Введение к работе
Актуальность работы. Повышение температуры газа перед турбиной - наиболее эффективный путь совершенствования газотурбшшых установок. В настоящее время уровни начальных температур достигают 1300...1400 С. Наиболее сильным температурным нагрузкам подвергаются направляющие лопатки первой ступени. Требуемый ресурс лопаточного аппарата газовых турбин стационарных установок обеспечивается при температуре металла лопаток, не превосходящей 1150 К. При этом длительная работа высокотемпературной газовой турбины при применяемых металлических материалах возможна только при интенсивном охлаждении проточной части. Простая конструкция охлаждаемой лопатки с дефлектором позволяет получить необходимую глубину охлаждения для начальной температуры газа не более 1300 К. Переход к более высоким начальным температурам газа при сохранешш неизменной конструкции системы охла-ждения приводит к значительному увеличению расхода охладителя и недопустимо высокой неравномерности температуры по профилю лопатки, а значит, к большим температурным напряжениям в материале пера лопатки.
Повысить эффективность системы охлаждения лопаток можно, если интенсифицировать теплоотдачу с внутренней стороны в одной из самых сложных зон профиля лопатки - участке выходной кромки. Одним из перспективных способов шггенсифика-пии является интенсификация теплообмена путем установки скрещивающегося под некоторым углом оребрения противоположных стенок плоского канала, т.н. вихревой матрицы (компланарных каналов).
Экспериментальные исследования гидравлических сопротивлений и теплообмена в каналах со скрещивающимся оребрением, полученные в разных организациях, характеризуются значительным разбросом результатов, а также полным отсутствием результатов исследований трактов с пересекающимся оребрением. Все это затрудняет проектирование и применение лопаток с вихревыми матрицами. Решению этих задач на ос-
нове изучения процессов течения и теплоотдачи в каналах вихревых матриц и разработке рекомендаций по проектированию и расчету лопаток с такими каналами и посвящена представленная работа..
Цель работы состоит в повышении эффективности охлаждеїшя и снижении температурной неравномерности охлаждаемых направляющих лопаток высокотемпературных газовых турбші за счет интенсификации теплообмена с внутренней стороны благодаря применению вихревых матриц.
Задачи исследовашія:
-
Обзор и анализ опубликованных зксперішентальньгх данных разных авторов по теплообмену и гидравлическим сопротивлениям трактов вихревых матриц с их анализом и выявлением наиболее надежных и пригодных к применению при проектирова-нми систем охлаждения.
-
Экспериментальные исследования гидравлических сопротивлений и теплоотдачи в каналах с вихревыми матрицами со скрещивающимися и взаимно пересекающимися ребрами с последующим обобщением опытных данных для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления в таких каналах. Анализ и сопоставление полученных результатов с результатами опытов друпгх организаций для частного случая непересекающегося оребрения. Доказательство достоверности полученных в данной работе результатов на основе такого сопоставления.
-
Разработка методики расчета теплового состояния газотурбинных направляющих лопаток с вихревыми матрицами на основе зависимостей, получешшх при экспериментах, и проведение расчетных исследований теплового состояния опытной охлаждаемой направляющей лопатки с вихревой матрицей.
-
Экспериментальные исследования теплового состояния направляющей лопатки с вихревой матрицей с последующим сравнением опытшлх результатов с результатами расчетных исследований для проверки корректности созданной методики расчета.
-
Разработка оптимальной конструкции направляющей лопатки мощной высокотемпературной газовой турбины с вихревой матрицей.
Достоверность результатов и справедливость разработанных методик подтверждаются: результатами установочных опытов в каналах с гладкими стенками; оценкой точности как результатов измерений, так и получаемых в результате обобщения опыт-
з ньгх данных критериальных зависимостей для вихревых матриц; совпадением в сопоставимых условиях результатов настоящего исследования с результатами других авторов; совпадением результатов расчетов с экспериментом. Научная новизна.
-
Получены экспериментальные данные о конвективном теплообмене и гидродинамике в каналах с вихревой матрицей, имеющей взаимную врезку ребер.
-
Получены количественные данные по влиянию угла скрещивашія ребер и величины взаимной врезки ребер на коэффициенты гидравлического сопропгаления и критерии Нуссельта в каналах вихревых матриц.
-
Предложены аналитические зависимости для расчета коэффициентов гидравлических сопротивлений и теплоотдачи в каналах вихревых матриц.
-
На основе выполненного анализа данных экспериментальных исследований теплоотдачи и гидравлических сопротивлений в каналах вихревых матриц и сопоставления с результатами, имеющимися в других организациях, сделано обобщение всех зависимостей после приведения их к сопоставимым условиям. Результаты данного исследования неплохо коррелируготся с результатами ряда друпгх организаций, при этом, расширяя диапазоны применимости и дополняя ігх.
Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи, подготовке и проведении опытов, обработке и анализе экспериментальных данных, разработке программ и методик расчета, анализе расчетных дашшх, обобщеіши результатов по гидравлическим сопротивлениям и теплообмеїгу, полученных в разных организациях.
Автор защищает:
-
Результаты экспериментального исследования гидравлических сопротивлений и теплоотдачи в каналах с вихревыми матрицами.
-
Результаты расчетно-экспериментального исследования теплового состояния охлаждаемой направляющей лопатки с вихревой матрицей.
-
Методику расчета теплового состояния охлаждаемой лопатки с вихревой матрицей и разработашше на основе расчетного анализа рекомендации по проектированию системы охлаждения лопатки с вихревой матрицей.
Практическая ценность. Полученные критериальные зависимости позволяют рассчитывать тепловые и гидравлические характеристики вихревых матриц в лопатках га-
зовых турбин, а также могут использоваться в других областях техники для интенсификации теплообмена. Разработаны научно обосновашюые рекомендации по повышению эффективности системы охлаждения на примере охлаждаемой направляющей лопатки первой ступени высокотемпературной газовой турбины.
Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены на XLIV Всероссийской научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Москва, 1997), 11-ой Международной конференции по теплообмену (Ю. Корея, 1998), Международной конфереіщии по теплообмену в г. Дрезден (1998), Неделе науки СПбГТУ (1998) и XII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках" (Москва, 1999).
Публикации, По теме диссертации опубликовано 3 работы.
Структура и объем работы. Диссертациоішая работа состоит из введения, четы
рех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит стра
ниц текста, 47 рисунков, __ таблиц и список литературы из 34 наименований.