Обоснование эффективности применения составных проницаемых оболочек в охлаждаемых лопатках газовых турбин на основе физического и численного моделирования
Диссертация
Использование пористых проницаемых материалов в качестве оболочек сопловых лопаток резко повышает эффективность их охлаждения, доводя безразмерную глубину охлаждения до уровня 0,70 при относительном расходе охлаждающего воздуха около 4%. Однако в условиях эксплуатации газовых турбин с лопатками из пористых материалов происходит окисление материала каркаса и закупоривание пор в пористом материале… Читать ещё >
Содержание
- ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
- 1. СОСТАВНЫЕ ПРОНИЦАЕМЫЕ ОБОЛОЧКИ В ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТКАХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ РАСЧЁТА ¦
- 1. 1. Конструкции охлаждаемых лопаточных аппаратов турбин с применением составных проницаемых оболочек
- 1. 2. Обзор и анализ экспериментальных исследований гидравлических характеристик СПО
- 1. 3. Обзор и анализ опытных исследований теплообменных характеристик СПО
- 1. 4. Методы расчета теплогидравлических характеристик составных проницаемых оболочек
- 1. 5. Обзор и анализ работ по тепловому состоянию и эффективности охлаждения лопаточных аппаратов с проникающим охлаждением на базе СПО
- 1. 6. Цели и задачи работы
- 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В СОСТАВНЫХ ПРОНИЦАЕМЫХ ОБОЛОЧКАХ
- 2. 1. Особенности моделирования гидравлического сопротивления и теплообмена в каналах СПО
- 2. 2. Численное моделирование теплофизических процессов в СПО
- 2. 2. 1. Постановка задачи и вычислительные аспекты
- 2. 2. 2. Анализ пространственной структуры потока и гидравлические характеристики СПО
- 2. 2. 3. Теплообмен в каналах СПО
- 2. 3. Обобщение данных по внутреннему теплообмену в СПО
- 2. 4. Модель пористого материала для расчета характеристик СПО
- 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПЫТНОЙ ЛОПАТКИ 91 3.1. Проектирование экспериментальной лопатки
- 3. 2. Технология изготовления несущего стержня лопатки
- 3. 2. 1. Проектирование стержня
- 3. 2. 2. Технология изготовления СПО 95 3.3 Технология изготовления сопловой лопатки с оболочкой из СПО
- 3. 2. Технология изготовления несущего стержня лопатки
- 4. 1. Экспериментальный стенд
- 4. 2. Схема измерений стенда и методика обработки опытных данных
- 4. 3. Результаты экспериментального исследования теплового состояния опытной лопатки
- 5. 1. Постановка задачи и вычислительные аспекты
- 5. 2. Описание численного алгоритма
- 5. 2. 1. Расчет внешней газодинамики
- 5. 2. 2. Расчет гидравлики подводящих каналов системы охлаждения оболочковой лопатки
- 5. 2. 3. Расчет теплообмена и теплового состояния лопатки с пористой оболочкой
- 5. 3. Проектирование системы охлаждения для сопловой лопатки с оболочкой из СПО на температуру 1800К
- 5. 4. Методика и результаты прочностных расчетов проницаемой оболочки сопловой лопатки для 1-ой ступени ВГТ
Список литературы
- Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. Т.1.: Пер. с англ. — М: Мир, 1990. — 384 с.
- Арсеньев JI.B., Епифанов В. М., Полищук В. Г. Некоторые результаты экспериментального исследования пористого охлаждения газовых турбин. Известия вузов. Авиационная техника. 1983. — № 3. — С. 24 — 31.
- Аэродинамическое совершенствование лопаточных аппаратов паровых и газовых турбин / Е. А. Гукасова, М. И. Жуковский, A.M. Завадовский и* др.- Под. ред. М. И. Жуковского и С. С. Кутателадзе. M.-JL: Государств, энергетич. изд-во, 1960. — 340с.
- Белов, C.B. Пористые металлы в машиностроении. М.: Машиностроение. 1981.-247с.
- Биргер И.А., Даревский В. М., Демьянушко. И.В., Котеров Н. И., Ушаков А. И. Расчет на прочность авиационных газотурбинных двигателей. М.- Машиностроение, 1984. -208 с.
