного исследования. Подтверждается соответствием полученных данных наблюдениям и описаниям других исследователей, совпадением полученных в ходе исследования расчетных и экспериментальных данных.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях:

Международная научно - техническая конференция «Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения», посвященная 70-летию основателя Рыбинской школы теплофизиков Ш. А. Пиралишвили, г. Рыбинск, РГАТА имени П. А. Соловьева, 2009 г.

- XVII Школа - семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях», ЦАГИ имени профессора Н. Е. Жуковского, 2009 г.

- XXXV Международная молодежная конференция. Гагаринские чтения, Москва, МАТИ, 2009 г.

- Международный молодежный форум «Будущее авиации за молодой Россией» в рамках Международного авиакосмического салона, 2009 г.

- VIII Международная научно - техническая конференция «Материалы и технологии XXI века», Пенза, 2010 г.

Личный вклад автора

Все исследования, представленные в диссертационной работе, выполнены автором лично.

Публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в 4 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, 4 статьях в сборниках научных трудов и 2 тезисов докладов.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 143 страницах и включает в себя 92 иллюстрации, 6 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 65 наименований, приложения.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Ковалева, Наталья Николаевна

Результаты работы реализованы в виде уточнения существующей одномерной методики расчета потерь и углов выхода потока в венцах охлаждаемых газовых турбин, в том числе и с короткими лопатками, в ОАО «НПО «Сатурн».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения работы получены следующие основные результаты:

1 .В результате проведенного исследования установлено, что при значениях параметра /г/аг < 3 необходимо учитывать зависимость потерь, связанных с системой охлаждения, от высоты решетки.

2. Предложенное в работе эмпирическое соотношение для определения потерь от системы охлаждения в коротких решетках учитывает влияние вторичных течений, изменение скорости в межлопаточном канале и высоту решетки, что позволяет скорректировать одномерные расчеты турбины на этапе предварительного проектирования двигателя. Данная зависимость справедлива при значениях к/аг < 3 и относительном расходе выдуваемого через перфорации воздуха Оотн < 1,5% и позволяет уточнить определение потерь на 2 % по абсолютной величине.

3. Экспериментально доказано существование зависимости угла выхода потока от способа и места выдува охладителя на вогнутой поверхности профиля. Выдув через перфорации на вогнутой поверхности профиля приводит к росту угла, выдув через щель - к уменьшению угла, что связано с аэродинамическим утолщением выходной кромки лопатки.

4. Разработанная методика оценки угла выхода потока при выдуве воздуха через перфорации и через щель на вогнутой поверхности профиля позволяет уточнить фактический угол атаки рабочего колеса той же ступени турбины до 2°.

5. Наилучшая корреляция результатов численных и экспериментальных исследований достигается при отсутствии смыкания вторичных вихрей, то есть для решеток с длинными лопатками.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ковалева, Наталья Николаевна, 2012 год

1. Иванов, М. Я. Высокотемпературные газовые турбины Текст. / М. Я. Иванов. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2010. - 304 с.

2. Пономарев, В. А. Стратегия создания семейств современных зарубежных авиационных двигателей Текст. / В. А. Пономарев // Двигатель. -2002.-№6.-С. 28-31.

3. Скибин, В. Перспективы развития газотурбинных двигателей Текст. / В. Скибин, В. Солонин, А. Дульнев // Газотурбинные технологии. -2000. №2. - С.4 - 8.

4. Лэнгстон Трехмерное течение в канале турбинной решетки Текст. / Лэнгстон, Найс, Хупер // Труды американского общества инженеров- механиков. Энергетические машинные установки, 1977. №2. - С. 22 - 31.

5. Лэнгстон Поперечные течения в канале турбинной решетки Текст. / Лэнгстон // Труды американского общества инженеров механиков. Энергетические машинные установки, 1980. - №4. - С. 111-121.

