ОПЕРЕЖАЮЩАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОХЛАЖДАЕМЫХ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН

AHEAD VERIFICATION OF THERMAL-HYDRAULIC MODELS IN THE DESIGN COOLED GAS TURBINE BLADES.

Mikhail Shevchenko

head of Department the Moscow Aviation Institute,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Целью работы являлось разработка методики опережающей верификации теплогидравлических моделей охлаждаемых лопаток газовых турбин. Проведены исследования тепловых характеристик модели каналов охлаждения сопловой лопатки и рабочей лопатки турбины. Результаты исследования показали что, применение опережающей верификации теплогидравлической модели обеспечивает получение окончательного варианта охлаждаемой лопатки не требующей последующей экспериментальной доводки.

ABSTRACT

The aim is to develop advanced verification methods of thermal-hydraulic models of cooled gas turbine blades. Investigations of the thermal characteristics of the model of cooling channels and turbine blade. The results showed that the use of advanced thermal-hydraulic model verification provides a final version of the cooled blades does not require subsequent experimental fine-tuning.

Ключевые слова: охлаждаемая лопатка, газовая турбина, модель, аддитивные лазерные технологии, верификация.

Keywords: cooled blade, a gas turbine model, additive laser technology, verification.

Одной из основных задач, решаемой при увеличении температуры газа перед турбиной, является создание такой высокоэффективной конструкции лопатки, на охлаждение которой расход воздуха при прочих равных условиях был бы наименьший, а ее аэродинамическое совершенство наибольшим, т. е. приближалось или не уступало бы достигнутому в неохлаждаемых лопатках [5]. При проектировании высокотемпературной турбины приходится решать вопрос о целесообразности применения той или иной из известных конструкций охлаждаемых лопаток или разрабатывать новую.

Для расчета температурного состояния лопатки в условиях эксплуатации применяются гидравлические и тепловые модели тракта охлаждения позволяющие определить граничные условия со стороны охлаждающего воздуха. Основное влияние на точность получаемых результатов оказывает адекватность гидравлической и тепловой модели тракта охлаждения, основой которых являются значения гидравлических сопротивлений каналов с интенсификаторами и критериальные зависимости для расчета теплоотдачи от стенок каналов к охлаждающему воздуху. Возможная неадекватность тепловой и гидравлической модели, изготовленной натурной лопатки, связана с тем, что используемые при проектировании гидравлические сопротивления и критериальные уравнения как правило, получены на моделях с постоянным поперечным сечением, большего размера, чем каналы реальной лопатки, в модельных условиях, отличающихся от натурных.

В качестве примера можно привести результаты публикации [2], в которой сделан детальный обзор работ по экспериментальному исследованию гидравлических характеристик трактов с компланарными каналами – вихревыми матрицами, широко применяемых в конструкциях лопаток. Проведенный анализ результатов опытных исследований различных авторов, показал, что коэффициенты гидравлических сопротивлений x_э в трактах с компланарными каналами одинаковой геометрии, при Re =idem отличаются в 3–4 раза.

Выбор необходимой зависимости для расчета коэффициентов теплоотдачи определяется опытом и квалификации проектировщика. При этом, для компланарных каналов с углом 2β = 90⁰ значения среднего теплообмена в каналах, полученные различными авторами, отличаются почти в 2 раза [3].

Данных по расчету теплоотдачи на переходных участках соединения каналов, поворотах, разветвлениях каналов практически нет. Все это снижает точность расчета температурных полей лопатки и, соответственно, запасов прочности.

Верификация теплогидравлической модели лопатки проводится на натурной лопатке, изготовленной по серийной технологии, литьем по выплавляемым моделям.

Испытания лопаток обычно проводятся на газодинамическом стенде в условиях наиболее приближенных к натурным, что позволяет определить температурное состояние с учётом особенностей внешнего обтекания пера газовым потоком. При этом также выполняются замер давления в каналах лопатки и расхода воздуха для верификации гидравлической модели тракта охлаждения. На рис. 1 показаны препарированные лопатки турбины ГТУ ГТЭ-65 для пакетных испытаний на стенде [4].

