CC BY
57
УДК 621.438
А. А. Ермолаев, В. В. Кривоносова ОАО «Силовые машины», филиал «Ленинградский металлический завод»,
Россия
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СОПОСТАВЛЕНИЕ С РЕЗУЛЬТАТАМИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГТЭ-65
В настоящее время на ТЭЦ 9 Мосэнерго идет подготовка к пуско-наладке головного образца ГТЭ-65 энергетической газотурбинной установки среднего класса мощности. Наиболее ответственные узлы новой ГТУ прошли стендовые испытания. В том числе выполнены теплогидравлические испытания охлаждаемых лопаток турбины. Для верификации расчетных моделей выполнено сопоставление расчетной расходной характеристики и результатов расчетного моделирования температурного поля пера лопатки с данными теплогидравлических испытаний на экспериментальном стенде. Расчетное температурное поле пера лопатки получено в результате решения сопряженной задачи течения и теплообмена в коммерческом коде Fluent.
Термометрирование, расходная характеристика, гидравлический расчет, вычислительная газодинамика, сопряженная задача теплообмена, температурные поля.
Введение
При создании высокотемпературных газотурбинных установок большое внимание приходится уделять достаточно надежному определению температурного состояния деталей горячего тракта (камеры сгорания и турбины). К настоящему времени известны различные по качеству описания процесса методы расчета температурного состояния узлов от полуэмпирических до трехмерных решений сопряженных задач теплообмена. Выбор необходимого метода определяется наличием у исполнителей сертифицированных программных продуктов, а также необходимыми вычислительными ресурсами для проведения расчетов, особенно критичными в случаях, требующих вариантных оценок конструктивного исполнения данных узлов.
В представленных ниже материалах предлагается подход, обладающий, с одной стороны, достаточной точностью конечного предсказания результата, а с другой, требующий ограниченных вычислительных ресурсов.
Для оценки достоверности результатов использованы результаты экспериментального термо-метрирования тестируемого узла, что делает полученные выводы достаточно объективными.
© А. А. Ермолаев, В. В. Кривоносова, 2008
1. Экспериментальные исследования охлаждаемых лопаток
ГТЭ-65 высокотемпературная газотурбинная установка с тремя ступенями охлаждаемых лопаток. На экспериментальном стенде ЦКТИ исследовались охлаждаемые лопатки первой и второй ступени турбины. Стенд обеспечивает давление на входе в пакет до 6 бар, расход газа через экспериментальный пакет лопаток до 6 кг/с с температурой 1000 °С. На рисунке 1 приведена схема стенда.
Программа испытаний второй сопловой лопатки, разработанная инженерами ЛМЗ и ЦКТИ, включает два этапа: холодные продувки и теплогидравлические испытания лопатки. В результате холодных продувок (гидравлические испытания) получена опытная расходная характеристика полости лопатки в сборке (с дефлектором) в изотермических условиях. В ходе горячих те-логидравлических испытаний лопатки на различных режимах по температуре газа и расходу охлаждающего воздуха выполнено термометриро-вание лопатки.
В экспериментальном пакете из 3-х лопаток центральная лопатка оснащена 14-ю термопарами, расположенными в среднем сечении. В нее
подведен охлаждающий воздух. Крайние лопатки пакета оснащены 10-ю отборами давления. На входе в пакет измерялось полное давление и полная температура, на выходе статическое давление потока.
камера сгорания
Рис. 1. Общий вид стенда теплогидравлических исследований
В ходе эксперимента регистрировались режимные показатели (полная температура и давление на входе и статическое давление на выходе, температура и расход охлаждающего воздуха), показания термопар и датчиков давления. Оснащение опытных лопаток термопарами и сборка в экспериментальный пакет, состоящий из направляющих, опытных и спрямляющих лопаток, выполнено в ЦКТИ. На рисунке 2 показаны препарированные сопловые лопатки второй ступени турбины.
Стендовые испытания лопатки позволили провести идентификацию гидравлической и CFD-модели, и подтвердить корректность расчетов, выполненных ранее [2, 3].
2.1. Верификация гидравлической модели второй сопловой лопатки
Расчет расхода охлаждающего воздуха по гидравлической модели каналов охлаждения в полости лопатки выполнен с использованием программы «Thermal&Hydraulic analysis» (ТНА), разработанной как приложение к программе AutoCad [1]. Гидравлическая схема системы охлаждения лопатки представляется в виде графа. В результате итерационного процесса по специальному алгоритму достигается выполнение баланса расходов в узлах графа при заданных значениях давления и температуры во внешних узлах. На рисунке 3 показаны геометрическая и гидравлическая модели лопатки.
Сопловые лопатки второй ступени имеют деф-лекторную схему охлаждения. Стенка дефлектора и горизонтальные ребра на стенке в полости лопатки создают узкие каналы для течения охлаждающего воздуха. За дефлектором в полости лопатки расположена вихревая матрица. Следом за матрицей штырей расположены столбики-тур-булизаторы. Выходная щель лопатки загромождена горизонтальными ребрами-перемычками. Для верификации гидравлической модели лопатки выполнены гидравлические расчеты с граничными условиями, соответствующими режимам эксперимента.
