Численное моделирование течения вязкого газа в рабочих лопатках осевых турбин с целью снижения в них потерь кинетической энергии

Актуальность работы. К. Г1.Д газотурбинной установки в значительной степени зависит от к.п.д. турбин и компрессоров, а также от потерь в других элементах ГТУ. В связи с этим, рациональному проектированию высокоэффективных газовых турбин, компрессоров и других элементов ГТУ всегда уделяется большое внимание.

Последнее поколение ГТУ имеет тепловой к.п.д. 53−58%. Высокий общий к.п.д. новых установок обусловлен прежде всего темчто тепловой к.п.д. современных ГТД составляет 45−48%. Конструкция новых ГТД достаточно сложна и создает проблемы, которые требуют решения.

Одним из многих элементов в газовой турбине являются лопатки, функция которых проводить газ, и регулировать направление соответственно профилю лопаток. Течение газа в газовой турбине описывается теми же уравнениями: Разница заключается лишь в характере течения газа в межлопаточных каналах, где течение является конфузорным, сопровождающимся ростом скорости потока. Продукты сгорания, имеющие, высокую температуру и давление, которые поступают на лопатки, влияет на параметры и срок службы деталей ее горячей части. Для турбин" характерны > высокие газодинамические нагрузки при больших вращательных скоростях возникают транси сверхзвуковые теченияПовышение рабочих температурв турбинах современных ГТД привело: к появлению характерных дефектов на кромках и в основании направляющих лопаток. Значительный прогресс газотурбинных технологий за последние двадцать лет достигнут за счет разработки новых материалов, покрытий, и способов охлаждения горячей части двигателей.

Повышение эффективности и надежности тепловых турбомашин требует совершенствования их проточных частей, и в первую очередь — лопаточных аппаратов. В настоящее время в турбомашинах используют большое количество лопаточных решеток, высокая эффективность которых подтверждена экспериментами на стендах и натурными испытаниями. Однако, в процессе модернизации существующего парка или проектирования^ новых тепловых турбин практически всегда требуется разрабатывать, новые лопаточные венцы. Для разрабатываемых ГТУ характерно проектирование проточных частей турбомашин на основе трёхмерных расчётов* с учётом концевых потерь и взаимной связи аэродинамики газового потока, охлаждения-деталей и их прочности.

При использовании современных, достаточно надёжных средств автоматизации появилась возможность регулирования систем охлаждения извне в зависимости от режима работы ГТУ для повышения их экономичности при различных режимах и частичных нагрузках.

Степень достоверности решения задачи оптимизации и соответствие эксплуатационных характеристик расчетным" во многом зависят от совпадения истинных и принятых в расчете потерь кинетической энергии в проточной части осевой тепловой турбины. Исследование потерь на плоских решетках профилей ведутся уже давно, получены необходимые обобщения, которые в сочетании с отраслевыми стандартами на профили широко используются в проектировании.

В настоящее время все большее число расчётов теплового и газодинамического состояния лопаток осуществляется численно с использованием современных компьютерных CFD (Computational Fluid Dynamic) технологий, основы которых изложены в работах по проектированию, анализу и т. д. К наиболее совершенным компьютерным программам, реализующим CFD-технологии, можно отнести Fluent, STAR-CD, Ansys-CFX, которые дают возможность моделировать газодинамические процессы.

Известно, что появление коммерческих программ открывает большие возможности моделирования процессов течения в проточной части турбомашин. Применение компьютерных пакетов весьма ускоряют и уменьшают сроки решения задач. Тем не менее, необходим высокий уровень специалиста при использовании этих пакетов, для получения высокой эффективности. Современные программные средства позволяют не только определить интегральные характеристики течения, но и детально проанализировать локальные параметры, выявить особенности обтекания.

Цель и задачи работы Цель проведенных исследований заключалась в разработке основных научно-технических решений для оценки локальных и интегральных характеристик двухмерного и трехмерного течения газа в решетках осевых турбин, с помощью универсального гидродинамического программного пакета Fluent.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:

• Рассмотрены, методы расчёта обтекания рабочих профилей турбинных ступеней и проанализирована картина течения газа.

