Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор, состояние вопроса, постановка задачи исследования . 10
1.11 Обзор и анализ основных работ по экспериментальному и расчетному исследованию эффективности конвективно-пленочного охлаждения зоны входной кромки лопатки 10
1.2. Обзор основных методов гидравлического расчета систем охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин 34.
1.31 Обзор основных методов теплового расчета систем охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин. 46
1.4. Цель и задачи исследования. 63
Глава 2. STRONG Программа испытаний направляющих лопаток. Объекты исследования,
оборудование для проведения экспериментального исследования. Методики проведения экспериментальных исследований и обработки опытных данных STRONG 65
2.1. Цель экспериментального исследования и программа испытаний направляющих лопаток 1-й ступени турбины на экспериментальных стендах 65
2.2. Объекты исследования. 67
2.3. Оборудование для проведения экспериментального исследования. 69
2.4. Методика обработки опытных данных, способы представления результатов измерений, диапазоны их изменения и погрешности результатов опытного исследования 77
Глава 3. Гидравлические и тепловые испытания опытных направляющих лопаток 1-й ступени турбины, результаты экспериментов. Эффективность воздушного охлаждения направляющих лопаток. Выводы по результатам испытаний 85
3.1. Результаты экспериментального определения пропускной способности охлаждающего тракта опытных направляющих лопаток и отдельных его элементов 85
3.2. Результаты экспериментального исследования теплового состояния опытных направляющих лопаток на газодинамическом стенде 88
3.3. Оценки эффективности воздушного охлаждения опытных направляющих лопаток 99
3.4. Выводы по результатам испытаний. 103
Глава 4. Проверка методики теплового расчета лопаток с конвективно-пленочной системой охлаждения. Расчет теплового состояния направляющей лопатки на параметры натурного режима работы. Модернизация конструкции лопатки 105
4.1. Расчетное определение расходных характеристик направляющей лопатки 1 -й ступени турбины при параметрах эксперимента 105
4.2. Расчетное определение теплового состояния направляющей лопатки 1-й ступени турбины при параметрах эксперимента 116
4.3. Расчет теплового состояния направляющей лопатки 1-й ступени турбины на параметры натурного режима работы 132
4.4. Расчет теплового состояния модернизированной конструкции направляющей лопатки 1-й ступени турбины на параметры натурного режима работы и оценка ее работоспособности 143
Заключение 149
Библиографический список использованной литературы.
- Обзор основных методов гидравлического расчета систем охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин
- Оборудование для проведения экспериментального исследования.
- Результаты экспериментального исследования теплового состояния опытных направляющих лопаток на газодинамическом стенде
- Расчетное определение теплового состояния направляющей лопатки 1-й ступени турбины при параметрах эксперимента
Введение к работе
Актуальность работы. Главными задачами современного газотурбостроения являются повышение экономичности и надежности работы газотурбинных установок всех типов; Основным способом совершенствования экономических показателей; ГТУ является повышение.начальных параметров термодинамического цикла, и прежде всего - начальной і температуры газа; Если; учесть, что начальная температура газа перед турбиной.современных стационарных энергетических ГТУ достигает 1500 -*- 1700 К, в то время как максимальная допустимая температура используемых, в настоящее время материалов с приемлемыми пределами жаропрочности находится на уровне 1100 -?- 1200 К, то становится очевидной необходимость введения охлаждения горячих деталей проточной части турбины ГТУ. Это в первую очередь относится к направляющим лопаткам 1-х ступеней турбин, которые работают в условиях сложного термонапряженного состояния.
С момента начала разработок систем охлаждения лопаточного аппарата высокотемпературных газовых турбин? вначале наибольшее распространение получили способы внутреннего конвективного охлаждения воздухом, отбираемым за ступенями компрессора ГТУ и движущимся по внутренним каналам в охлаждаемых лопатках. Вместе с тем, расчетные исследования показателей экономической эффективности ГТУ свидетельствуют о том, что применение внутренней конвективной системы охлаждения оказывается экономически выгодным до начальных температур газа перед турбиной не выше 1450 -^ 1500 К. При более высоких начальных температурах и соответствующих им степенях повышения давления в ГТУ на уровне 20 + 25 внутреннее конвективное охлаждение ЛА турбины не обеспечивает требуемого срока службы лопаток при приемлемых расходах охлаждающего воздуха. Вэтих случаях находят применение комбинированные способы охлаждения, в которых внутреннее конвективное охлаждение дополняется внешним пленочным охлаждением.
