Разработка методов повышения газодинамической эффективности высоконагруженных ступеней охлаждаемых газовых турбин Грановский, Андрей Владимирович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Основными определяющими факторами развития стационарных газотурбинных установок и авиационных двигателей являются: надежность, экономичность, ресурс, технологичность, стоимость и т.д. Обеспечение оптимальных значений, перечисленных выше характеристик, является важной практической задачей.

Повышение температуры и давления газа на входе в турбину привело к необходимости применения охлаждаемых ступеней. В современных стационарных и авиационных высокотемпературных газовых турбинах в качестве охлаждаемых ступеней часто применяются высоконагруженные турбинные ступени. Использование таких ступеней является комплексной задачей, поскольку уменьшение числа ступеней с одной стороны позволяет уменьшить стоимость установки, повысить ее надежность, сэкономить охлаждающий воздух и т.д., но с другой стороны может приводить к уменьшению газодинамической эффективности, т.е. к уменьшению кпд турбины. Поэтому разработка методов повышения экономичности охлаждаемых, высоконагруженных турбинных ступеней является актуальной задачей. Особенностью использования высоконагруженных турбинных ступеней является работа лопаточных аппаратов в трансзвуковом диапазоне скоростей. Трансзвуковые режимы работы характеризуются целым рядом особенностей, связанных с появлением в межлопаточных каналах местных сверхзвуковых зон и скачков уплотнения, которые могут вызвать отрыв потока. Усложнение структуры потока при работе на трансзвуковых режимах приводит к увеличению потерь в межлопаточных каналах. Кроме того, выдув охлаждающего воздуха через ряды отверстий на поверхностях межлопаточного канала (сопловые и рабочие лопатки, платформы, корпус) приводит к изменению структуры пристенных течений и может служить источником дополнительных потерь.

Актуальность темы диссертации определяется необходимостью разработать методологию проектирования лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин на основе комплексного изучения физических особенностей их работы численными и экспериментальными методами с целью минимизации потерь в проточной части и, соответственно, с целью повышения кпд турбин.

Цель работы. Разработать методы повышения газодинамической эффективности охлаждаемых высоконагруженных ступеней газовых турбин на основе исследования физических особенностей течения в лопаточных аппаратах экспериментальными и численными методами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Впервые в стране были внедрены в практику исследования структуры потока и проектирования лопаточных аппаратов методы решения нестационарных уравнений Эйлера на основе численной схемы С. К. Годунова 1 и 2 порядка точности.

Предложен и реализован на практике комплексный подход для изучения структуры потока и определения потерь в турбинных решетках на основе использования измерений локальной структуры потока лазерным измерителем скорости и численным исследованием особенностей вязкой структуры потока по уравнениям Навье-Стокса.

Впервые разработан быстрый метод расчета потерь (метод локальной аппроксимации) на основе статистического обобщения экспериментальных данных по потерям в трансзвуковых турбинных решетках.

Разработаны оригинальные экспериментальные методики исследования особенностей течения в лопаточных аппаратах, в частности:

1. способ измерения и осреднения параметров неравномерного потока в турбинных решетках в широком диапазоне режимов работы с выпуском охлаждающего воздуха через щели и отверстия перфорации на профиле.

2. способ измерения параметров потока в секторных решетках, составленных из натурных охлаждаемых лопаток.

3. способ исследования влияния уровня турбулентных пульсаций в потоке на входе, внутри межлопаточных каналов и на выходе из турбинных решеток при помощи лазерного измерителя скорости.

4. способ визуализации пристенных течений на заданном режиме работы

Разработаны методы проектирования турбинных решеток на основе:

5. численного исследования структуры течения в венцах

6. корреляции между распределением скорости потока и распределением кривизны профиля

Спроектирована, численно и экспериментально исследована высоконагруженная полноразмерная трансзвуковая турбинная ступень при выдуве охлаждающего воздуха в сопловом аппарате и различной величине радиального зазора.

Спроектирована, численно и экспериментально исследована двухступенчатая турбина низкого давления с саблевидными сопловыми аппаратами.