- Богомолов E.H. Аэродинамическое проектирование системы охлаждения перфорированных лопаток газовых турбин. Ярославль: Ярослав, политехи, ин-т, 1984. 83 с.
- Богомолов E.H. Рабочие процессы в охлаждаемых турбинах газотурбинных двигателей с перфорированными лопатками. Mi: Машиностроение, 1987. 160с.
- Бурцева Г. Н. Исследование охлаждения направляющих лопаток высокотемпературных газовых турбин энергетических установок: Дис. канд. техн. наук. Л.: ЛПИ, 1980.' 151 с.
- Бэйли, Ф., Тернер, А.Б. Пористое охлаждение элементов конструкции газовых турбин // Энергетические машины и установки. 1970.-№ 4. — С. 1−9.
- Венедиктов В. Д. Газодинамика охлаждаемых турбин. М.: Машиностроение, 1990. 240 с.
- Волчков Э.П. Пристенные газовые завесы. Новосибирск: Наука, 1983. — 239с.
- Горшков В.Н., Гродский Г. О., Золотогоров М. С. Исследование систем охлаждения лопаточных аппаратов первой ступени газовой- турбины с начальными температурами (1273−1323 К)//Промышленная теплотехника. — 1980.-Т.2,-№ 6.-С. 71−78.
- Дезидерьев С.Г., Аралов Ю-В. Результаты исследования внутренних теплообменных характеристик образцов из проницаемых вафельных материалов. Сб.: Рабочие процессы в охлаждаемых турбомашинах газотурбинных двигателей. Казань: КАИ, 1989 С. 20 — 23.
- Епифанов В.М., Романов С. М. Гидравлические характеристики слоистых проницаемых материалов/ Газотурбинные и комбинированные установки. 1982.(Труды МВТУ, № 393). С. 56 — 62.
- Епифанов В. М. Романов С.М. Теплогидравлические характеристики слоистых проницаемых материалов. Сб.: Методы и средства^ машинной диагностики^-газотурбинных двигателей и элементов. Тезисы докладов. 1983. ХАИ. Харьков.-С. 97.
- Епифанов В.М., Золотогоров М. С., Назаренко A.B., Ривкин С.М: Эффективность охлаждения турбинных лопаток вдувом через локальные пористые участки //Известия АН СССР. Теплофизика высоких температур. 1988. -Т.26. № 3. — С. 618−620.
- Зейгарник Ю.А., Поляев В. М. Теплообмен в пористых структурах- современное состояние и основные направления исследования. //Теплоэнергетика. -1996. № 1. — С. 62−70.
- Зысина Моложён Л. М., Зысин Л. В., Поляк М. П. Теплообмен в турбомашинах. Л.: Машиностроение, 1974. — 336 с.
- Иванов М.Я., Почуев В. П. Проблемы создания высокотемпературных турбин современных авиационных двигателей. Конверсия в машиностроении. 2000. № 5. Р: 34−46.
- Копелев €.3., Слитенко А. Ф. Конструкции и расчёт систем охлаждения ГТД. Харьков: Изд. «Основа» ХГУ, 1994. 256 с.
- Копелев" С. З. Охлаждаемые лопатки газовых турбин (тепловой расчёт и профилирование). М.: Наука, 1983. 145 с.
- Кортиков? H.H., Назаренко А-В., Полищук В. Г., Соколов Н. П: Численное моделирование гидравлического сопротивления и теплообмена в составных проницаемых оболочках // Энергомашиностроение. — 2005/2006. № 1—4. -С.29−34.
- Фундаментальные исследования в технических университетах". СПб: Изд -во Политехнического1 университета. 2006. — С. 308−309.
- Кортиков H.H., Назаренко A.B., Полищук В. Г., Соколов Н. П. Выбор масштабов моделирования теплогидравлических характеристик слоистых материалов. Материалы докладов национальной конференции по теплоэнергетике. НКТЭ-2006. Т.1. 2006- Казань. С. 97−100.
- Круковский. П.Г., Юрченко Д. Д., Полубинский A.C., Яцевский В. А., Чепаскина С. М. Верификация трехмерной CFD модели теплового состояния, охлаждаемой лопатки ГТД в сопряженной- постановке:. //Промышленная теплотехника. — 2005. — № 1. — С. 17−28.
