Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы в странах с развитой экономикой достнг-т значительный прогресс в области газотурбоетроения, где созданы и успешно эксплуати-ются парогазовые установки (ЛГУ) с пачальксй теїакратурсй газа до 1250 С, козффици-т полезного действия (к.ад.) которых находится на уровне 50 %. Показатели.эффектив-істи ПГУ в значительной степени определяются уровнем начальной температуры газа в зотурбинной установке (ГТУ), поэтому основное направление совершенствования ПГУ язано прежде всего с повышением температуры газа перед газовой турбиной. Уровень на-лышх температур газа современных ГТУ уже достиг 1300 С и ведутся проектные прора-тки на начальные температуры 1400-1500 С.
Освоение столь высоких начальных температур в газовых турбинах может быть обвезено только за счет совершенствования их систем охлаждения. Использование воздушных стем охлаждения при температуре газа свыше 1300 С не всегда целесообразно, поскольку боры воздуха существенно понижают показатели ГТУ. Значительно более высокие пока-гели установки обеспечивает замена воздуха слабоперегрегым паром в системах охлажде-я турбины (закрытой конвективной либо открытой конвективно-заградительной).
Усложнение условий работы и конструкции проточных частей высокотемпературных ювых турбин (ПЧ ВГТ) (межиопаточные каналы, выхлопные патрубки, сверхзвуковые зли микрогурбин) вызывают непрерывное повышение требований к точности тепловых и юдинамическнх расчётов, позволяющих учитывать в них возможно большее число факто-в, в число которых входят: продольный градиент давления, кривизна обтекаемой поверх-сти, нензотермичность и сжимаемость рабочего теяа, турбулентность газового потока и
Вдув воздуха (пара) в пограничный слон при организации заградительного охлажде-и сопловых лопаток газовых турбин усложняет физические процессы, поскольку к числу ределяюшях добавляются параметры, характеризующие особенности истечения завесы: заметр вдува, угол истечения, характеристики блока вдува (щель или двухрядная перфо-им).
Математические модели для расчета потерь энергии, локального теплообмена в ювиях многофакгорного воздействия газового потока и дальнейшего повышения тепло-іряженности хонструхиин до настоящего времени в основном базируются на результатах яериментальных исследований, а также интегральных методов расчета сжимаемого по-шичного слоя с привлечением мультипликативных формул для законов трения и тепло-
обмена. Во многих случаях требуются дополнительные затраты на доводку проточи частей турбомашин.
Актуальной проблемой является создание эффективных, экспериментально обоев ванных математических моделей на основе численных методов расчета дифференциальге уравнений сжимаемого пограничного слоя и уравнений переноса составляющих рейнош совых напряжений и проекций турбулентного теплового потока в условиях многофакторн го воздействия газового потока. Применение таких методов позволит повысить научн технический уровень проектирования ПЧ ВГТ, а также развить разделы теории турбом шин, связанные с расчетом потерь энергии и теплопередачи в элементах охлаждаемых газ вых турбин.
Цели и задачи работы. Основной целью работы является создание теоретичесю основ и методов расчета многофакторного воздействия газового потока на теплообмен потери энергии в ПЧ ВГТ для совершенствования их характеристик и разработка комппе са решений, направленных на повышение экономичности, надежности и долговечное: охлаждаемых лопаток газовых турбин и сверхзвуковых сопел микротурбин.
Эта цель работы определила следующие основные проблемы:
-
Объяснить с единых позиций механизм совместного влияния кривизны повер ности, стратификации плотности и других внешних воздействий на течение, теплообмен внутреннюю структуру газового потока. Осуществить вывод на основе метода осреднені по Фавру уравнений переноса первых и вторых моментов для криволинейных газовых п токов.
-
Исследовать закономерности конвективного теплообмена и трения в турбулентне сжимаемом пограничном слое при наличии многофакторного воздействия параметров газ вого потока в ПЧ ВГТ.
