Содержание
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.
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.
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 /hpот 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.
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 расчетныеисследования теплообмена и гидравлического сопротивления в каналах с компланарным оребрением применительно к системам охлаждения лопаточного аппарата высокотемпературных газовых турбин.
