CC BY
143
Протвино. 2012.
2. Ханин Н. С., Зайченко Е. Н., Аболтин Э. В., Лямцев Б. Ф. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. - М.: Машиностроение, 1991.
3. Hung Nguyen-Schafer. Aero and Vibroacoustics of Automotive Turbochargers, Springer, 2013. ISBN3642350704.
4. Stemler E., Lawless P. The Design and Operation of a Turbocharger Test Facility Designed for Transient Simulation. SAE Technical Paper 970344, Detroit, 1997.
5. Baines Nicholas C. Fundamentals of Turbocharging. Concepts ETI. 2005. ISBN 0-933283-14-8.
6. Хак Г. Турбодвигатели и компрессоры: Справ. пособие / Г. Хак, Лангкабель. - М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство АСТ», 2003, - 351 c.
7. Патрахальцев Н.Н., Савастенко А.А. Форсировние двигателей внутреннего сгорания наддувом: - М.: Легион-Автодата. 2007.
Исследование теплового состояния лопаток турбомашин с помощью программно-информационного комплекса
д.т.н. проф. Ковальногов В.Н., к.т.н. доц. Федоров Р.В., Генералов Д.А.
Ульяновский государственный технический университет 89061418884, [email protected]. 89176220922, [email protected].
89084755873, [email protected]
Аннотация. Рассматривается способ расчета теплового состояния лопаток турбомашин с помощью программно-информационного комплекса. Рассматривается возможность использования феномена газодинамической температурной стратификации для повышения эффективности систем охлаждения лопаток турбома-шин. Приведена математическая формулировка нестационарной задачи расчета теплового состояния лопаток с учетом газодинамической температурной стратификации.
Ключевые слова: лопатки турбомашин, системы охлаждения, газодинамическая температурная стратификация, программно-информационный комплекс
Введение
Совершенствование технологий сжигания топлива в газотурбинных двигателях и улучшение экономических показателей требует применения новых материалов, совершенствования систем охлаждения наиболее теплонагруженных элементов. Наибольшие температурные и механические нагрузки при повышении давления и температуры рабочего тела испытывают лопаточные аппараты. Начальная температура газа перед ГТУ возросла с 700 до 1500°С, начальное давление возросло с 0,6 до 3 МПа, при этом температура выходных газов увеличилась до 630°С, а объемная концентрация кислорода сократилась с 18 до 12% [2]. Если повышается жаропрочность материала лопатки, то чем больше интенсивность ее охлаждения, тем на большую величину может повышаться температура газа [5]. На разных этапах с целью оптимизации характеристик ГТУ проводились работы по использованию внешнего охлаждения воздуха на стадии его сжатия в компрессоре, регенерации теплоты уходящих газов и подогрев сжатого воздуха перед камерами сгорания, промежуточный перегрев газа при расширении. Снижение на 1% экономичности газовой турбины приводит к снижению полезной выходной мощности на 2 - 3% [2]. Совершенствование тепловых расчетов требует применения методов математического моделирования для получения информации о распределении температурных полей в лопатке. Применение численного моделирования необходимо для определения взаимодействия вязких и невязких течений, турбулентного теплообмена в условиях благоприятного и неблагоприятного градиентов давления, теплообмена во вращающихся каналах, отрыва пограничного слоя и т.д. Для обеспечения заданной точности определение коэффициента теплоотдачи должно выполняться максимально точно.
Течения жидкостей и газов в ГТУ сопровождаются нестационарными эффектами, поэтому важно определять степень их влияния на работу лопаточного аппарата [6].
Постановка задачи
Обеспечение эффективной тепловой защиты лопаток турбин является сложным и трудоемким процессом, который включает в себя газодинамические, тепловые и прочностные расчеты, определение рациональных систем охлаждения и их дальнейшая оптимизация. В настоящее время достигнуты большие успехи в развитии теории и методов анализа процессов теплообмена в сложных системах охлаждения.