Поэтому создание расчетных моделей лопаток газовых турбин с конвективно-пленочной системой охлаждения, верифицированных на основе экспериментальных исследований систем охлаждения такого типа, является актуальной задачей.
Цель работы состоит в создании высокоэффективных систем охлаждения і лопаток мощных стационарных энергетических ГТУ на основе расчетно-
5 экспериментальных исследований воздушных конвективно-пленочных систем охлаждения НЛ 1-й ступени турбины стационарных энергетических ГТУ. Задачи исследования:
1. Обзор и анализ работ по современным методам гидравлического и теп
лового расчетов систем охлаждения лопаточных аппаратов ВГТ.
Обзор и анализ основных работ по расчетному и экспериментальному исследованию эффективности воздушного конвективно-пленочного охлаждения лобового участка обвода входной кромки лопаток 1-х ступеней ВГТ.
Проведение экспериментальных исследований по определению расходных характеристик как отдельных элементов; так и тракта охлаждения в целом для опытных лопаток направляющего аппарата (НА) 1-й ступени турбины с конвективно-пленочным охлаждением.
Проведение экспериментальных исследований по определению теплового состояния как в условиях чисто заградительного, так и в условиях комбинированного (конвективно-пленочного) воздушного охлаждения опытных лопаток НА 1-й ступени турбины.
5: Разработка комбинированной; с использованием программного комплекса COLD; и коммерческого пакета FLUENT, методики теплового * расчета лопатки НА 1-й ступени ВГТ с воздушным конвективно-пленочным охлаждением.
Тестирование и корректировка разработанной методики по опытным данным тепловых и гидравлических испытаний экспериментальной охлаждаемой НЛ с конвективно-пленочным охлаждением.
Проектирование на базе разработанной методики лопатки НА 1-й ступени ВГТ с начальной температурой газа 1700 К, использующей комбинированное (конвективно-пленочное) охлаждение.
Научная новизна:
Получены экспериментальные расходные характеристики как отдельных элементов, так и тракта охлаждения в целом для лопаток НА 1-й ступени турбины с конвективно-пленочным охлаждением.
Установлены характеристики эффективности конвективно-пленочного воздушного охлаждения лопаток НА 1-й ступени турбины.
Разработана комбинированная расчетная модель лопатки НА 1-й ступени
ВГТ с конвективно-пленочным охлаждением, реализованная-в среде программного комплекса COLD и коммерческого пакета FLUENT, что позволило с требуемой точностью при умеренной затрате вычислительных ресурсов определять тепловое состояние лопатки.
Достоверность результатов и справедливость разработанных методик подтверждаются: результатами наладочных опытов; оценкой точности как результатов -. измерений, так и получаемых опытных данных; совпадением в сопоставимых условиях результатов настоящего исследования с результатами других авторов; совпадением результатов расчетов с экспериментом.
Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи, подготовке и проведении опытов, обработке и анализе экспериментальных данных, разработке программ и методик расчета, анализе расчетных данных, проектировании лопатки НА 1-й ступени ВГТ.
Автор защищает:
Расчетную модель лопатки НА 1-й ступени ВГТ с конвективно-пленочным* охлаждением и разработанную на базе этой модели методику расчета теплового состояния охлаждаемой лопатки.
Результаты расчетно-экспериментального исследования гидравлических характеристик и теплового состояния; опытной охлаждаемой НЛ с конвективно-пленочной системой охлаждения.
Теплогидравлические характеристики, эффективность охлаждения и запасы по работоспособности спроектированной охлаждаемой лопатки НА 1-й ступени ВГТ с начальной температурой газа перед турбиной 1700 К.