-
Усовершенствовать модели турбулентности, учитывающие влияние определяют! внешних факторов, в число которых входит продольный градиент давления, сжимаемое среды, неизотермичность, центробежные массовые силы.
-
Получить и систематизировать экспериментальные данные по эффективности з градительного охлаждения при вдуве охладителя под углом к защищаемой поверхност которые позволят определить оптимальные условия вдува. газовых завес.
-
Изучить особенности моделирования многофакторного воздействия на теплообм* в пограничном слое и струйных течениях и предложить методы расчета потерь энергии сверхзвуковых соплах и теплового состояния сопловых лопаток газовых турбин при закрі
й воздушной продольно-возвратной системе охлаждения и при вдуве воздуха (пара) на верхность лопатки.
Методы исследовании. Цель работы достигнута:
в теоретическом плане - выводом уравнений переноса первых и вторых моментов в иволинейной ортогональной системе координат на основе осреднения по Фавру для сжи-емых газовых сред; модифицированием алгебраической и однопараметрической моделей эбулентности, обеспечивающих учёт основных особенностей течения газового потока в оточных частях газовых турбин; обоснованием предложенных модификаций эксперимен-іьньіми данными настоящей работы и других авторов; получением универсальных зави-«остей относительно числа Маха для коэффициентов сопротивления трения и теплообме-в пограничных слоях на криволинейной поверхности.
в экспериментальном плане - применением широко апробированных в практике из-эений методов визуализации и термометрии при выполнении экспериментального иссле-аания эффективности охлаждения направленных газовых завес; выполнением тестовых яедований и сравнением полученных результатов с апробированными данными других горов; применением методов теории подобия для обобщения полученных эксперимея-иьных данных.
Научная новизна.
Предложен, подтвержден экспериментальными данными и детально разработан под-I по объяснению с единых позиций механизма воздействия кривизны поверхности, стра-{іикации плотности и других внешних факторов на течение, теплообмен и внутреннюю іуктуру газовых потоков; разработаны методы расчета эффективных коэффициентов пе-юса (вязкости и теплопроводности), для чего выведены на основе метода осреднения по вру и проанализированы уравнения переноса составляющих рейнольдсовых напряжений (роекцнй вектора турбулентного теплового потока.
Осуществлена модификация модели турбулентности на базе двухслойной алгебраи-жой модели Прандтля-Клаузера, которая включает градиентное и массовое числа Ри-здеона, а также поправки на неизотермичность и сжимаемость среды.
Получены относительные законы трения и теплообмена в пограничных слоях на выстой и вогнутой поверхностях. Предложена фшическая модель и разработан численный год расчета теплообмена в газовой (паровой) завесе при ее вдуве вдоль криволинейной верхности в высокоскоростной газовый поток.
На базе экспериментальных исследований получены данные по искривлению при-яных струй при выдуве под углом к твёрдой стенке, что позволило получить карту режя-
нов и найти оптимальные условия, обеспечивающие требуемую эффективность прнстенн газовых завес. Для всех режимов завес предложен единый подход и получены критерия] ные выражения по эффективности охлаждения. Практическая ценность работы.
на базе обширных экспериментально-расчетных исследований и комплекса щ грамм, основанных на использовании модифицированной модели турбулентности Себе Смита и конечно-разностного метода решеииа уравнений сжимаемого пограничного ш получено улучшение сходимости результатов расчета с опытными данными по теплово состоянию сопловых лопаток оболочковой конструкции при закрытой петлевой воздупш системе охлаждения, что позволило разработать мероприятия по совершенствованию і стсмы охлаждения.