6. Сивердинг Современные достижения в исследовании основных особенностей вторичных течений в каналах турбинных решеток Текст. / Сивердинг // Труды американского общества инженеров механиков. Энергетические машинные установки, 1985. - №2. - С. 1 - 13.

7. Мур, Дж. Течение в турбинной решетке. Потери и явления у передней кромки Текст. / Дж. Мур// Труды американского общества инженеров механиков. Энергетические машинные установки, 1984. - т. 106.- №2. С. 58 - 66.

8. Шарма Расчет потерь у торцевой стенки и вторичных течений в решетках осевых турбин Текст. / Шарма, Батлер // Труды американского общества инженеров механиков. Энергетические машинные установки, 1988.-№2. -С. 159- 167.

9. Богомолов, Е. Н. Влияние смыкания вторичных течений на характеристики сопловой решетки газовой турбины Текст. / Е. Н. Богомолов, А. Е. Ремизов // Изв. вуз. Машиностроение, 1993. №10 -12.-С. 53 -60.

10. Богомолов, Е. Н. Исследование поведения вторичных вихрей в коротких турбинных решетках и их влияние на пристеночное течение на профиле Текст. / Е. Н. Богомолов, А. Е. Ремизов, С. И. Ежелин // Изв. вузов. Машиностроение, 1996. -№1 3.-С. 35-41.

11. Богомолов, Е. Н. Визуальное исследование отклонения потока при входе в турбинные решетки малой высоты Текст. / Е. Н. Богомолов, С. И. Ежелин, А. Е. Ремизов, А. В. Шмаков // Изв. вуз. Авиационная техника, 1994.-№4.-С. 83-86.

12. Богомолов, Е. Н. Визуальные исследования пространственного пристеночного течения на входе в турбинную решетку Текст. / Е. Н. Богомолов, В. В. Лебедев // Изв. вуз. СССР. Энергетика, 1988. №4. -С. 68-72.

13. Тихонов, Н. Т. Влияние высоты лопаток соплового аппарата осевых микротурбин на коэффициент скорости и угол выхода потока Текст. / Н. Т. Тихонов, Э. Э. Пфайфле // Изв. вузов. Авиационная техника, 1990.-№4.-С. 107- 109.

14. Богомолов, Е. Н. К исследованию струйного воздействия на структуру течения в турбинных решетках Текст. / Е. Н. Богомолов, В. В. Лебедев, 1988. С. 79 - 82.

15. Манушин, Э. А. Итоги науки и техники. Серия Турбостроение. Том 2 Текст. / Э. А. Манушин, Э. С. Барышникова. М.: 1980. - 256 с.

16. Wiers, S. Н. Experimental investigation of aerodynamic effects of film cooling on a modern 3D nozzle guide vane Текст. / S. H. Wiers, Т. H. Fransson // ISABE-2001 -1097. 12 p.

17. Мухтаров, M. X. Газодинамическое исследование решеток турбин при воздушном охлаждении лопаток Текст. / М. X. Мухтаров // Труды ЦИАМ, 1976. № 719. - 142 с.

18. Агачев, Р. С. Расчетно-опытный анализ влияния сброса охладителя из перфорированных турбинных лопаток на их аэродинамические характеристики Текст. / Р. С. Агачев, Б. А. Кумиров / ИВУЗ «Авиационная техника», 1978. № 1. - С. 39 - 42.

19. Hess, W. G. Advanced cooled turbine airfoil aerodynamic investigation Текст. / W. G. Hess // AIAA Paper, 1977. № 950. - P. 72 - 76.

20. Гуревич, Ю. Г. Трехмерный пограничный слой и методы уменьшения вторичных потерь в межлопаточном канале. Текст. / Ю. Г. Гуревич // Технический отчет, 1981. 50 с.

21. Венедиктов, В. Д. Газодинамика охлаждаемых турбин Текст. / В. Д. Венедиктов. М.: Машиностроение, 1990. - 240 с.