Практическая ценность работы заключается в создании с использованием разработанной і расчетной модели методики * расчета теплового состояния лопатки; НА 1 -и ступени ВГТ с комбинированным конвективно-пленочным охлаждением и проектировании по этой методике НЛ турбины для нового поколения ГТУ с начальной температурой газа перед турбиной на уровне 1700 К.
Апробация работы. Основные материалы диссертации; доложены на XLVIII научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Рыбинск, 2001), 3-й Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002) и L научно-технической сессии по проблемам газовых турбин (Санкт-Петербург, 2003).
*
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 156 страниц текста, включая 74 рисунка, 11 таблиц и список литературы из 59 наименований.
Обзор основных методов гидравлического расчета систем охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин
Задача гидравлического расчета системы охлаждения какой-либо охлаждаемой детали BFT заключается в решении системы уравнений, включающей уравнение баланса расходов для каждого внутреннего узла эквивалентной гидравлической сети для рассматриваемой системы охлаждения и уравнений Бернулли для адиабатического несжимаемого течения газа через какое-либо гидравлическое сопротивление на участке i-j: (р,- + (р-с?)/2) - (Pj + (p.cj)/2)i = -(Р-С2/2), (1.1) которые будучи- переписаны с использованием уравнений неразрывности г для 1т мерного потока G = p-c-f, принимают вид (1.2), т.е; в решении системы: G4 = W P P/ i SG4= i J (1-2) j=t где і, j = 1,2,...n - номера узлов эквивалентной гидравлической сети; mj - количество ветвей (участков) соединенных с i-тым внутренним. узлом сети. Причем количество уравнений 1 -го вида равно количеству ветвей в эквивалентной гидравлической сети, а количество уравнений 2-го вида равно числу внутренних узлов сети [45];
Постановка задачи гидравлического расчета систем охлаждения горячих деталей BET возможна в 2-х вариантах [57]: - проверочный гидравлический расчет, в; котором при заданных геометрических параметрах системы охлаждения определяются расходы охладителя на всех участках тракта охлаждения;; - проектировочный с гидравлический расчет, в котором при і заданном распределении расходов охладителя по всем: участкам тракта охлаждения определяются отдельные геометрические параметры системы охлаждения.
В общем случае при проведении проверочного гидравлического расчета системы охлаждения горячих деталей BFT исходными данными являются [57]: геометрические размеры и конфигурации всех элементов тракта охлаждения, начальные параметры охладителя (его давление и температура) на входе в систему охлаждения, давления в полостях выхода охладителя из каналов тракта охлаждения.
В результате проведения проверочного гидравлического расчета определяют ся: - распределение расходов охладителя по элементам тракта охлаждения; - параметры охладителя (температура и давление) по тракту охлаждения; - гидравлические сопротивления отдельных участков тракта охлаждения. При указанных условиях проведения проверочного гидравлического расчета система уравнении (1.2), описывающая потокораспределение на эквивалентной гидравлической; сети системы охлаждения (при предварительном задании температур охладителя в узлах сети) оказывается замкнутой (число неизвестных р; и Gj.j совпадает с количеством уравнений) и может быть решена тем или иным способом решения систем нелинейных алгебраических уравнений [45]; В практике расчетов систем охлаждения горячих деталей ВГТ наиболее часто используются аналитический метод расчета [57], графо-аналитический метод расчета [57] и численные методы, реализуемые с помощью ЦВМ [6,25].
