Разработка эффективной системы охлаждения энергетической газотурбинной установки среднего класса мощности с применением современных расчетно-экспериментальных методов

• Автор: Кривоносова, Виктория Владимировна
• Шифр специальности: 05.04.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 160 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ВОЗМОЖНЫХ

НАПРАВЛЕНИЯХ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ

ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГТУ СРЕДНЕГО КЛАССА МОЩНОСТИ

1.1. Потребность совершенствования систем охлаждения высокотемпературных газовых турбин. Современное состояние
1.2. Основные подходы к моделированию трехмерного температурного поля лопаток высокотемпературных газовых турбин при конвективно-пленочной системе охлаждения

1.3. Гидравлическое сопротивление и теплообмен в гладких каналах.

Интенсификация теплообмена в зоне выходной кромки

1.4. Гидродинамическое сопротивление и теплообмен в каналах со столбиками -турбулизаторами
1.5. Гидродинамическое сопротивление и теплообмен в каналах с вихревыми матрицами
1.6. Цели и задачи диссертации
2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ СО СТОБИКАМИ -ТУРБУЛИЗАТОРАМИ И ВИХРЕВОЙ МАТРИЦЕЙ
2.1. Получение и обоснование расчетной зависимости для гидродинамического сопротивления канала со столбиками-
турбулизаторами
2.2. Сравнительный анализ и обоснование зависимости для расчета теплообмена в канале со столбиками - турбулизаторами
2.3. Методика расчета характеристик вихревых матриц: сопоставление расчетных и эмпирических данных
2.4. Влияние режимных и геометрических факторов на эффективность интенсификации теплообмена в каналах со столбиками - турбулизаторами и вихревой матрицей

2.5 Выводы по второй главе
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК ГТЭ-65 В УСЛОВИЯХ
СТЕНДА
3.1 Экспериментальный стенд
3.2. Методика проведения эксперимента и обработки результатов экспериментальных исследований
3.3. Теплогидравлические характеристики перфорированной охлаждаемой
лопатки
3.4 Выводы по третьей главе
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОГО ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ
НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ЛОПАТКИ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ТУРБИНЫ ГТЭ-65 С РАЗВИТОЙ КОНВЕКТИВНО-ПЛЕНОЧНОЙ СИСТЕМОЙ
ОХЛАЖДЕНИЯ
4.1. Система охлаждения сопловой лопатки первой ступени турбины..
4.2. Вычислительные аспекты моделирования температурного поля сопловой лопатки первой ступени турбины с конвективно-пленочным
охлаждением
4.3. Результаты численного моделирования температурного состояния сопловой лопатки первой ступени турбины с конвективно-пленочным
охлаждением
4.4. Совершенствование конвективно-пленочной системы охлаждения сопловой
лопатки первой ступени ГТЭ-65 с применением номограмм и результатов
численного расчета
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Высокая начальная температура газа позволяет обеспечить конкурентоспособный уровень КПД цикла современных стационарных ГТУ (газотурбинная установка). Однако жаропрочность современных сплавов не обеспечивает требуемый ресурс лопаток, поэтому требуется охлаждение деталей горячего тракта турбины. Как показывает обзор конструкции современных ГТУ класса Н и J, средняя глубина охлаждения турбинных лопаток, изготавливаемых из современных жаропрочных сплавов, должна составлять не менее 0.6, а локальное минимальное значение должно составлять 0.45 - 0.5. Открытая воздушная система охлаждения успешно конкурирует с паровым охлаждением благодаря эксплуатационным и технологическим преимуществам. Повышение эффективности воздушного конвективно-пленочного охлаждения, обеспечивающего заданную глубину охлаждения и минимизацию температурных градиентов, требует совершенствования методов расчета теплового состояния лопаток через уточнение эмпирических зависимостей и отработку методов численного моделирования, что является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследования. Для проектирования системы охлаждения, обеспечивающей современный уровень КПД ГТУ, требуется достоверные расчетные данные. Обзор литературы и сопоставление эмпирических зависимостей для расчета теплогидравлических параметров матрицы штырей показали расхождение результатов расчетов более, чем на 100%. Численное моделирование температурного поля охлаждаемых лопаток турбины внедрено в современный цикл проектирования ГТУ. При этом остро стоит вопрос о верификации результатов численных расчетов. Это позволяет сформулировать цель и ряд задач, решение которых обеспечит ее достижение.
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка рациональных подходов проектирования системы охлаждения и моделирования трехмерного (3D) теплового состояния лопаток турбомашин с развитым . .

• коэффициент перевода коэффициент трения Фэнинга в коэффициент трения Дарси

Зависимость (3) в таблице 1.3 представлена в виде коэффициента местного сопротивления состоящего из двух слагаемых: коэффициента сопротивления гладкого канала и коэффициента сопротивления столбиков-турбулизаторов. Поэтому зависимость НЗЛ преобразована в зависимость для коэффициента гидравлического трения:
Я N21 N21 ГЛ (Де ) , (1 -8)
где & N21 - коэффициент интенсификации трения, который определяется с
помощью соотношений: при 11е<Кетах
(1.9)
(1.10)
Таблица 1.3 - Диапазон применимости зависимостей
-1.52 ^ ,-0.
єт =l + 48.5-3.16Re-023 Re"2i| ^-1 iÇ
0.05135,
попе d
При ЛеЖе,,

(SA -1.6 fd)
{d) ,н)

л°-93е -
№ Источник Re H/d S,/d S2/d Хар размер Xap скорость
1 Г26]цилм 1500-25000 <3 >2 >2 2Н Ubx
2 Г261нзл 5600-56000 0.56-4 1.5-9 1.57-3.25 dr Ubx
3 [9] — 1.5-3.0 1.44-10 dr Umax
4 [67]мецгеп 1000-100000 1 1.5-5 2.5 d Umax
5 [67] — - — — d Umax
6 [85] 3000 -60000 0.95 1.043 1.674 d Umax