22. Мамаев, Б. И. К выбору геометрии выходной части профилей охлаждаемых лопаток турбин Текст. / Б. И. Мамаев, Т. И. Шуверова // Сб. научных трудов КуАИ. Куйбышев: КуАИ, 1988. - С. 53 - 60.

23. Ким Исследование присоединения турбулентного сдвигового слоя: обтекание обратного уступа. Текст.: Труды американского общества инженеров механиков. Теоретические основы инженерных расчетов / Ким, Клайн, Джонстон. - 1980. - т. 102. №3. - С. 124 - 132.

24. Тихомирова, Н. В. Метод аэродинамической оптимизации ступенчатой выходной кромки охлаждаемых лопаток газовых турбин Текст.: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Н. В. Тихомирова. 2005. - 114с .

25. Богомолов, Е. Н. Рабочие процессы в охлаждаемых турбинах газотурбинных двигателей с перфорированными лопатками Текст. / Е. Н. Богомолов // М.: Машиностроение. 1987. - 160 с.

26. Преображенский, В. П. Теплотехнические измерения и приборы Текст.: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов» / В. П. Преображенский. М.: Энергия, 1978.-704 с.

27. Краснов, Н. Ф. Прикладная аэродинамика Текст.: учеб. пособие для втузов / Н. Ф. Краснов. М.: Высш. школа, 1974. - 732 с.

28. Заботин, В. Г. Теплотехнические измерения в двигателях летательных аппаратов Текст.: учеб. Пособие / В. Г. Заботин, А. Н. Первышин. Куйбышев: КуАИ, 1990. - 67 с.

29. Повх, И. Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении Текст. / И. Л. Повх. Л.: МАШГИЗ, 1959. - 396 с.

30. Гуревич, X. А. Исследование аэродинамического следа за турбинной решеткой Текст. / X. А. Гуревич / Котл©турбостроение, 1950. -№1.

31. Преображенский, В. П. Теплотехнические измерения и приборы Текст. / В. П. Преображенский. М.: Энергия, 1978 - 704 с.

32. Поли, В. Р. Экспериментальное исследование продольных парных вихрей, индуцированных в турбулентном пограничном слое Текст. / В. Р. Поли, Дж. К. Итон / Аэрокосмическая техника, 1989. -№4. С. 29 - 40

33. Степанов, Г. Ю. Гидродинамика решеток турбомашин Текст. / Г. Ю. Степанов. М: Физматгиз, 1962. - 512 с.

34. Чжен, П. Управление отрывом потока Текст. / П. Чжен. М.: Мир, 1979.-552 с.

35. Гоголев, И. Г. Аэродинамические характеристики ступеней и патрубков тепловых турбин Текст. / И. Г. Гоголев, А. М. Дроконов. -Брянск: Грани, 1995. 257 с.

36. Петунии, А. Н. Методы и техника измерений параметров газового потока Текст. / А. Н. Петунин. М.: Машиностроение, 1972. - 332 с.

37. Пешехонов, Н. Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах Текст. / Н. Ф. Пешехонов. -М.: Оборонгиз, 1962. 184 с.

38. Августинович, В. Г. Численное моделирование нестационарных явлений в газотурбинных двигателях: Научное издание Текст. / В. Г. Августинович, Ю. Н. Шмотин и др. М.: машиностроение, 2005. - 536 с.

39. Андерсон, В. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. В 2 х томах Текст. / В. Андерсон. Дж. Таннехилб, Р. Плетчер. - М.: Мир, 1990.-728 с.

40. Gullbrand, J. Large Eddy Simulation of Turbulent Reacting Flows Using Cartesian Grid and Boundary Correctios Текст. / J. Gullbrand, X. S. Bai, L. Fuchs AIAA Paper № 98-3317 - Cleveland, OH, July 1998. - p.p. 13-15.

41. Weber, C. Large Eddy Simulation of Complex Turbulent Flows Текст. / С. Weber, F. Ducros, A. Corjon AIAA Paper № 98-2651 - Cleveland, OH, July 1998.-p.p. 16-18.