При аналитическом методе расчета системы (1.2) требуется получить аналитические (в виде формул) выражения для определения; расходов на отдельных ветвях Gj.j и давлений в отдельных узлах pt в зависимости от геометрических размеров каналов трактов; охлаждения, и давления; на входе/выходе Gj.j = f(pBX Рвых) и Рї= f(pBxvPBMx)- По-видимому, вследствие существенной нелинейности исходной системы уравнений (1.2), ее точные аналитические решения возможны лишь для самых примитивных случаев [57]; Что же касается приближенных аналитических решений системы уравнений (1.2), то в отдельных крайне простых случаях эквивалентных гидравлических сетей они могут быть реализованы с приемлемыми затратами по трудоемкости. Так одним из 1-х в ИТТФ в конце 60-х был разработан приближенный аналитический метод гидравлического расчета системы охлаждения, эквивалентная гидравлическая сеть которой представляет из себя последовательное соединение типовых элементов [57]. Основными особенностями рассматриваемого соединения типовых элементов являются следующие: расход охладителя і через; последовательно соединенные элементы остается постоянным: Gj.j = G; суммарные потери давления в m последовательно соединенных элементах равны сумме потерь давления на каждом из них: m m АрЕ = АРІ, = (G2Rm) (c/Pf2\ 1 1 Потери полного давления на каждом элементе последовательного соединения Ару можно выразить через общий расход G по 1-му уравнению системы (1.2): РГ-Р- = Арч = G2RT/2p, (1.3) где р и Т - соответственно статическое давление и температура в некотором характерном сечении.
Аналитический расчет системы последовательно соединенных элементов гидравлической сети при заданном расходе охладителя G, его конечном давлении на выходе из системы р! и геометрических размерах каналов сети следует выполнять в следующем порядке [57]:
1. По заданным размерам и конфигурации конечного элемента для него определяется величина коэффициента гидравлического сопротивления . 2. Для заданных значений р] и G определяется соответствующее значение коэффициента проводимости к. = (1 - )G2RT/2(ptf J .
3. По найденному значению к снимается величина безразмерного статического давления в характерном сечении р; и рассчитывается его абсолютная величина Pi = РІ РІ 4. По статическому давлению в характерном сечении определяется пол ное давление перед данным элементом, т.е. давление на выходе из предпоследнего элемента р = р] + G2RT/2pif2. Затем аналогичным способом производится расчет потерь давления на предпоследнем элементе последовательного соединения, для которого конечным давлением является р], найденное в п. 4, и так до начального элемента в цепочке их последовательного соединения.
Оборудование для проведения экспериментального исследования.
Рабочий участок для; исследования теплового состояния; опытных охлаждаемых направляющих лопаток 1-й ступени турбины, устанавливаемый на газодинамический стенд лаборатории; турбостроения СПбГТУ, состоит из несущего корпуса, подводящего конфузора, пакета экспериментальных лопаток и отводящего патрубка.
Корпус рабочего участка представляет собой коробчатую конструкцию с прямоугольным фланцем, служащим для его подсоединения к участку подготовки газового потока. Он сварен из 2-х боковых и соединяющих их торцевых стенок и служит для размещения: с требуемой ориентацией подводящего конфузора; сегмента экспериментальных лопаток и отводящего патрубка..
Подводящий;конфузор необходим для;обеспечения требуемых условишнате-кания горячего газового потока на сегментную решетку опытных лопаток. Вход потока горячего газа в конфузор осуществляется через его входной проем прямоугольного сечения с размерами 200x400 мм, а выход потока производится через его выходной проем, имеющий форму кольцевого сектора с длиной дуги, равной произведению количества лопаток в решетке z на их шаг установки So и высотой, равной высоте лопаток во входном сечении пакета Ьо.
Пакет экспериментальных лопаток набирается из 4-х опытных лопаток, заводимых в специальные пазы периферийного и:корневого сегментов, обеспечивающих фиксацию лопаток в лопаточной решетке и подвод охлаждающего воздуха в их внутренние полости; Стыковка лопаток в»кольцевой решетки . производится \ по боковым поверхностям их полок, на которых предусмотрены специальные пазы для установки : фиксирующих пластинок. Сегменты крепятся;. к боковым . стенкам корпуса с помощью винтов и служат опорой для конца широкой профилированной стенки; подводящего конфузора. Устанавливаемый на выходе из пакета опытных лопаток отводящий патрубок служит для отклонения І газового потока с целью обеспечения требуемого угла его выхода аі Охлаждающий воздух к 2-м опытным лопаткам (лопатки № 3 и № 4) подводится из магистрали подвода охладителя по 2-м приемным патрубкам, соединяющим полости подвода на сегментах с магистралями подвода охладителя к рабочему участку.
