Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных способов достижения улучшенных характеристик перспективных газотурбинных установок остается повышение параметров рабочего тела (температуры и давления) перед турбиной, что, в свою очередь, требует совершенствования технологий и техники тепловой защиты лопаточного аппарата, относящегося к наиболее теплонапряжен-ным элементам конструкции.
Перспективным техническим решением в системах тепловой защиты является применение газодинамической температурной стратификации отбираемых из компрессора потоков рабочего тела и охлаждающего воздуха, а также отработанных газов. Однако включение устройств газодинамической температурной стратификации в системы тепловой защиты лопаточного аппарата может сопровождаться и негативными эффектами, связанными с отбором части стратифицируемого потока, уменьшением его давления, расхода и теплоотдачи. Дополнительные сложности при исследовании и применении газодинамической температурной стратификации связаны с фазовыми переходами и наличием в потоке рабочего тела конденсированных частиц, изменяющих процессы его теплового взаимодействия с обтекаемой поверхностью. Все это требует достоверного и точного учета при проектировании технологий и техники тепловой защиты лопаточного аппарата перспективных газотурбинных установок.
Дороговизна и трудоёмкость натурных экспериментов по отработке технологии и компоновочных решений систем тепловой защиты лопаточного аппарата, основанных на газодинамической температурной стратификации, требует разработки адекватного математического обеспечения для исследования процесса посредством вычислительного эксперимента. Поэтому тема работы, посвященная математическому моделированию и численному исследованию теплового состояния охлаждаемых лопаток с учётом сопровождающих и инициируемых газодинамических явлений, является актуальной.
Тема диссертации напрямую связана с реализацией п. 8 «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации» и п. 26 «Перечня критических технологий Российской Федерации», утвержденных Указом Президента Российской Федерации от 07.07.2011, № 899. Исследование соответствует паспорту специальности 05.13.18 – математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: п. 3 – разработка, обоснование и тестирование эффективных вычислительных методов с применением современных компьютерных технологий; п. 4 – реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента; п. 5 – комплексные исследования научных и технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента; п. 8 – разработка систем компьютерного и имитационного моделирования.
Объектом исследования являются тепловые и газодинамические процессы в газотурбинных установках с системами охлаждения лопаточного аппарата.
Предметом исследования являются методы математического моделирования тепловых процессов в лопаточном аппарате газотурбинных установок.
Цель работы – математическое моделирование и разработка численного метода с реализацией комплекса программ для проведения вычислительного эксперимента по исследованию тепловых процессов в лопаточном аппарате газотурбинных установок с выявлением эффективных методов их тепловой защиты.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Разработать метод математического моделирования тепловых процес
сов в лопаточном аппарате газотурбинных установок, обеспечивающий учет га
зодинамической обстановки в межлопаточном пространстве.
2. Выполнить математическое моделирование тепловых процессов на
основе сопряженного решения задачи теплопроводности лопатки и задачи ана
лиза пограничного слоя при конвективном охлаждении лопаток с использова
нием демпфирующих полостей и при использовании газодинамической темпе
ратурной стратификации для тепловой защиты лопаточного аппарата турбома
шин.
3. Разработать методики численного расчета на основе конечно-
разностного метода и метода теплового баланса и алгоритмы математического
моделирования тепловой защиты лопаточного аппарата турбомашин.
4. Разработать комплекс программ для исследования посредством вы
числительного эксперимента эффективности тепловой защиты лопаточного ап
парата газотурбинной установки.
Методы исследования. Реализация цели и решение поставленных задач обеспечены использованием современных методов исследований, базирующихся на основных положениях теории тепломассообмена, гидрогазодинамики, пограничного слоя, математического моделирования и численных методов.
Научная новизна.
1. Разработан метод математического моделирования тепловых процес
сов в лопаточном аппарате газотурбинных установок, обеспечивающий анализ
и учет газодинамической обстановки в пограничном слое межлопаточного про
странства.
2. Выполнено математическое моделирование тепловых процессов на
основе сопряженного решения задачи теплопроводности лопаток и задачи ана
лиза пограничного слоя при конвективном охлаждении лопаток с использова
нием демпфирующих полостей, а также при использовании газодинамической
температурной стратификации для тепловой защиты лопаточного аппарата
турбомашин.
3. Разработаны методики численного расчета на основе конечно-
разностного метода и метода теплового баланса и алгоритмы математического
моделирования тепловых процессов в лопаточном аппарате газотурбинных ус
тановок для исследования эффективности тепловой защиты.