Создание эффективных способов охлаждения лопаточных аппаратов турбин должно обеспечивать допустимое температурное и термонапряженное состояние деталей при минимальных затратах на охлаждение. Совершенствование способов охлаждения подразумевает также совершенствование системы охлаждения - совокупности элементов и узлов, обеспечивающих подготовку охлаждающей среды, подачу ее к охлаждаемой лопатке, а также схем охлаждения - совокупности каналов, отверстий, щелей и полостей в различных их сочетаниях, посредством которых осуществляется ввод охлаждающего воздуха в лопатку, распределение его внутри лопатки для обеспечения требуемого отвода теплоты от отдельных участков лопатки и от всей лопатки.
В настоящее время системы охлаждения классифицируются по двум принципиальным признакам: по роду применяемого хладагента - на воздушные, жидкостные и воздушно-жидкостные (двухконтурные); по способу использования охладителя в турбине и в ГТД - на открытые, замкнутые и полузамкнутые. Несмотря на то, что жидкостное охлаждение способно обеспечить наибольшее повышение температуры газа до максимальных температур горения углеводородных топлив, из-за сложности обеспечения герметизации жидкостных систем они не получили широкого распространения.
В современных ГТУ при использовании в качестве охлаждающей среды воздуха могут использоваться одновременно методы охлаждения: заградительный, конвективный и комбинированный. При использовании завесы интенсивность теплоотдачи возрастает по сравнению с отсутствием пленочного охлаждения, но интенсификация теплоотдачи достигается увеличением расхода охладителя. Уменьшение расхода газа, отбираемого из компрессора для охлаждения дисков газовой турбины на 1%, приводит к увеличению эффективности газовой турбины на 0,4 % [1]. Разрабатываемый программно-информационный комплекс позволит путем исследования течений и теплообмена в каналах и вращающихся полостях моделировать тепловое состояние лопатки с применением данных методов охлаждения, что в дальнейшем позволит минимизировать количество воздуха во внутренней воздуходувной системе.
При создании современных газотурбинных двигателей невозможно обойтись без использования численных методов расчета течений и теплообмена. Увеличение температуры газа на входе в межлопаточный канал до 1800 - 2000 К приводит к необходимости обеспечения надлежащего охлаждения лопаток турбин. Поэтому в расчетах используются значения теплопроводности, теплоемкости для газов в диапазоне до 2000 К, а свойства материалов лопаток в диапазоне до 2400 К [1].
Для точного прогноза теплового состояния необходимо решить пространственную задачу теплопроводности с неравномерным распределением граничных условий теплообмена как со стороны горячего потока газа, так и со стороны охлаждающего воздуха с учетом эффекта газодинамической температурной стратификации, применяемого для интенсификации теплообмена.
Для полного и качественного расчета трехмерного нестационарного температурного поля лопатки в нелинейной постановке с учетом зависимости теплофизических свойств материала лопатки от температуры применяются численные методы [4]. Необходимо решить
нестационарную пространственную нелинейную задачу теплопроводности лопатки:
от _ 5 л от\ д л от\ д л от\ Сл Рл ^ - К 1Ал Т) + Ту 1Ал Ту) + Т 1Ал Т) • (1)
Величины Хл, сл, рл зависят от температуры.
Уравнение дополняется начальными и граничными условиями. В начальный момент времени т=0: Т = Т0.
Плотность q теплового потока при теплопередаче от рабочего тела в дозвуковом тракте к рабочему телу в сверхзвуковом тракте выражается уравнением [3]:
q = ЦТг1-Тг2) = кАТ, (2)
где: k = (— + —) .
Плотность теплового потока, а следовательно интенсивность температурной стратификации, возрастает при увеличении температурного напора АТГ и при возрастании коэффициента теплопередачи к. Температуры Тг1, Тг2 выражаются через термодинамические температуры Т1, Т2 потока и коэффициенты восстановления температуры г1, г2 [3]:
Тг1 = Т1 + г 1 (Г*- Т1);
Тг2 = Т2 + Г2 (Г*- Г2); (3)
т* = Т + и2/2сР.