Все детали рабочего участка изготовлены из высоколегированной жаростойкой стали марки 1Х18Н10Т с помощью аргонно-дуговой электросварки. Для изготовления корпуса и подводящего конфузора с отводящим патрубком использован листовой материала указанной марки толщиной 5,0 и 1,5 мм соответственно.
Внешний вид изготовленного рабочего участка для исследования теплового состояния направляющих лопаток 1-й ступени турбины представлен на рис. 2.8. Из 4-х набранных в пакет опытных направляющих лопаток две являются охлаждаемыми (лопатки № 3 и № 4) и препарируются по наружной поверхности в среднем сечении пера проволочными термопарами градуировки ХА с диаметром термоэлектродов 0,3 мм в количестве 17 шт. на каждую из 2-х термометрируемых лопаток (рис. 2.9).
Внешний вид рабочего участка для исследования теплового состояния охлаждаемых направляющих лопаток 1-й ступени турбины
Аналогичными термопарами препарировались и полки охлаждаемых лопаток, как корневая, так и периферийная с количеством точек измерения по каждой из них от 8 до 10. Для установки указанных датчиков температуры на профильной и полочных частях опытных лопаток была проведена их специальная доработка, заключающаяся в выполнении пазов на профильной части для укладки в них термоэлектродов Рис. 2.9. Расположение и обозначение датчиков температуры (рабочих спаев термопар) на наружной поверхности профильных частей опытной охлаждаемой направляющей лопатки № 3 1-й ступени турбины термопар, регистрирующих температуру среднего сечения пера лопатки, и сквозных отверстий в полках лопаток для вывода сквозь них термоэлектородов с профильной части лопатки и ввода сквозь них термоэлектродов термопар, служащих для измерения температуры полок лопаток.
Расположение рабочих спаев термопар на обводах профилей пера обеих лопаток идентичное, что дает возможность оценить влияние на тепловое состояние и пропускную способность охлаждаемых лопаток технологических отклонений от номинальных размеров і каналов тракта охлаждения. Рабочие спаи термопар прикреплены к поверхности пера контактной конденсаторной сваркой; а термоэлектроды от них заизолированы теплостойкой изоляционной нитью и поверху прикрыты тонкой металлической фольгой, также прикрепляемой к наружной поверхности пера лопатки контактной конденсаторной сваркой; Вывод термоэлектродов термопар осуществлен по предположительно изотермическим линиям на: поверхности лопатки, что снижает методическую погрешность измерения температуры поверхности от неоднородности температуры по длине термоэлектродов;
Кроме того, выполнение пазов специальной ступенчатой формы для укладки термоэлектродов на профильной части лопатки и прикрытия их металлической фоль 77 гой обеспечивает требуемую гладкость обтекания наружной поверхности лопатки и сводит к минимуму погрешности измерения температуры, связанные с ее проявлением.
После препарировки опытных направляющих лопаток проволочным термопарами выполнялась их калибровка с целью выявления отклонения градуировочных характеристик отдельных термопар от стандартной градуировочной характеристики типа ХА, на которую настроена измерительная аппаратура стенда. Для этого препарированные лопатки помещались в муфельную электропечь и нагревались до температуры 400 - - 500 С при условии достижения ими стационарного теплового состояния. Температура в печи контролировалась прецизионной термопарой, с показаниями которой и сверялись показания установленных на лопатках термопар. При этом все термопары выводились на стандартный потенциометр, с которого и считывались их показания. Как показали результаты такой калибровки, при указанном; уровне температур 400 500 С отклонения показаний отдельных термопар от показаний контрольной не отличались более чем на ±5, что свидетельствовало о приемлемой точности измерения температуры наружных поверхностей лопаток.