- Кулаков М: В-, Макаров Б. И: Измерение температуры поверхности твёрдых тел. М.: Энергия,' 1979. — 96 с.
- Курманов" Б. И, Подвидз Г. Л. Расчет внешней теплоотдачи в решетках турбоманган с использованием различных моделей турбулентности./ Известия^ РАН. Механика жидкости и газа. — 1997. — № 5. — С. 50 61.
- Кутателадзе С.С., Леонтьев А. И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергоатомиздат, 1985. — 319 с.
- Леонтьев А. И. Поляков А.Ф. Условия конвективного теплообмена на поверхности пористой проницаемой стенки.//Известия РАН. Энергетика. — 1998.-№ 6.-С. 120−144.
- Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987. — 840 с.
- Локай В-И., Бодунов. М.Н., Жуйков В. В, Щукин A.B. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей / 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1993. 288 с.
- Локай В.И., Файзуллин М. К., Щукин A.B. Эффективность пленочного охлаждения поверхности за проницаемым вафельным материалом. / Труды МЭИ 1988. -№ 177. — С.93 98.
- Локай В.И., Щукин A.B. Проблемы использования проницаемых вафельных материалов в системах охлаждения высокотемпературных ГТД./ Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Казань: КАИ. 1987. С. 9 — 14.
- Локай В.И., Максутова М. К., Стрункин В. А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. 447 с.
- Манушин Э.А., Барышникова Э. С. Системы охлаждения? турбин высокотемпературных газовых двигателей // Турбиностроение: итоги науки и техники. М.: ВИНИТИ. 1980. — Т.2. — 280 с.
- Научное обоснование создания нового поколения энергетических парогазовых установок с повышенными экономическими и экологическими показателями / Фаворский О. Н., Полежаев Ю: В., Масленников В. М., Зейгарник Ю.А.- НО ИВТАН. 1992. 334 с.
- Ольховский Г. Г. Разработка перспективных энергетических ГТУ. //Теплоэнергетика. 1996. — N4. — С. 66 -77.
- Ольховский, Г. Г. Перспективные технологии для- тепловых электростанций //Г.Г. Ольховский, А. Г. Тумановский // Теплоэнергоэффективные технологии. Информационный бюллетень № 1 (30). 2003. С. 4−22.
- Отработка охлаждаемого облопачивания энергетических газовых турбин на стендах // С. М. Вохмянин, А. Н. Ковалев, Э. Г. Роост, В. Г. Тырышкин / Энергомашиностроение. 1989. — № 9. — С. 2 — 7.
- Пелевин Ф.В. Повышение эффективности теплообмена в пористых теплообменных трактах. Интенсификация теплообмена. Тр. Первой Рос. нац.. конф. по теплообмену. 1994. М.: Изд-во МЭИ. Т8. -С.168 171.
- Полежаев Ю.В., Поляков А. Ф. Параметрический анализ тепловых режимов пористой стенки при проникающем охлаждении.// ТВТ. —1997. — т. 35.-№ 4.-с. 605−613.
- Полежаев Ю. В. Поляков А.Ф., Пощепкин В. М. Репин И.В. Тепловые проблемы пористой стенки при проникающем охлаждении. Постановка- и решение задачи.// ТВТ. 1997. — т. 35. — № 1. — с. 86−92.
- Поляев В.М., Сухов A.B. Исследование теплообмена при течении газа через пористую стенку с внутренним источником тепла. //Известия вузов: Машиностроение. 1968. — № 8. — С.77 — 88.
- Поляев В.М., Майоров В. А., Васильев JT.JI. Гидродинамика и теплообмен в пористых* элементах конструкций^ летательных аппаратов: М.: Машиностроение, 1988: 168 с:
- Правила измерения расхода" газа и жидкостей, стандартными сужающимисяустройствами: РД 50−213−80: М.: Изд. стандартов, 1982.
- Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. — М.: Энергия, 1978.-708 с.
- Пористые сетчатые материалы/Ю.И, Синельников, А. Ф. Третьяков, М. И. Матурин и др.: М.: Металлургия. 1983. 64с.
- Разработка и исследование высокоэффективных конструкцийохлаждаемых лопаток ВГТ. Отчет ЛПИ по теме № 323 150- № г/р 0.182.6 004 159, Л., 1986. — 150 с.