4. Создан комплекс программ для анализа теплового состояния лопаток
турбомашин с учетом газодинамической обстановки в межлопаточном про
странстве при различных способах тепловой защиты, обеспечивающий повы
шение результативности исследования и оценки заданной точности при со
кращении вычислительных затрат математического моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Метод математического моделирования тепловых процессов в лопаточном аппарате газотурбинных установок, основанный на решении задач нестационарной теплопроводности лопатки, сопряженной с газодинамической обстановкой в пограничном слое межлопаточного пространства.
-
Результаты математического моделирования тепловых процессов на основе сопряженного решения задачи теплопроводности лопатки и задачи пограничного слоя при конвективном охлаждении лопаток с использованием демпфирующих полостей, а также при использовании газодинамической температурной стратификации для тепловой защиты лопаточного аппарата турбомашин.
-
Методики численного расчета на основе конечно-разностного метода и метода теплового баланса и алгоритмы математического моделирования тепловой защиты лопаточного аппарата турбомашин для исследования эффективности тепловой защиты.
-
Комплекс программ математического моделирования тепловых процессов в лопаточном аппарате газотурбинных установок и оценки эффективности тепловой защиты лопаток.
Практическая значимость работы. Практическая значимость разработанного комплекса программ заключается в возможности поиска и отработки в вычислительном эксперименте с его помощью перспективных технических решений по тепловой защите лопаточного аппарата. Применение газодинамической температурной стратификации открывает возможности форсирования тактико-технических характеристик газотурбинной установки, либо увеличения её ресурса за счет повышения эффективности охлаждения лопаточного аппарата. Применение разработанного с использованием новых программ технического решения газотурбинного двигателя, защищенного патентом РФ №2537793, позволит повысить КПД турбоустановок на 0,35% при увеличении температуры рабочего тела на 50 С.
Достоверность полученных результатов обеспечена сопоставлением полученных расчетных данных с экспериментальными и расчетными данными, полученными другими авторами и тщательным тестированием программного комплекса. Адекватность модели проверялась сопоставлением с эксперимен-
тальными данными, полученными другими исследователями, расчетных данных по распределению коэффициентов теплоотдачи и температуры на поверхности лопатки.
Реализация результатов работы. Исследования выполнены при финансовой поддержке грантом РФФИ рег. №16-38-00475 «Разработка программно-информационного комплекса для исследования и отработки технологии тепловой защиты лопаток турбомашин», отдельные результаты получены при финансовой поддержке грантом Президента Российской Федерации по проекту МД-1576.2014.8 «Моделирование, исследование и разработка методов повышения эффективности энергомашин с дисперсным рабочим телом», грантом РФФИ рег. № 15-48-02275-р_а «Разработка принципов и моделей создания и исследования новых энергосберегающих, экологически чистых и замкнутых теплотехнологий с газодинамической температурной стратификацией рецирку-лируемого теплоносителя», отдельные разработки выполнены при поддержке Российского агентства по делам молодежи (приказ №192 от 24.12.2014 г. по проекту «Разработка программно-информационного комплекса для моделирования и исследования теплового состояния лопаток турбин»).
Разработанный комплекс программ и методические разработки, связанные с исследованием эффективности тепловой защиты лопаток турбомашин, используются в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника», а также на производстве в филиале «Ульяновский» ПАО «Т Плюс» для анализа работы лопаточного аппарата турбомашин.
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на 12-й и 13-й международных конференциях по численному анализу и прикладной математике ICNAAM (Греция, Родос, 2014 и 2015 гг.), Шестой Российской конференции по теплообмену (Москва, 2014 г.), VIII Международной конференции «Проблемы промышленной теплотехники» (Украина, Киев, 2013 г.), международной конференции «IX Семинар вузов по теплофизике и энергетике» (Казань, 2015 г.), отраслевой конференции «Газовые турбины в энергетике и транспорте» (Москва, 2014 г.), X школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика В.Е. Алемасова (Казань, 2016 г.), научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 2009-2016 гг.), научно-технических семинарах кафедры «Тепловая и топливная энергетика» Ульяновского государственного технического университета (2012-2016 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых изданиях из перечня ВАК, 3 статьи в ведущих зарубежных изданиях, индексируемых в наукометрических базах Scopus и Web of Science, 1 патент на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора. В списке трудов представлены 2 работы, выполненные единолично автором, а остальные 15 выполнены автором при его ос-
новном участии. При этом автором выполнялось: постановка задачи, выбор и разработка метода решения, расчеты, проработка и обобщение результатов, формирование выводов и заключения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (99 наименований) и приложений, включает 130 страниц машинописного текста, 69 рисунков и 3 таблицы.