Результаты экспериментального исследования теплового состояния опытных направляющих лопаток на газодинамическом стенде
Перед проведением экспериментального исследования теплового состояния опытных направляющих лопаток были проведены наладочные опыты с целью выявления реальных возможностей получения на газодинамическом стенде параметров потоков газа и охладителя, заявленных в программе опытного исследования: В ходе этих опытов исследовалось тепловое состояние двух опытных лопаток, одна из которых (№3) была препарирована термопарами по полочным и профильной частям, тогда как другая (№ 4) была препарирована только по профильной части, но идентично с первой лопаткой. Поскольку подвод охлаждающего воздуха к двум указанным опытным лопаткам производился из общих камер подвода охладителя, установленных на корневых и периферийных полках этих лопаток, то совместная работа этих лопаток в одном и том же газовом потоке позволяла сравнить их температурные поля на предмет их идентичности, обусловленной одинаковыми номинальными размерами каналов трактов охлаждения или возможных отклонений, обусловленных возможными технологическими отклонениями от указанных номинальных размеров каналов трактов охлаждения.
Режимные параметры потоков охлаждающего воздуха и газового потока, по 89» лученные в опытах по исследованию эффективности воздушного комбинированного (конвективно-пленочного) охлаждения направляющих лопаток 1-й ступени турбины на газодинамическом стенде лаборатории турбостроения СПбГПУ, приведены в таблицах 3.1 и 3.2 соответственно. В таблице 3.1 приведены режимные параметры охлаждающего воздуха для опытной направляющей лопатки № 3.
Таблица 3.1. Режимные параметры охлаждающего воздуха, полученные в опытах по исследованию эффективности воздушного комбинированного (конвективно-пленочного) охлаждения направляющей лопатки; 1-й ступени турбины на газодинамическом стенде лаборатории турбостроения СПбГПУ
Теоретическая относительная скоростьгазовоздушногопотока на выходе изпакета A-ufait) - 0,640 0,640 J 0,637 0,655 0,639 0,645
Атмосферное давление p. Па 100500 100500 100800 101000 101000 101000 3.-211. Результаты опытного исследования заградительного (пленочного) охлаждения опытных лопаток
Как уже указывалось, опытное исследование чисто заградительного охлаждения лопаток выполнено на режимах с номинальной начальной температурой газового потока t 0 = 650 С при различных отношениях давления охлаждающего воздуха
в передней полости лопатки Рк к давлению газового потока на входе в пакет опытных лопаток Pro и примерно одинаковых уровнях давления в передней Рк и задней Рп полостях профильной части лопатки. Как видно по результатам опытов, представленных на рис. 3.4 для опытного режима № 44 с отношением. давлений в передней полости лопатки к давлению газового потока на входе в пакет лопаток Рк/Рго = 1,056, действие заградительной воздушной завесы, выдуваемой; из передней полости . профильной І части лопатки на ее наружную поверхность распространяется на всю поверхность лопатки и даже в зоне выходной кромки температура лопатки іл = 370 С все еще далека от температуры газового потока . t 0 = 620 С. Если же сравнить данные, представленные на рассматриваемом рис. 3.4, с данными рис. 3.8, которые относятся к охлаждению лопатки при условии пропуска- охлаждающего воздуха через заднюю полость, то видно, что наличие; внутреннего конвективного охлаждения в задней полости лопатки (см. рис. 3.8) влияет на тепловое состояние наружной поверхности- этой задней; части, снижая температуры ее поверхности на 50-И 00 (см. рис. 3.4). Вместе с тем, на рассматриваемых режимах № 33 и № 44 с практически одинаковыми расходами охлаждающего воздуха через переднюю полость лопатки и одинаковыми параметрами газового потока тепловое состояние передней части лопатки сохраняется практически без изменения; что свидетельствует в определенной степени о стабильности и воспроизводимости полученных опытных результатов. Снижение отношения давлений в передней полости лопатки Рк и начального в ч газовом потоке Pro до 1,020, полученное на режиме № 45 при сохранении параметров газового потока на уровне рассмотренного выше режима № 44, привело к снижению расхода охлаждающего воздуха через лопатку и; как следствие, к повышению температуры ее наружной поверхности, как по передней, так и по задней частям профиля (рис. 3;5). Однако, и вэтом случае, заградительная завеса, выдуваемая из передней полости лопатки на ее наружную поверхность, по-видимому, достигает зоны выходной кромки лопатки, температура которой все еще заметно отличается от темпе 93
Экспериментальное распределение температуры вдоль обвода профиля опытной направляющей лопатки № 3 (режим № 45) ратуры газового потока.
