Разработка высокоэффективных систем охлаждения лопаток перспективных стационарных газотурбинных установок

• Автор: Липин, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 05.04.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 156 с. : ил.

Основные условные обозначения

Глава 1. Обзор, состояние вопроса, постановка задачи исследования

1.1: Обзор и анализ основных работ по экспериментальному и

расчетному исследованию эффективности конвективно-пленочного охлаждения зоны входной кромки лопатки
1.2. Обзор основных методов гидравлического расчета систем охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых
турбин
1.3. Обзор основных методов теплового расчета систем охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин

1.4. Цель и задачи исследования

Глава 2. Программа испытаний направляющих лопаток. Объекты исследования,

оборудование для проведения экспериментального исследования.

Методики проведения экспериментальных исследований и обработки опытных данных

2.1. Цель экспериментального исследования и программа испытаний направляющих лопаток 1-й ступени турбины на экспериментальных стендах
2.2. Объекты исследования
2.3. Оборудование для проведения экспериментального исследования
2.4. Методика обработки опытных данных, способы представления результатов измерений, диапазоны их изменения и погрешности результатов опытного исследования
Глава 3. Гидравлические и тепловые испытания опытных направляющих лопаток 1-й ступени турбины, результаты экспериментов.
Эффективность воздушного охлаждения направляющих лопаток.
Выводы по результатам испытаний

3.1. Результаты экспериментального определения пропускной
л способности охлаждающего тракта опытных направляющих лопаток
и отдельных его элементов
• 3.2. Результаты экспериментального исследования теплового состояния
опытных направляющих лопаток на газодинамическом стенде
3.3. Оценки эффективности воздушного охлаждения опытных направляющих лопаток
3.4. Выводы по результатам испытаний
Глава 4. Проверка методики теплового расчета лопаток с конвективнопленочной системой охлаждения. Расчет теплового состояния
I, направляющей лопатки на параметры натурного режима работы.
Модернизация конструкции лопатки
4.1. Расчетное определение расходных характеристик направляющей
лопатки 1-й ступени турбины при параметрах эксперимента
4.2. Расчетное определение теплового состояния направляющей лопатки
1-й ступени турбины при параметрах эксперимента
4.3. Расчет теплового состояния направляющей лопатки 1-й ступени
* турбины на параметры натурного режима работы
4.4. Расчет теплового состояния модернизированной конструкции направляющей лопатки 1-й ступени турбины на параметры
натурного режима работы и оценка ее работоспособности
Заключение
Библиографический список использованной литературы

Актуальность работы. Главными задачами современного газотурбостроения являются повышение экономичности и надежности работы газотурбинных установок всех типов. Основным способом совершенствования экономических показателей : ГТУ является повышение начальных параметров термодинамического цикла, и прежде всего - начальной; температуры газа; Если учесть, что начальная температура газа'перед турбиной«современных стационарных энергетических ГТУ достигает 1500 + 1700 К, в то время как максимальная допустимая температура используемых в настоящее время материалов с приемлемыми пределами жаропрочности находится на уровне 1100 ч- 1200 К, то становится очевидной необходимость введения охлаждения горячих деталей проточной,части турбины ГТУ. Это в первую очередь относится к направляющим лопаткам 1-х ступеней турбин, которые работают в условиях сложного термонапряженного состояния.
С момента начала разработок систем охлаждения лопаточного аппарата высокотемпературных газовых турбин вначале наибольшее распространение получили способы внутреннего конвективного охлаждения воздухом, отбираемым за ступенями компрессора ГТУ и движущимся по внутренним каналам в охлаждаемых лопатках. Вместе с тем, расчетные исследования показателей экономической эффективности ГТУ свидетельствуют о том, что применение внутренней конвективной системы охлаждения оказывается экономически выгодным до начальных температур газа перед турбиной не выше 1450 + 1500 К. При более высоких начальных температурах и-соответствующих им степенях повышения давления в ГТУ на уровне 20 + 25 внутреннее конвективное охлаждение ЛА турбины не обеспечивает требуемого срока службы лопаток при приемлемых расходах охлаждающего воздуха. В этих случаях находят применение комбинированные способы охлаждения, в-которых внутреннее конвективное охлаждение дополняется внешним пленочным охлаждением.
Поэтому создание расчетных моделей лопаток газовых турбин с конвективнопленочной системой охлаждения, верифицированных на основе экспериментальных исследований систем охлаждения такого типа, является актуальной задачей.
Цель работы состоит в создании высокоэффективных систем охлаждения лопаток мощных стационарных энергетических ГТУ на основе расчетно-

[я(т)]=
_5£(Т)_

рА(Т) ^(т) С1> з
ЭТ, эт2 этп
д[2 (Т) ЭГ2(т) э^(т)
ЭТ, эт2 этп
ЭГП (т) д£п (т) ЭТп (т)
ЭТ, ЭТ2 ■ этп ]
(1.12)
положительно определена, т.е. значения квадратичной формы Т Я(Т)Т > 0. Это означает, что в матрице [Я(Т)] все диагональные элементы положительны и все ведущие главные определители (в выражении (1.12) они отчеркнуты штриховыми линиями) должны быть больше 0. Из положительной определённости матрицы [Я(Т)] следует потенциальность системы уравнений, что означает существование некоторой строго выпуклой функции:
Р(Т) = Р(ТьТ2,Т3,...Тп),
зр(т)_
для которой справедливо
ЗТ,
П(т).
Отсюда видно, что решения системы (1.10), для которых ^(Т) = 0, будут одновременно характеризовать и точку минимума функции Р(Т), поскольку в этом случае
будет выполняться равенство _ ^(т) = 0. Это открывает возможность испольЭТ,
зовать для решения системы уравнений метод спуска [43], который в данном случае строго выпуклой функции Т(Т) обеспечивает сходимость с любого нулевого приближения. Метод спуска для минимизации Б(Т) заключается в последовательном
выполнении итераций по формуле т/к+1^ = т/к^ + Ак^к где к — номер итерации. При использовании данного итерационного процесса, основными моментами являются способы выбора вектора Vм и коэффициента А*. В программе реализованы координатный спуск без управления в полном пространстве переменных Т; и при замедлении сходимости координатный спуск в подпространстве с размерностью меньшей п. В процессе спуска последовательно решается каждое из уравнений ^(Т) = 0 системы (1.10) относительно Т;. Уравнения решаются методом секущих. При этом на каждой итерации при решении ]-того уравнения Я(Т) = 0 системы (1.10) значениям Т; присваиваются величины, которые были получены ранее при решении