в?
з
'* М * » . О - .J - Ь ■ . - - - ттт.
Ь=—-—
Рис. 3. Геометрическая и гидравлическая модель лопатки
Рис. 2. Препарированные лопатки
2. Сопоставление расчетных данных с результатами эксперимента
При разработке конструкции полости лопаток ГТЭ-65 была разработана гидравлическая модель системы охлаждения лопатки и СБО-модель для анализа температурного поля пера лопатки.
На рисунке 4 представлено сопоставление расчетной и экспериментальной расходной характеристики лопатки.
Данное сопоставление показало, что разработанная гидравлическая модель лопатки имеет достаточную точность и адекватность, что подтверждает значение расхода воды, заданное в чертежах для проливки серийных лопаток.
Рис. 4. Сопоставление экспериментальной и расчетной расходной характеристики сопловой лопатки турбины ГТЭ-65 в изотермических условиях
2.2. Верификация CFD-модели второй сопловой лопатки
Расчет температурного поля сопловой лопатки второй ступени выполнен с использованием коммерческого программного комплекса Fluent. Расчетная сетка 3D CFD-модели лопатки блочная, структурированная, разработана в сеточном препроцессоре Gambit. Для построения структурированной сетки и обеспечения подробного моделирования области вблизи стенок лопатки расчетная область межлопаточного канала разбита на 9 блоков. Неструктурированная сетка использована для моделирования объема корневой и периферийной полки лопатки. Между структурированной и неструктурированной сеткой наложены интерфейсные связи.
На рисунке 5 представлена расчетная область. Расчетная область содержит пространство одного межлопаточного канала и твердотельную модель сопловой лопатки с полками. Общий размер сетки — 5374 тыс. ячеек. Объем межлопаточного канала содержит 2846 тыс. ячеек.
Моделирование течения в венце сопловых лопаток обеспечено наложением условий периодичности на торцевые поверхности расчетной области.
Для моделирования турбулентного течения в математической модели использована система из уравнения неразрывности, движения и энергии в форме Рейнольдса, замкнутая полуэмпирической моделью турбулентности. В систему уравнений включено уравнение вязкого тепла. В теле лопатки решено уравнение теплопроводности. В полости лопатки приложены граничные условия теплообмена III рода, полученные по результатам гидравлического расчета. Температурное поле пера лопатки получено в результате решения сопряженной задачи теплообмена.
Расчет теплового состояния пера лопатки на номинальном и экспериментальном режиме выполнен на одной сеточной модели.
В расчете, моделирующем сопряженный теплообмен на номинальный режим, газодинамические граничные условия (полное давление, тем-
пература на входе, статическое давление на выходе) заданы в виде эпюры с радиальной неравномерностью в соответствии с результатами осе-симметричного расчета течения газа в проточной части турбины. Граничные условия теплообмена в полости лопатки заданы по результатам гидравлического расчета системы охлаждения лопатки. Уравнения Рейнольдса замкнуты Realizable к-е моделью турбулентности с улучшенной пристеночной функцией (Enhanced Wall Treatment). Значение y+ в диапазоне от 1 до 5.
Для верификации CFD модели выполнен расчет течения и теплообмена на одном из экспериментальных режимов.
Рис. 5. Расчетная область второй сопловой лопатки
Для расчета выбран режим с наибольшей разницей температуры рабочего газа и охлаждающего воздуха. Граничные условия на входе и выходе из межлопаточного канала заданы в соответствии с данными из протоколов замеров. Граничные условия теплообмена в полости лопатки заданы по результатам гидравлического расчета системы охлаждения лопатки на выбранном режиме. Уравнения Рейнольдса замкнуты SST к-ю моделью турбулентности с опцией Transitional Flows. Значение y+ в диапазоне от 0,2 до 2.
0.4 -I----------
0.0 5.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.0 0.7 0.8 О.Э 1.0
координата х вдоль обвода профиля лопатки
*— расчетная эпюра ^ точки замеров
Рис. 6. Расчетная и экспериментальная эпюра давления вдоль обвода профиля
Сопоставление расчетной эпюры давления с экспериментальными замерами, представленное на рисунке 6, показало хорошее совпадение и свидетельствует о хорошем совпадении полей скоростей вдоль обвода профиля лопатки в расчетном и стендовом эксперименте.
На рисунке 7 приведено сопоставление расчетных и экспериментальных значений эффективности охлаждения. Сопоставление эффективности охлаждения, полученной по результатам эксперимента с расчетными даннымипоказало, что точность расчета составляет 0,02 — 0,04, то есть точность моделирования температурного поля 5 % составляет.
Рис. 7. Расчетная и экспериментальная эффективности охлаждения
По результатам расчета на номинальном режиме были сформированы граничные условия и выполнен расчет теплового состояния второй сопловой лопатки в программе ANSYS для дальнейшего прочностного анализа. На рисунке 8 показано температурное поле второй сопловой лопатки, полученное в расчете в комплексе Fluent и восстановленное в комплексе ANSYS.