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций. Основные научные положения и выводы подтверждены экспериментальными и численными результатами, полученными с помощью различных методов исследования: пневмометрические измерения параметров потока, измерения пульсаций скорости, средней скорости и интенсивности турбулентности лазерным измерителем скорости, визуализация течения. Сравнивались результаты измерений, полученные в аэродинамических трубах и на экспериментальных турбинах.. Численные результаты сопоставлялись с экспериментальными данными.

Практическая ценность. Применение разработанных и проверенных экспериментально подходов позволяет уменьшить интенсивность скачков уплотнения в межлопаточных каналах, снизить вероятность отрывов на выпуклой поверхности лопаток из-за взаимодействия пограничного слоя со скачками уплотнения. В результате снижаются волновые потери и потери, связанные с отрывом потока на поверхности профиля. Уменьшаются вторичные потери и потери, связанные с вихреобразованием внутри межлопаточных каналов, ослабляются неравномерность потока и нестационарные эффекты.

Эффективность разработанных подходов подтверждена на действующих авиационных турбинах в двигателях: АЛ31Ф НПО «Сатурн»; РД-33 ЛНПО «им. Климова» г. Санкт- Петербург; Д-90 ОАО «Авиадвигатель» г. Пермь; Д-18, Д-27 ЗМКБ «Прогресс» г. Запорожье; и в стационарных турбинах для газоперекачивающих станций и производства электроэнергии:

ГТУ 12П ОАО «Авиадвигатель» г. Пермь; GT8C, GT11NM, GT11 DM, GT8C2, GT13E2M, GT 1Ш2М фирмы ALSTOM; SGT-800 (GTX100), SGT-700 (GT10C) фирмы SIEMENS

Личный вклад.

разработан и внедрен в практику исследований и проектирования лопаточных аппаратов метод, основанный на решении нестационарной системы уравнений Эйлера на основе численной схемы С.К. Годунова 1 и 2 порядка точности.

Разработаны специфические экспериментальные подходы для изучения особенностей структуры потока в трансзвуковых лопаточных аппаратах.

Разработан способ визуализации пристенных течений, позволяющий получать картину течения соответствующую конкретному режиму обтекания.

Разработан и реализован на практике комплексный подход для изучения структуры трансзвуковых течений и определения потерь в турбинных решетках на основе использования измерений локальной структуры потока лазерным измерителем скорости и численным исследованием особенностей вязкой структуры потока по уравнениям Навье-Стокса.

Разработан метод проектирования трансзвуковых лопаточных аппаратов, основанный на корреляции между распределением скорости потока и распределением кривизны профиля

Разработан метод расчетной оценки потерь в трансзвуковых турбинных решетках методом локальной аппроксимации экспериментальных данных

Спроектирована и испытана полноразмерная высоконагруженная трансзвуковая ступень турбины

Спроектирована и испытана полноразмерная двухступенчатая турбина с саблевидными сопловыми аппаратами.

Автор защищает:

6. 1. Расчетно-экспериментальный подход к изучению трансзвуковых течений при наличии скачков уплотнения и отрывных зон в межлопаточных каналах охлаждаемых высоконагруженных ступеней газовых турбин.

   2. Новые экспериментальные подходы для изучения особенностей течений в плоских и секторных турбинных решетках, а также в полноразмерной ступени, позволяющие получать данные по локальной структуре потока, уровне турбулентных пульсаций, неравномерности параметров потока и аэродинамическим потерям.

   3. Экспериментальные результаты по влиянию на структуру потока и потери в турбинных решетках геометрических параметров, режима работы, выпуска охлаждающего воздуха через щели в выходных кромках и отверстия перфорации на профиле и полках, а также уровня интенсивности турбулентности потока в различных частях межлопаточных каналов.

   4. Метод расчетной оценки потерь в турбинных решетках методом локальной аппроксимации экспериментальных данных.

   5. Метод проектирования лопаточных аппаратов, основанный на корреляции между распределением скорости потока и распределением кривизны профиля.