Для лопаток с конвективными схемами охлаждения применяется метод калориметрирования в жидкометаллическом термостате [1]. Метод используется для определения локальных коэффициентов теплоотдачи к охлаждаемому воздуху. Важной особенностью метода является то, что испытания проводятся при идентичной внешней тепловой нагрузке. Это позволяет однозначно определять влияние изменения конструкции каналов на локальные характеристики внутреннего теплообмена.

В случае если получаемые при испытаниях результаты не совпадают с расчетными в конструкцию лопаток вносятся необходимые изменения. Это приводит дополнительным временным и материальным затратам, которые связаны с доработкой пресс-формы для прессования керамических стержней и литья лопатки с измененной внутренней полостью.

Развитие современных лазерных технологий позволяет проводить верификацию тепловой и гидравлической модели системы охлаждения лопатки на ранних этапах ее создания.

Одной из таких технологий является селективное лазерное плавление (SLM) [6], позволяет изготовить модель лопатки или модели отдельных каналов охлаждения, из жаропрочного материала, в масштабе 1:1. Точность изготовление элементов внутренней полости данным методом соответствует технологии прецизионного литья по выплавляемым моделям.

Рисунок 1. Препарированные охлаждаемые лопатки ГТУ ГТЭ-65 [4]

Использование данной технологии позволяет на этапе выбора геометрии каналов и интенсификаторов теплообмена, выполнить экспериментальные исследования для определения локальных коэффициентов теплоотдачи к охлаждающему воздуху, на моделях каналов с геометрией полностью соответствующей внутренней полости пера.

После завершения проектирования лопатки появляется возможность провести опережающую верификацию тепловой и гидравлической молей тракта охлаждения, до выпуска конструкторской и технологической документации.

Данный подход был апробирован при разработке конструкции задней полости сопловой лопатки турбины.

Объектом исследования являлись модели задней полости лопаток турбины, обозначенные как А и В (рис. 2). В качестве интенсификаторов теплообмена в модели А использовались две вихревые матрицы, в модели В – вихревая матрица и ребра с выступами. На входе в каналы первой матрицы установлена перегородка с отверстиями, как в натурной лопатке. Модели имели сужающийся канал как в натурной лопатке. Модель после испытания в жидкометаллическом термостате показана на рис. 3. Вихревые матрицы моделировались отдельными каналами с участками перетекания воздуха.

Рисунок 2. Геометрия внутренней полости модели с расчетной гидравлической сетью

Рисунок 3. Модель задней полости лопатки после испытаний

Расчет локальных коэффициентов теплоотдачи базировался на суммарном расходе воздуха проходящего через модель. Для каждого режима испытаний определялась средняя температура воздуха в поперечном сечении, коэффициенты теплоотдачи, числа Рейнольдса Re и Нуссельта Nu. С помощью метода наименьших квадратов определялась критериальная зависимость вида

Nu_i = A_i Re_i^0.8 в каждой точке поверхности. Коэффициент интенсификации теплоотдачи рассчитывался как

K = Nu_i / Nu_i∞; Nu_i∞ =0,018Re_i^0.8= А_i / 0,018.

На рис. 4 представлены графики средних значений К по длине модели как функция Х. Координата Х = 0 соответствует началу первой вихревой матрицы в канале. Как видно в модели В средние коэффициенты интенсификации теплообмена выше на 10–20 %. Наибольшее отличие 200% у модели В наблюдается в сечении Х=46,5 мм. В выходном сечении (Х=61 мм) интенсивность теплообмена у моделей практически одинакова.

На рис. 4 представлены графики распределения коэффициентов интенсификации К по ширине моделей (координата Y), в сечениях Х=56 мм, как видно из графика коэффициент интенсификации в модели В выше чем в модели А в среднем в 1,9–2,1 раза.