Использование газодинамической температурной стратификации позволит сократить расход охлаждающего воздуха в результате интенсификации теплообменных процессов, что сократит выбросы охлаждающего воздуха в проточную часть турбины и приведет к увеличению ее КПД [3].
Для уравнения (1) граничные условия третьего рода в аналитическом виде записываются следующим образом:
• для поверхности лопатки со стороны газа:
(дТ\
"Чз^
для поверхности лопатки со стороны охладителя:
(4)
(5)
• для поверхности лопатки со стороны газа в канале для разделения потока:
Граничное условие (6) применяется для лопаток, в которых выполнены охлаждающие каналы, в которых проходит дозвуковой поток газа.
Для перехода от дифференциального уравнения (1) к конечно-разностному уравнению используется метод тепловых балансов.
Определение граничных условий теплообмена проводится как с помощью эмпирических уравнений подобия, так и на основе численного интегрирования системы дифференциальных уравнений пограничного слоя.
Систему уравнений, описывающих стационарный процесс теплоотдачи на поверхности плоской лопатки, можно представить в виде:
• дифференциальное уравнение теплоотдачи:
= Я
• эффективность завесы:
у=о
9 = (Тг -Тай(Тг - 7^0);
• дифференциальное уравнение энергии:
(дт , дт , дт \ д , п л дТЛ , . , л (дых\2 , йР йР ,
Рсг(Тг + ^ + ™УТУ) = + + + ^ + Ь;
• дифференциальное уравнение движения:
• дифференциальное уравнение неразрывности:
(7)
(8)
(9)
дх
+
ду
(10)
(11)
• уравнение состояния:
р=р/(ЯТ). (12)
Дополнительные члены и БР характеризуют тепловое и аэродинамическое влияние частиц на несущую среду. Непосредственное влияние частиц на структуру увеличивается с ростом продольного градиента давления [4]. Течение дисперсного потока в дозвуковом тракте характеризуется отсутствием поперечного перемещения частиц в пограничном слое. Это позволяет определять коэффициент восстановления температуры по зависимости для однородного потока газа:
Г! = л/Р?. (13)
В сверхзвуковом потоке присутствует поперечное перемещение частиц, поэтому зависимость для определения коэффициента восстановления температуры определяется выражением:
Зл/Рг
Г?
(14)
2 1 +28,6С0'3
г : £ _
: (МБт~ м)Ром(Г
Зависимости теплофизических свойств воздуха от температуры Т в диапазоне ее изменения от 273 до 3000 К аппроксимированы функциями:
/тч0,68 „ /тч0,1046 Л /тч0,8007
;т=(г) £=(г) . (15)
|!0 \Т0/ Ср0 \Т0/ А0 \Т0/
Интенсивность внутренних источников теплоты и количества движения применительно к дисперсному пограничному слою:
_ 0,75р5рсГз
PBds 1 S 6asps
Uc - U
|(us-u), (16)
-T). (17)
На участке поверхности лопатки с ламинарным пограничным слоем принимаем 1Т = Цт = 0. На участке поверхности с турбулентным пограничным слоем коэффициент турбулентного переноса теплоты 1Т можно определить по соотношению:
л (18)
1 - Ргт ~ 0,9 . (18)
Коэффициент турбулентного переноса количества движения ц.т в соответствии с моделью пути смешения Прандтля определяется зависимостью:
pl2du . Л
, (19)
где длина пути смешения 1 рассчитывается по выражению:
I = жу{1 - ехр[-рпу/(26ц)]}, (20)
где v - динамическая скорость в рассматриваемой точке.
Коэффициент ж=жТ определяется зависимостью, предложенной Ковальноговым Н.Н. [5], учитывающей влияние фактора динамической нестационарности, продольного градиента давления и кривизны обтекаемой поверхности
1 -
4,9
жт = 0,4
л!