предложен метод расчета суммарных потерь энергии в соплах микротурбин, ко: рый обеспечивает удовлетворительное соответствие расчетных и опытных данных в пнп ком диапазоне режимных и геометрических характеристик. Даны рекомендации по выбс геометрии проточной части сопел с криволинейной осью, на основе которых обеспечивай безотрывный характер течения газа
обобщены результаты, полученные на экспериментальном стенде и в численных э; периментах по исследованию эффективности завесного охлаждения в условиях многофі торного воздействия газового потока и особенностей истечения газовой завесы; разрабої метод расчета теплового состояния сопловых лопаток оболочковой конструкции в сну использования слабоперегретого пара в качестве охладителя при конвективной и коне тнвно-пленочной системах охлаждения. Предложенные в работе обобщающие зависимо! были применены для расчета теплового состояния оболочки экспериментальной напр ляющей лопатки, созданной в ЦКТИ им. И.И. Ползувова на основе лопатки хонвективш охлаждения типа ТВД ГПА ГТН-25 ПО НЗЛ, в руководящих указаниях по проектирован сопел морских подводных аппаратов, выпущенных в НИИ "Мортеплотсхника".
Результаты диссертационной работы используются при магистерской подготовке с дептов Энергомашиностроительного факультета СПбГТУ по дисциплине "Теорегачеа теплотехника", и в курсах "Гидрогазодянамика" и "Теория паровых и газовых турбин", таемых на кафедре "Термодинамика и тепловые двигатели" Российского Университ Дружбы Народов.
Автор защищает*.
- трактовку с единых позиций механизма многофакторного воздействия газового
тока на процессы переноса теплоты и импульса в пограничных слоях и струйных течен
т наличии стратификации плотности, для чего выведены и проанализированы уравнения реноса составляющих рейнольдсовых напряжений и проекций турбулентного теплового гтока;
методы расчёта и относительные законы трения н тепломассообмена в сжимаемых, рбулентных пограничных слоях около криволинейной поверхности при наложении про-льного градиента давления;
экспериментальные данные и методы расчёта по определению оптимальных условий гашиащш газовой завесы при выдуве под углом к защищаемой поверхности;
метод расчёта эффективности охлаждения при щелевом вдуве газа (пара) вдоль кри-пинейной поверхности в газовый поток с продольным градиентом давления;
метод расчета суммарных потерь энергии в соплах турбомашин н принципы проек-рования безотрывных криволинейных сопел малорасходных турбин;
усовершенствованные методы расчета теплового состояния сопловых лопаток обо-чковой конструкции с воздушной конвективной и паровой конвективно-заградительной стемами охлаждения;
рекомендации по усовершенствованию формы проточных частей сверхзвуковых со-а малорасходных турбин и модернизации систем охлаждения лопаток газовых турбин.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и по-жительно оценены на: Ш Всесоюзной научно-технической конференции по прикладной эодинамике (Киев, 1973), Всесоюзной научной конференции "Струйные течения жид-стей и газов" (Новополоцк, 1982), Республиканской конференции "Совершенствование эрии и техники тепловой защиты энергетических устройств" (Киев, 1987), Всесоюзной :оле-семинаре "Современные проблемы газодинамики и теплообмена и пути совершен-ювания эффективности энергетических устройств" (Москва, 1991), VI Всесоюзной школе овременные проблемы теплофизики" (Новосибирск, 1990), Первой Российской нацно-пьной конференции по теплообмену (1994, Москва), Fifth European Turbulence Conference ena, Italy, 1994), Рос. научн.-техн. конф. "Инновац. наукоемкие технологии для России" -Петербург, 1995), International Symposium Heat Mass Transfer enchancement in power ichinery (Moscow, Russia, 1995), Третьем Минском международном форуме по гешгомас-эбмену (Минск, 1996), Third International Symposium on Experim. and Computet rothermodynamics of Internal Flows. (Beijing. China, 1996), на семинарах кафедр теоретиче-чх основ теплотехники, гидроаэродинамики и турбиностроения СПбГТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 25 статей.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, кяючеиия, списка литературы. Диссертация содержит 235 страниц машинописного тем 102 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 203 наименований.