42. Андреев, В. Б. Теория разностных схем в работах

43. A. А. Самарского Текст. / В. Б. Андреев, А. В. Гулин, Е. С. Николаев и др. // Современные проблемы математической физики и вычислительной математики. М.: Наука, 1982. - С. 4 - 10.

44. Фрик, П. Г. Турбулентность: подходы и модели Текст. / П. Г. Фрик. Москва / Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003.-292 с.

45. Launder, В. Е. The Numerical Computation of Turbulent Flows, Computation Methods in Applied Mechanics and Engineering Текст. /

46. B. E. Launder, D. E. Spalding Vol. 3, 1974 - p.p. 269 - 289.

47. Wilcox, D. C. Multiscale Model of Turbulent Flows Текст. / D. C. Wilcox AIAA 24th Aerospace Sciences Meeting, 1986 - p.p 24 - 32.

48. Кольман, В. Методы расчета турбулентных течений Текст. / В. Кольман // М.: Мир, 1980. 464 с.

49. Vieser, W. Heat transfer predictions using advanced two-equation turbulence models Текст. / W. Vieser, T. Esch, F. Menter // CFX Validation Report 10/0902, 2000. 66 p.

50. Menter, F Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications Текст. / F. Menter // AIAA Journal, 1994. Vol.32, №8. -p.p. 1598- 1605.

51. Rotta, J. C. Statistische Theorie nichthomogener Turbulenz Текст. / J. C. Rotta // Zeitschrift fur Physik, 1951. 314 p.

52. Speziale, С. G. Modelling the Pressure-strain Correlation of Turbulence: an Invariant Dynamical Approach Текст. / С. G. Speziale, S. Sarkar, Т. B. Gatski // J. Fluid Mech, 1991. 198 p.

53. Технический отчет КО СИА ОАО «НПО «Сатурн» «Сравнительный анализ теорий турбулентности»

54. Vieser, W. Heat transfer predictions using advanced two-equation turbulence models Текст. / W. Vieser, T. Esch, F. Menter // CFX Validation Report 10/0902, 2000. 66 p.

55. Sutherland, W. The viscosity of gas and molecular force Текст. / W. Sutherland // Phil. Mag., 1983. №5. - P. 507-531

56. Богомолов, E. H. Гидродинамика вторичных течений в турбомашинах Текст. / Е. Н. Богомолов. Рыбинск, 1998. - 76 с.

57. Богомолов, Е. Н. Газодинамическая эффективность авиационных турбин с воздушным охлаждением лопаток Текст. / Е. Н. Богомолов. Рыбинск, 1993. - 168 с.

58. Hartsel, I. Е. Prediction of effection of mass transfer cooling on the blade - row of turbine air foils Текст. /1. E. Hartsel. - AIAA Paper, 1972. - №11 - p.p 25 -29.

59. Prust, H. W. An analytical study of effect of coolant flow variables on the kinetic energy of a cooled turbine blade row Текст. / H. W. Prust. -AIAA Paper, 1972. - №12 - p.p 15 -20.

60. Венедиктов, В. Д. Атлас экспериментальных характеристик плоских решеток охлаждаемых газовых турбин Текст. / В. Д. Венедиктов,

61. А. В. Грановский, А. М. Карелин, А. Н. Колесов, М. X. Мухтаров. ЦИАМ, 1990.-393 с.

62. Сивердинг Влияние числа Маха и охлаждения торцевой стенки на вторичные течения в прямой сопловой решетке: Труды американского общества инженеров-механиков Текст. / Сивердинг, Вилпут. -Энергетические машины и установки, 1981. №2. - С. 1-9.

63. Богомолов, Е. Н. Исследование ближнего следа за турбинной решеткой Текст. / Е. Н. Богомолов, В. В. Вятков, А. Е. Ремизов // Изв. вузов Авиационная техника, 2001. №3. - с. 15 - 18.143