   6. Экспериментальные результаты, полученные при исследовании высоконагруженной полноразмерной трансзвуковой турбинной ступени при выдуве охлаждающего воздуха в сопловом аппарате и различной величине радиального зазора.

   7. Расчетные и экспериментальные результаты, полученные при проектировании и исследовании двухступенчатой турбины низкого давления с саблевидными сопловыми лопатками.

   Апробация работы Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на ХХХ, ХХХУІ, ХХХІХ, XLI, XLVI сессиях комиссии АН СССР и РАН по газовым турбинам в 1983,1989, 1990, 1994, 1999 годах; на Международных конференциях: 85^th AGARD - PEP Symposium "Loss Mechanisms and Unsteady Flows in Turbomachines", Derby, UK, May 1995; The International Gas Turbine & Aeroengine Congress ASME TURBO EXPO 2001, June 4-7, 2001, New Orleans, USA; The International Gas Turbine & Aeroengine Congress ASME TURBO EXPO 2002, June 36, 2002, Amsterdam, The Netherland; The Sixth International Symposium on Experimental and Computational Aerothermodynamics of Internal Flows, April 7-11, 2003, Shanghai, China; The International Gas Turbine & Aeroengine Congress ASME TURBO EXPO 2003, June 16-19, 2003, Atlanta, Georgia, USA; The International Gas Turbine & Aeroengine Congress ASME TURBO EXPO 2004, June 14-17, 2004, Vienna, Austria; 7^th European Conference on TURBOMACHINERY Fluid Dynamics and Thermodynamics, March 5-9, 2007, Athens Greece; The International Gas Turbine & Aeroengine Congress ASME TURBO EXPO 2007, May 14-17, 2007, Montreal, Canada; XVIII International Symposium on ISABE, Beijing, China, 2-7 September, 2007; ASME TURBO EXPO 2009, June 8-12, 2009, Orlando, Florida, USA, ASME TURBO EXPO 2010, June 14-18, 2010, Glasgow, UK.

   Публикации по работе. Основные результаты исследований опубликованы в 51 работе. Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов, списка литературы, включающего 174 наименования. Изложена на 235 страницах, содержит 126 рисунков и 13 таблиц.

   Похожие диссертации на Разработка методов повышения газодинамической эффективности высоконагруженных ступеней охлаждаемых газовых турбин

   

   Исследование и разработка методов повышения эффективности работы первой ступени осевого компрессора ГТУ с регулируемым входным направляющим аппаратомСедунин, Вячеслав Алексеевич

   ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВХОДНЫХ ТРАКТОВ,СТУПЕНЕЙ И ВЫХОДНЫХ ДИФФУЗОРОВ СТАЦИОНАРНЫХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН ДЛЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ГАЗОПАРОВЫХ УСТАНОВОКЧерников, Виктор Александрович

   

   Разработка, апробация и реализация методов повышения надежности и восстановления ресурса элементов проточной части паровых теплофикационных турбин Жученко Лариса Александровна

   

   Разработка, исследование и реализация методов повышения эффективности оборудования технологических подсистем теплофикационных паротурбинных установокШемпелев, Александр Георгиевич

   

   Разработка и исследование перфорированных экранов и их влияние на надежность и экономичность последних ступеней цилиндров низкого давления паровых турбин Россихин Сергей Юрьевич

   

   Разработка и исследование конструкций направляющих аппаратов с устройствами для интенсификации дробления влаги в целях борьбы с эрозией рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин Мосенжник Борис Юрьевич

   

   Разработка и совершенствование методов уравновешивания гибких роторов турбин на балансировочных станкахНедошивина Татьяна Анатольевна

   

   Разработка рациональных методов проектирования парциально-импульсных турбинТарасов, Владислав Николаевич

   

   Разработка методов исследования и совершенствования электрогидравлической системы регулирования и защиты паровых теплофикационных турбин и их элементовНовосёлов Владимир Борисович

   

   Разработка и внедрение методов повышения динамической надежности и снижения вибрации турбоагрегатов на стадиях проектирования, доводки и эксплуатацииШкляров Михаил Иванович