Дальнейшее снижение давления охлаждающего воздуха в передней полости лопатки Рк до уровня в 1,012 по отношению к давлению газового потока на входе в пакет опытных лопаток Pro, достигнутое на режиме № 46, вызвало и дальнейшее повышение температуры наружной поверхности охлаждаемой лопатки, по сравнению с режимом № 45 при сохранении неизменными параметров газового потока (рис. 3.6). На рассматриваемом режиме даже при столь незначительном отношении давлений Рк/Рго получено вполне ощутимое снижение температуры наружной поверхности лопатки по сравнению с температурой газового потока. Так, температура передней части профиля, по-видимому, не превышает 350 С при температуре охлаждающего воздуха на уровне tK= 150 С, а температура задней части профиля не выходит за пределы 475 С при той же температуре охладителя, устанавливающейся в задней полости лопатки.
Экспериментальное распределение температуры вдоль обвода профиля опытной направляющей лопатки № 3 (режим № 46) 3.2.2. Результаты опытного исследования комбинированного (конвективно-пленочного) охлаждения опытных лопаток
Как указывалось выше, опыты по определению теплового состояния охлаждаемой лопатки № 3 в условиях ее комбинированного (конвективно-пленочного) охлаждения проведены при трех номинальных значениях начальной температуры газового потока t 0 =500, 650 и 700 С и расходе охлаждающего воздуха через переднюю полость лопатки, обеспечивающий поддержание давления в этой полости Рк на уровне в 1,05 от давления в газовом потоке на входе в решетку опытных лопаток Р . При этом, давление охлаждающего воздуха в;задней полости лопатки Рп поддерживалось на уровне Рп « 1,25 Рі от статического давления в газовом потоке на выходе из решетки опытных лопаток, что позволило!обеспечить достаточно эффективное охлаждение не только задней части профиля лопатки, но и периферийной полки.
Из рассмотрения распределения температур по наружной поверхности лопатки, достигнутого на режиме № 32 при t 0 = 514 С, видно, что минимальный уровень температур поверхности лопатки наблюдается в срединной части профиля, где температуры на наружной поверхности лопатки опускаются до уровня t„ « 150 С (рис. 3.7). Вместе с тем, довольно эффективно охлаждается и область входной кромки, где температура наружной поверхности лопатки составляетЛл = 170 С. На рассматриваемом режиме наибольшие температуры наружной поверхности: лопатки располагаютсяs в зоне: выходной; кромки, где температура лопатки достигает tn= 250 С, т.ч. в итоге неравномерность температур по наружной поверхности профильной части лопатки Atji= t — tJV,, если не принимать в расчет температуру лопатки в, по-видимому, выпавшей точке № 2, составит 100, что при средней температуре обвода контура лопатки t„ = 198 С, обеспечивающей среднюю глубину охлаждения 5t= t 0 - tn = 316, является довольно хорошим показателем эффективности охлаждения:
Расчетное определение теплового состояния направляющей лопатки 1-й ступени турбины при параметрах эксперимента
Расчеты расходных характеристик, для: сравнения \ их с экспериментальными; расходными характеристиками, произведены для; опытной направляющей лопатки № 3 1 -й ступени турбины.
В.качестве исходных данных для;расчета расходных характеристик принимались экспериментальные: режимные параметры газового потока иг охлаждающего воздуха.. Геометрические: характеристики расчетных элементов направляющей лопатки, в том числе и её системы охлаждения, взяты из математической модели данной лопатки; спроектированной в CAD/CAE/CAM системе Unigraphics NX.
На ЛМЗ для расчета? гидравлики систем охлаждения используется; программа А.Ф.Слитенко [49]. Тем не менее, для обработки экспериментальных данных была выбрана.разработанная в СПИМаш е программа под условным названием;GIDRA [6] ; входящая в программный комплекс COLD; Этот выбор обусловлен следующими обстоятельствами:
1. Программа моделирует запирание потока-в; каналах, т.е. работает как на докритических, так и при критических и сверхкритических перепадах давлений. Рас четы показали, что на некоторых режимах отдельные каналы перфорации и выходной кромки работают на сверхкритических перепадах давлений.
