Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0210

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0210
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ"
Название доклада
Разработка методов интенсификации теплообмена в системах охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин и технологий опережающей верификации теплогидравлических моделей
Докладчик
Шевченко Игорь Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью работы является повышение эффективности проектирования охлаждаемых лопаток газовых турбин путем верификации их тепловых и гидравлических моделей на ранних стадиях проектирования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Разработать новые методы интенсификации теплообмена в системах охлаждения газовых турбин, основанные на результатах исследования процессов теплопередачи, выполненных с применением численного и физического эксперимента.
Разработать корреляционные зависимости определения числа Нуссельта для новых систем интенсификации теплообмена.
Разработать технологии экспериментальной верификации тепловых и гидравлических математических моделей охлаждаемых лопаток на ранних стадиях проектирования.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время перед предприятиями наукоемких отраслей стоят актуальные задачи по пересмотру подходов к разработке новых изделий. Переход на инновационные технологии в процессе создания перспективных изделий требуют разработки и внедрения новых методов проектирования и экспериментальных исследований. Параллельное использование математических и физических моделей позволяет выявить характеристики изделия до изготовления конструкторской документации, что сокращает сроки и уменьшает стоимость разработки новых изделий. Особенно это актуально при проектировании высокотемпературных турбин газотурбинных двигателей (ГТД). Неотъемлемой частью любой современной турбины является система охлаждения. Наиболее сложными элементами системы охлаждения турбины являются сопловые и рабочие лопатки турбины высокого давления, как наиболее теплонапряженные детали, определяющие ресурс турбины и двигателя в целом.
Численное моделирование температурного поля охлаждаемых лопаток турбины является обязательным элементом процесса проектирования ГТД. При этом остро стоит вопрос о верификации результатов численных расчетов, которая проводится по результатам испытания натурной лопатки. Это может приводить к существенным дополнительным затратам и увеличению времени создания охлаждаемой лопатки и двигателя в целом.
В связи с этим разработка новых высокоэффективных методов интенсификации теплоотдачи в каналах охлаждения лопаток, а также разработка методики проектирования, позволяющей проводить на ранних этапах верификацию тепловой и гидравлической моделей лопатки до ее изготовления в серийном производстве, является актуальной задачей.
Описание исследования

На первом этапе исследования по результатам обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы определены наиболее эффективные методы интенсификации теплообмена в каналах охлаждения лопаток газовых турбин. Определены схемы охлаждения и геометрические параметры интенсификаторов, реализованные в конструкции серийных и перспективных газотурбинных авиационных двигателей и стационарных ГТУ.

С использованием программы ANSYS CFX проведено численное моделирование по определению локальных коэффициентов теплоотдачи и гидравлических сопротивлений в каналах входной кромки, серединного участка профиля и выходной кромки. Для входной кромки получены обобщенные зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи в радиальном канале  с различной геометрией внутреннего оребрения, струйного охлаждения вогнутой поверхности одним рядом струй. Для радиальных каналов серединного участка пера определена интенсификация теплоотдачи при использовании поперечных и наклонных ребер, установлено соотношение коэффициентов теплоотдачи на оребренных и боковых стенках каналов. Для выходной кромки смоделировано течение в сужающемся канале при шахматном расположении цилиндрических штырей и матрицы компланарных каналов. Проведено исследование влияния угла вектора скорости охлаждающего воздуха на входе в канал для учета особенностей течения в лопатках с полупетлевой схемой охлаждения. Выполнено моделирование струйного охлаждения плоской поверхности при наличии сносящего потока.

Проведен анализ методов верификации гидравлических и тепловых моделей системы охлаждения натурных лопаток турбины.

Определены направления совершенствования интенсификации в радиальных каналах середины пера и каналах входных кромок лопаток. 

Результаты исследования

С применением численного моделирования проведено исследование существующих систем интенсификации. Для каналов системы охлаждения входной кромки и середины пера лопатки использование поперечного оребрения стенок позволяет получить интенсификацию теплообмена (Nu/Nuo) в 1,5-2 раза. Применение наклонных ребер позволяет интенсифицировать теплообмен по сравнению с плоской стенкой в 2-2,5 раза. Для систем охлаждения выходной кромки применение шахматного расположения цилиндрических штырей позволяет получить Nu/Nuo = 1,9-2,1. Для вихревой матрицы значение Nu/Nuo составляет 1,5-3.

Основным направлением совершенствования радиальных каналов охлаждения является использование эффекта поперечно перетекания воздуха через отверстия в боковых стенках каналов с системой затеняющих ребер. Для такой системы было получено значение Nu/Nuo на уровне 3-4.

Для струйного охлаждения входной кромки наиболее перспективным методом конвективного охлаждения является система закрытого циклона с оптимальным соотношением площадей подводящих и отводящих каналов. Для данного типа системы охлаждения значение параметра Nu/Nuo составило 3-4,5.

Для верификации теплогидравлической модели лопаток с конвективным охлаждением наиболее информативным является метод калориметрирования охлаждаемых лопаток в жидкометаллическом термостате. Метод позволяет в процессе эксперимента получить локальные значения плотности теплового потока в каждой точке поверхности лопатки. Физической основой калориметрического метода является эффект фазового перехода химически чистых металлов. Погрешность определения локальных коэффициентов теплоотдачи составляет ±8%. Важной особенностью метода является то, что все испытания проводятся при идентичной внешней тепловой нагрузке, температура наружной поверхности равна температуре кристаллизации цинка ТЛ = ТКР = 419,4 °С.

Для лопатки с перфорацией верификацию тепловой модели предлагается разбить на два этапа: 1 этап – верификация конвективной составляющей охлаждения тепловой модели; 2 этап – верификация модели в условиях обтекания газовым потоком. Верификацию тепловой модели конвективного охлаждения лопатки можно проводить, используя теорию регулярного теплового режима, сравнивая темпы нагрева модели лопатки при испытании с результатами расчета нестационарного температурного поля для условий испытаний.

Проведенный анализ показал, что одним из перспективных методов изготовления конструктивно сложных деталей является применение аддитивных лазерных технологий. Применительно к лопаткам газотурбинных двигателей – это технология селективного лазерного плавления или SLМ-технология. 

Практическая значимость исследования
Проводимые в настоящем проекте исследования направлены на формирование научно- технического задела по интенсификации теплообмена в каналах охлаждения лопаток с перспективными системами охлаждения. Использование полученных результатов позволит разрабатывать газотурбинные двигатели с параметрами цикла, приближающимися к стехиометрическим. Применение разрабатываемых технологий опережающей верификации тепловых и гидравлических моделей позволит на ранних этапах проектирования получать достоверные сведения о параметрах изделия, повышая достоверность математических моделей и сокращая тем самым затраты на проектирование.