Введение к работе
Актуальность работы. Конкурентоспособность и экономическая эффективность авиационных ГТД, газотурбинных энергетических установок определяется увеличением температурно-силовых параметров работы деталей газового тракта при неизменном условии обеспечения их надежности, что требует применения высокоэффективных технологий охлаждения элементов проточной части и совершенствование применяемых материалов. Потенциал традиционных методов внутреннего охлаждения почти исчерпан, в связи с этим возникает потребность поиска способов охлаждения, обеспечивающих высокий уровень теплообмена при незначительном росте потерь давления.
В качестве альтернативных схем охлаждения лопаток газовых турбин могут быть предложены циклонно-вихревые (с закруткой потока) системы охлаждения, характерные особенности течения в которых наиболее полно подходят для создания эффективных систем охлаждения лопаток проточной части ГТД. Конструкция циклонно-вихревой конвективно - пленочной системы охлаждения лопатки газовой турбины позволит обеспечить повышение уровня температуры перед газовой турбиной на 100 – 200 оС и равномерное распределение температуры по поверхности лопатки.
В связи с этим, исследование, направленное на разработку эффективных схем конвективно-пленочного охлаждения сопловых (рабочих) лопаток газовых турбин на основе использования циклонно-вихревой системы охлаждения является актуальным.
Цель работы. Научно–техническое обоснование и разработка комбинированной циклонно-вихревой системы охлаждения лопаток высокотемпературных турбин.
Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи:
- проанализировано современное состояние вопроса по схемам охлаждения лопаток турбины, обоснована перспективность циклонно-вихревой системы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых и паровых турбин;
- проведено численное исследование сопряженной задачи газодинамики и теплообмена в каналах охлаждения на основе решения системы осредненных уравнений Навье-Стокса и выбрана модель турбулентности, наиболее адекватная для решения поставленной задачи;
- выполнена верификация разработанной модели и экспериментальных данных по исследованию теплового состояния во внутренних охлаждающих каналах лопатки;
- проведена апробация модели и методики на примере оценки теплового состояния спроектированной сопловой лопатки с циклонно-вихревой системой охлаждения;
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы основные положения термодинамики газовых потоков, тепломассообмена и методы: численного моделирования, основанные на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замыкаемых SST k- моделью турбулентности; статистического анализа и экспериментального исследования тепловых и гидравлических характеристик.
Достоверность и обоснованность полученных результатов достигается:
- корректным применением в расчетных исследованиях фундаментальных законов газовой динамики и теплообмена и использованием сертифицированного метрологического обеспечения оборудования и датчиков при постановке опытов;
- подтверждается удовлетворительным сопоставлением результатов численного расчета с экспериментальными данными и результатами других авторов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Физико-математическая модель термогазодинамического расчета для циклонно-вихревой системы охлаждения сопловой лопатки турбины.
-
Модель перспективной охлаждаемой лопатки с циклонно-вихревой системой охлаждения, обеспечивающая равномерное поле температур при минимальном относительном расходе охладителя.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, доказывающие перспективность использования циклонно-вихревой системы охлаждения.
Научная новизна заключается в следующем:
- проведены численные и экспериментальные исследования повышения эффективности внутреннего охлаждения сопловых лопаток газовых турбин за счет закрутки потока охладителя, на основе которых получены критериальные уравнения расчета теплообмена в циклонных каналах;
- определены оптимальные режимные и геометрические параметры циклонной системы охлаждения, обеспечивающие требуемую температурную равномерность по высоте пера лопатки;
- разработана конструкция сопловой лопатки с высокоэффективной циклонно-вихревой системой охлаждения, новизна которой подтверждена патентом на изобретение РФ №2382885 «Сопловая лопатка газовой турбины с циклонно-вихревой системой охлаждения».
Практическая значимость. Полученные в работе расчетные и экспериментальные результаты могут использоваться при проектировании и доводке систем охлаждения высокотемпературных лопаток авиационных газотурбинных двигателей. Разработанная конструкция лопатки первой ступени с циклонно-вихревой системой охлаждения позволяет добиться требуемой равномерности температуры по контуру и по высоте пера лопатки, обеспечивая высокую тепловую эффективность охлаждения. Работа выполнена в рамках государственного контракта №02.516.11.6021от 26 апреля 2007 г.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и получили одобрение на международных научных конференциях: IV Российской национальной конференции по теплообмену: РНКТ, г. Москва, МЭИ, 2008г.; всероссийской молодежной научной конференции с международным участием X Королевские чтения, г. Самара, 2009 г.; всероссийской выставке научно – технического творчества молодежи НТТМ г. Москва, 2009 г.; всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», г. Уфа, 2008 г.; всероссийской научно-технической конференции «Ракетно-космические двигательные установки» МГТУ имени Н.Э. Баумана, г. Москва, 2008 г.; XVII школе – семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях», г. Санкт-Петербург, 2008 г. и г. Жуковский 2009 г.; международной научно-технической конференции «Энергетические установки: теплообмен и процессы горения» г. Рыбинск, 2009 г.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 11-и печатных работах, в том числе в 2-х статьях в реферируемых журналах перечня ВАК, получен патент на изобретение №2382885 РФ МПК F01D5/18 «Сопловая лопатка газовой турбины с циклонно-вихревой системой охлаждения» приоритет от 20 мая 2008 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц, 108 рисунков, библиографический список из 138 наименований.