- Расчет термонапряженного состояния и оценка надежности охлаждаемых лопаток турбины, установки ГТЭ-150 с начальной температурой газа 950 °C. (Расчет № 373). Отчет ПОТ ЛМЗ: Л.- 1982.
- Расчеты на прочность, устойчивость и колебания, в. условиях высоких температур / Н. И. Безухов, В. Л. Бажанов, И. И. Гольденблат и др.//. М., Машиностроение, 1965. 567 с.
- Теплообмен в энергетических установках космических аппаратов / Под ред. В. К. Кошкина. М.: Машиностроение, 1975. 272 с.
- Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: Учебник для вузов/ В.'Л. Иванов, А. И. Леонтьев, Э. А4. Манушин, М.И. Осипов- Под ред. А. И. Леонтьева. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2003. — 592с.
- Тепловая защита лопаток турбин/ Б. М. Галицейский, В. Д. Совершенный, В. Ф. Формалев, М.С. Черный- Под редакцией Б. М. Галицейского. — М.: Изд-воМАИ, 1996,-356с.
- Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластинки и оболочки. М.: Наука, 1966. 636 с.
- Теория тепломассообмена / Под ред. А И. Леонтьева. М.: Высшая школа, 1979.-496 с.
- Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкости: В2-х т. Т.2 / Пер. с англ. М.: Мир, 1991. 504 с.
- Хайрутдинов Р. М-, Ягафаров Т. С. Исследование течения в проницаемых вафельных материалах охлаждаемых элементов проточной части- ГТД. /Тепловое состояние деталей высокотемпературных ГТД. Казань: КАИ. 1984. С. 72−78.
- Хайрутдинов P.M., Бурганутдинов Н. З. Гидравлические характеристики проницаемых вафельных материалов элементов проточной части ГТД/ Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов //Казань: КАИ- 1986. -С.42 47.
- Щукин А. В-, Сайдашев Р. Э. Расчет программированного конвективно-пленочного охлаждения горячих деталей ГТД./ Рабочие процессы в охлаждаемых турбомашинах газотурбинных двигателей// Казань: КАИ, 1989. С. 12−16.
- Яскин: Л. А. Теплообмен охладителя с проницаемой стенкой и эффективность внутреннего охлаждения в условиях радиационного нагрева: (создание метода, проведение исследований): Автореферат дис. кандидата техн. наук: 05Л4.05. М., 1974.-29 с.
- Bayley F.I. Performance and design of transpiration-cooled turbine blading/ ASMEPaper. 1978.- № 78-GT 122. lip.
- Colladay R.S., Stepka F.S. Examination of boundary conditions for heat transfer through a porous wall // NASA. TND-6405. 1971. 22 p.
- Electric Power 1995 Specifications.
- FLUENT. Tutorial Guide.V.l. 1998. Lebanon. USA. Fluent Inc. 58p.
- Garg V. K., Ameri A. A. Two-equation turbulence models for prediction of heat transfer on a transonic turbine blade/ International Journal of Heat and fluid flow. 2001. — № 22. — pp. 593 — 601.
- Gladden H.J. Metal- temperatures and coolant flow in a wire-cloth transpiration — — cooled: turbine vane. NASA TM X-3248 Lewis Research Center, 1975-
- Kaufinan A., Richards H.T. Investigation of flow characteristics of some wireform and laminated-form porous materials // NASA TMX 2111. 1970. 22 p. 51.
- Nealy D.A., Anderson R.D. Design of a strut supported? turbine vane with a wire form porous shell / Periodic Report (EDR 5923 Ceneral Motors Corp. NASA—7913) NASA CR-72 508. 1968.
- Nealy D.A., Rcider Z.B. Evaluation a laminated porous vane materials for combustor liner cooling // Trans. ASME, J. Eng. Power. — 1980. v. 102. — № 2. — P. 268 -276.
- Raj R., Moskowitz S.L. Transpiration air protected turbine blading — an effective concept to achieve high temperature and erosion resistance for gas turbines operating in an aggressive environment. ASME Paper, 1978. 78-GT-100.
- Wolf J., Moskoroitz S. Development of the transpiration air-cooled turbine for high temperature lirty gas streams // Trans. ASME, J. Eng. Power. 1983. -v. 105. — № 4. — pp. 592 -597.