• Произведен расчет потерь кинетической^нергии" потока вследствие изменения числа Маха на малой относительной высоте' лопатки газовой турбины.

• Рассмотрено влияние вторичных течений в-межлопаточном канале рабочей решетки на потери* кинетической энергии, при дозвуковой, трансзвуковой и сверхзвуковой скорости потока.

• Рассмотрено влияние радиального зазора на пространственное течение.

Предметом исследования являются лопаточные решетки малой высоты, их газодинамические характеристики при обтекании турбулентным потоком газа, с режимами, до-, транси сверхзвукового течения.

Метод исследования заключался в численном моделировании потока при разных начальных условиях и в последующем анализе его поведения, с целью повышения эффективности РТУ.

Научная новизна работы.

• Выявлена зависимость, между высотой рабочей лопатки и структурой течения при различных значениях числа Маха.

• Установлены методические рекомендации по выбору параметров, которые позволят обеспечить оптимальную точность результатов расчета.

Практическая ценность работы.

Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение, так как их учет и использование на практике позволит добиться значительного повышения эффективности установки.

На защиту выносятся :

• Результаты анализа турбулентных течений.

• Найденные оптимальные характеристики лопаток турбин.

• Характер изменения коэффициента потерь по высоте решетки.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения и библиографического списка использованной литературы из 51 источников.

Основные выводы по работе и рекомендации по применению универсального гидродинамического программного пакета Fluent для расчета течения в решетке турбин Р2118 В сводится к следующему.

1. Расчет потери кинетической энергий с применениями структурированной и неструктурированной сетки в плоской турбине решетки удовлетворительно совпадает с экспериментом.

2. С применением модель турбулентности Спаларта-Аллмараса, результаты расчеты двухмерное течение показывает, что увеличение числа Рейнольдса при Pi = 18° и (3i=21° коэффициент потери энергии снижается.

3. Изменение угла входного потока с 18° до 21° происходит снижения-коэффициентов потерь энергии и последующее увеличение угла потока с 21° до 24° приводит к небольшому изменению коэффициентов потери энергии.

4. Характер изменения коэффициент потерь в зависимости от степени турбулентности при Mi = 1,0 и 1,2 показывает, что при М] = 1,0 с ростом степени турбулентности в диапазоне 1%</<12% коэффициенты потерь возрастают, но не большой, Q = 0,24 0,26. При М] = 1,2 коэффициентов потерь меняются от 0,21 0,23. Но тогда для / > 6% увеличение коэффициентов потерь более больших величин.

5. Перепрофилирование решетки привело к снижению коэффициента потерь и отрыв потока уменьшается на выпуклой поверхности.

6. Численное моделирование трехмерного течения с моделью турбулентностью ксй^Т дает достоверную картину течения, а газодинамические характеристики, построенные по результатам моделирования, хорошо соотносятся с данными экспериментами.

7. Численный расчет трехмерного вязкого течения в проточной части рабочей решетки турбины с использованием модели турбулентности Ы-геаНгаЫе и йгш-З'ЗТ и комбинации формы сетки позволил получить результаты, близкие к данным экспериментам в области чисел Мо/ от 0,9 до 1,4. По высоте лопатки низкий коэффициент потери энергии имеет место при / = 0,75. После Т > 0,75 происходит увеличение интенсивности вторичных течений.

8. При М1 = 0,6 и 0,8 увеличение радиального зазора на диапазоне о = 0,015 + 0,037 влияет повышение потери энергии.

9. Наличие диссипацией энергии в радиальном зазоре составляет коэффициент потери энергии до 87%. В среднем сечении решетки увеличение радиального зазора коэффициент потери энергии уменьшается.

Заключение

.

Численное моделирование течение вязкого газа в рабочих лопаток осевых турбин для усовершенствованияработы турбин, выполненных в рамках диссертации, демонстрируют реальную возможность корректного численного моделирования параметров пространственного турбулентного потока в рабочих решетках турбин на основе осредненной по Рейнольдсу системы уравнений Навье-Стокса.