Рис. 8. Поле температуры пера лопатки, по расчету в Fluent и восстановленное в ANSYS
Заключение
В настоящее время существует большое количество примеров решения задач внешнего и внутреннего теплообмена охлаждаемых лопаток средствами вычислительной газодинамики [6, 8].
Во многом это исследовательские расчеты, в которых выполняются моделирование и верификация по экспериментальным данным одного эффекта. Развитие вычислительной техники позволяет ставить более сложные задачи, и моделировать условия теплообмена на внешней поверхности лопатки и в каналах охлаждения [4, 5, 7]. Это требует большого объема расчетной модели и контроля результатов расчета теплообмена не только по внешнему профилю, но и по внутренней полости лопатки. Поэтому в представленной работе не решалась CFD-задача течения и теплообмена в полости лопатки. Это позволило разработать подробную сетку в межлопаточном канале и обеспечить моделирование пограничного слоя с y+ близким к 1. Граничные условия теплообмена в полости лопатки получены из одномерного гидравлического расчета.
Выполненная в настоящей работе идентификация теплового состояния соплового аппарата турбины подтвердила в сравнении с результатами прямого термометрирования достаточную точность конечной оценки при использовании трех программных продуктов. Полученное подтверждение достаточной точности оценки позволяет проводить в дальнейшем оценку теплового состояния узла при натурных параметрах с учетом реальных условий его работы в установке (уровню турбулентности в проточной части, наличии радиальной и окружной эпюры температур).
Литература
1. Тарасов А.И. Thermal&Hydraulic analysis (ТНА) Анализ теплового состояния охлаждаемых энергетических объектов. Руководство пользователя. Часть 2. Гидравлическое сопротивление и теплообмен в каналах гидравлической сети, 2005.
2. Техническая справка №3650045РР 3D расчет теплового поля второй сопловой лопатки турбины ГТЭ-65 в сопряженной постановке. — ОАО «СМ» филиал «ЛМЗ», 2005.
3. Техническая справка №3650135РР Обработка результатов теплогидравлических испытаний 2СЛ лопатки турбины ГТЭ - 65 на стенде ЦКТИ. — ОАО «СМ» филиал «ЛМЗ», 2007.
4. Круковский П.Г., Юрченко Д.Д., Полубин-ский А.С., Яцевский В.А., Чепаскина С.М. Верификация трехмерной CFD-модели теплового состояния охлаждаемой лопатки ГТД в сопряженной постановке // Промышленная теплотехника, 2005, т. 27.— №1. — С. 17—25
5. Круковский П.Г., Юрченко Д.Д., Яцевский ВА Трехмерный CFD-анализ гидродинамики и теплообмена в канале охлаждения рабочей лопатки ГТД в сопряженной постановке (Часть 2 Теплообмен) // Промышленная теплотехника, 2005, т. 27.— №6. — С. 16 —26.
6. Munic F., Ljungkruna L. Numerical Simulations of Heat transfer and Fluid Flow for a Rotating High-Pressure Turbine, ASME GT2006-90016.
7. Jiang Luo, Razinsky Eli H. Conjugate Heat Transfer Analysis of a Cooled Turbine Vane Using the V2F Turbulence Model, ASME GT2006-91109.
8. Prediction of Flow and Heat Transfer in Rotating Two-Pass Rectangular Channels With 45-
deg Rib Turbulators, ASME J. Turbomach., Vol. 124, April 2002, PP 242-250.
Поступила в редакцию 30.05.08
Рецензент: д-р техн. наук, главный конструктор газовых турбин Лебедев А. С., ОАО «Силовые машины» филиал «Ленинградский металлический завод», г. Санкт-Петербург.
Утепершнш час на ТЕЦ 9 Мосенерго йде тдготовка до пуско-налагоджування головного зразка ГТЕ-65 — енергетичног газотурбтног установки середнъого класу потуж-ностг. Найбыъш вгдповгдалъш вузли новог ГТУ пройшли стендовi випробування. Зокрема виконано теплоггдравлгчт випробування охолоджуваних лопаток турбти. Для верифкацП розрахункових моделей виконано ствставлення розрахунковог витратног характеристики i резулътатгв розрахункового моделювання температурного поля пера лопатки з даними теплоггдравлгчних випробуванъ на експерименталъному стендг. Розрахункове температур-не поле пера лопатки одержано в резулътатг розв'язування сполученог задачг течи та теплообмту в комерцшному кодг Fluent.
Lead unit GTE-65 is power generation gas turbine in mid class capacity now is being prepared for commissioning at CHP plant 9 of Mosenergo utility. Most crucial components of the new gas turbine have gone through bench testing, including thermal-and-hydraulic tests of cooled blades. Comparison of designed flow characteristic and results of designed modeling temperature field of blade airfoil with data of thermal-and-hydraulic testing with using experimental test rig was performed in order to verify designed models. Designed temperature field of blade airfoil was obtained due to solution of conjugated task for flow and heat transfer in commercial code FLUENT.