2. Экспериментальная лопатка имеет развитое пленочное охлаждение. Про грамма А.Ф.Слитенко выводит в результирующий файл,. за. исключением полного давления и статической температуры, только средние по і каналу параметры потока. Однако известно, что для корректного расчета пленочного охлаждения необходимо знать значения таких параметров потока, как полная температура, скорость, статиче ские давление. и - плотность, причем, в выходном сечении каналов перфорации. Как; показывают расчеты, для некоторых каналов значения параметров в выходном сече нии существенно отличаются от таковых в среднем сечении. Проведение дополни тельного точного расчета необходимых величин І В ВЫХОДНОМ сечении по данным программы А.Ф.Слитенко затруднительно и трудоемко. Программа GIDRA лишена этого недостатка.
3. Удобство формирования файла с исходными данными.
Для расчетов давлений в газовом потоке в точках профиля, где производится! выпуск охлаждающего воздуха на наружную поверхность лопатки при обработке экспериментов по исследованию гидравлики системы охлаждения лопатки в условиях "холодного" набегающего потока, использовалась программа UPI [7] для расчета потенциального обтекания плоских решеток профилей, также входящая в программный комплекс COLD.
Эквивалентные гидравлические схемы для расчета параметров охладителя . в отдельных зонах системы охлаждения направляющей лопатки 1-й ступени турбины представлены на рис. 4.1 - - 4.5. Следует обратить внимание, что при расчете расходных характеристик зон і передней полости системы; охлаждения направляющей . лопатки (см. рис. 4.1 4-4.4), учитывались утечки охлаждающего воздуха через щель между прорезью в периферийной полке направляющей лопатки и вставленной в эту прорезь с последующим отгибом душирующей пластиной:
Сравнение экспериментальных и расчетных расходных характеристик отдельных зон системы охлаждения опытной направляющей лопатки № 3 1-й ступени турбины без внешнего обтекания потоком; представлены наг рис. 4.6 - 4.10, а в условиях набегающего потока - на рис. 4.11 и 4.12.
Расчеты теплового состояния охлаждаемой НЛ выполнялись с помощью разработанной комбинированной расчетной модели лопатки, реализованной в среде программного комплекса COLD и коммерческого пакета FLUENT. Расчет теплового состояния среднего сечения направляющей лопатки был проведен для шести экспериментальных режимов опытной НЛ № 3. Были использованы следующие режимы: - № 44, № 45 и № 46 - исследование чисто заградительного (пленочного) охлаждения лопаток; - № 32, 33; 38 - исследование комбинированного (конвективного-пленочного) охлаждения лопаток.
В качестве исходных данных для расчета теплового состояния лопатки принимались экспериментальные режимные параметры газового потока и охлаждающего воздуха.
Расчетная модель лопатки схематично показана на рис. 4.13 и рис. 4.14. Здесь же указаны типы наложенных граничных условий (в терминологии FLUENT).
Входные сечения расчетных областей располагались на расстоянии шага решетки, а выходные - на расстоянии горла межлопаточных каналов, подобно тому, как это принято в классических экспериментальных исследованиях плоских решеток профилей [1].
Построение геометрической модели областей течения газа и генерация в этих областях расчетной сетки проводились с помощью сеточного генератора GAMBIT (являющимся препроцессором для FLUENT). Фрагменты сетки контрольных объемов в расчетных областях показаны на рис. 4.15 и рис. 4.16.
Программа UPI использовалась для определения в первом приближении давлений в точках выпуска пленки для расчета гидравлики. Впоследствии эти значения давлений уточнялись по результатам расчета по FLUENT.
Принималось, что течение газового потока, обтекающего профиль, описывается системой стационарных уравнений Навье-Стокса и энергии, осредненных по Рейнольдсу и замкнутых уравнениями модели турбулентности.