Полученные в экспериментах значения гидравлических сопротивлений и критериальные зависимости были использованы расчета температурного состояния пера и выборе оптимального варианта задней полости проектируемой лопатки.

Pиcунок 4. Графики распределения коэффициентов интенсификации К по ширине моделей (координата Y), в сечениях Х=56 мм

Рисунок 5. Распределение коэффициентов теплоотдачи в поперечном сечении моделей: верхняя кривая – модель B, нижняя – A

Опережающая верификация теплогидравлической модели охлаждаемой лопатки был апробирован при проектировании рабочей лопатки первой ступени турбины ГПА в ОКБ А. Люльки. Лопатка имела петлевую схему охлаждения с выдувом охлаждающего воздуха в проточную часть турбины через выходную кромку и отверстия в торцевой стенке пера. Для испытания в жидкометаллическом термостате были изготовлены две модели лопатки, в масштабе 1:1, с фланцем для крепления к рабочему участку установки и выходным коллектором для отвода охлаждающего воздуха. Фотография модели показана на рис. 6.

Рисунок 6. Фотография модели лопатки для испытания в жидкометаллическом термостате

В результате проведенных испытаний были получены расходные характеристики лопатки, позволившие подтвердить расчетную пропускную способность лопатки.

Были получены распределения плотности теплового потока по наружной поверхности в расчетных сечениях пера и определены критериальные зависимости для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи к охлаждающему воздуху. На рис. 7 приведены графики распределения локальных коэффициентов теплоотдачи для различных значений перепада давления охлаждающего воздуха.

По результатам экспериментов была проведена верификация гидравлической и уточнение тепловой модели лопатки. Рассчитаны запасы прочности, подтвердившие работоспособность спроектированной конструкции лопатки в условиях эксплуатации.

Рисунок 7. Распределение коэффициентов теплоотдачи к охлаждающему воздуху по внутренней поверхности среднего сечения пера в зависимости от перепада давления

Проведенные исследования показали что, использование аддитивных лазерных технологий позволяет проводить физическое моделирование процессов в тракте охлаждения лопатки на промежуточных этапах ее проектирования, до выпуска конструкторской документации. Применение опережающей верификации теплогидравлической модели обеспечивает получение окончательного варианта охлаждаемой лопатки, не требующей последующей экспериментальной доводки.

Список литературы:

1. Копелев С.З., Галкин М.Н, Харин А.А, Шевченко И.В. Тепловые и гидравлические характеристики охлаждаемых лопаток газовых турбин. – М.: Машиностроение, 1993. – 176 с.
2. Соколов Н.П., Полищук В.Г., Андреев К.Д. Гидравлические сопротивления в каналах прямоугольного сечения со скрещивающимся оребрением // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Энергетика. Электротехника – 2013. – Выпуск 2 (171) – С. 85–94.
3. Соколов Н.П., Полищук В.Г., Андреев К.Д. Теплообмен в каналах прямоугольного сечения со скрещивающимся оребрением // Научно-технические ведомости Cанкт-Петербургского государственного политехнического университета. Энергетика. Электротехника – 2013. – Выпуск 3 (178) – С. 17–27.
4. Хоменок Л.А., Золотогоров М.С., Николаев А.Г., Егоров И.Н., Лебедев А.С., Кривоносова В.В., Сундуков Ю.М. Экспериментально-расчетные исследования охлаждаемых лопаток ГТЭ-6 // Теплоэнергетика – 2008 – № 1 – С. 42–45.
5. Шевченко И.В. Диагностика температурного состояния лопаток по результатам тепловизионных испытаний в стационарных условиях // Технология машиностроения – 2012. – № 8. – С. 51–53.
6. Techel A. et al., Laser Additive Manufacturing of Turbine Components, Precisely and Repeatable. Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (IWS) // интернет-издание Laser Institute of America – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.lia.org/blog/category/laser-insights- 2/laser-additive-manufacturing / (Дата обращения 20.04.2016).