(дщЛ
I Зу )у=0
ню
WX0WXет
(21)
1 + 21,4-
(дРро\
\дх)
Б П
I ду )у=0
Здесь индекс от характеризует параметры течения в анализируемом сечении за пределами пограничного слоя.
При определении граничных условий на основе уравнений подобия для определения коэффициентов теплоотдачи вся поверхность лопаток делится на участки, для которых запи-
Серия «Транспортные средства и энергетические установки» сывается уравнение подобия вида
Ж = сКе11. (22)
Результаты
С помощью разрабатываемого на кафедре «Теплоэнергетика» программно-информационного комплекса, интегрированного в систему SolidWorks, планируется проводить расчет теплового состояния лопаток турбомашин с повышенной точностью с учетом влияния на граничные условия теплообмена реального распределения температуры по поверхности лопатки и с учетом воздействия газодинамической температурной стратификации для более эффективного охлаждения. Программно-информационный комплекс позволяет проводить расчет теплового состояния в сопряженной постановке.
Для проведения расчетных исследований были сгенерированы разностные сетки лопатки с конвективным охлаждением.
Рисунок 1. Сгенерированная расчетная Рисунок 2. Сгенерированная расчетная сетка с 3000 элементами (10-15-20) сетка с 40000 элементами (20-40-50)
На рисунках 1 и 2 приведены разностные сетки с числом элементов, равным, соответственно, 3000 и 40000 элементов. Максимальное количество элементов в сгенерированной расчетной сетке достигает 105000. На данном этапе проведено определение времени генерации разностной сетки от количества расчетных элементов (рисунок 3).
120 ----
5 0 10 20 30 40
Вре^я генерации, '.чш
Рисунок 3. Зависимость времени генерации сетки от количества элементов
Время генерации разностной сетки с количеством элементов порядка 100000, необходимым для обеспечения точности расчета, составляет порядка 40 минут. Граничные условия для спинки и корыта рассчитываются за время от 1 до 10 минут в зависимости от точности при начальной температуре лопатки, равной 293 К.
Серия «Транспортные средства и энергетические установки»
Выводы
На основе научных результатов проекта будет создан программно-информационный комплекс для расчета теплового состояния лопаток турбомашин на стадии их автоматизированного проектирования. Данный программно-информационный комплекс применим в энергетике и авиастроении, в частности при проектировании лопаточных аппаратов энергетических паро- и газотурбинных установок и газотурбинных двигателей.
С учетом полученных результатов представляется перспективным дальнейшая доработка программно-информационного комплекса, позволяющая проводить расчет теплового состояния лопаток турбомашин с повышенной точностью с учетом газодинамической температурной стратификации потока, что позволит разрабатывать новые способы охлаждения лопаточных аппаратов на основе данного феномена.
Литература
1. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Течения и теплообмен в каналах и вращающихся полостях.-М.: «Физмалит», 2010. - 480 с.
2. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов / Под ред. С.В. Цанева - М.: Издательство МЭИ, 2002. - 548 с.
3. Ковальногов В.Н., Федоров Р.В., Цветова Е.В., Петров А.В. Математическое моделирование и исследование газодинамической температурной стратификации в дисперсном потоке// Автоматизация процессов управления, 2013. - № 1. - с. 40-46.
4. Ковальногов Н.Н. Пограничный слой в потоках с интенсивными воздействиями. - Ульяновск: УлГТУ, 1996. - 245 с.
5. Копелев С.З., Слитенко А.Ф. Конструкция и расчет систем охлаждения ГТД. - Х.: «Основа», 1994, 121 с.
6. Численное моделирование нестационарных явлений в газотурбинных двигателях: Научное издание/ Августинович В.Г., Шмотин Ю.Н. и др. - М.: «Машиностроение», 2005. -536 с.
Стабилизация температуры газа и оборотов ротора на стенде контрольно-исследовательских испытаний турбокомпрессоров
средствами автоматизации
Ковальцов И.В., Каминский Р.В., д.т.н. проф. Каминский В.Н., Сибиряков С.В.,
Корнеев С.А., Зайцев О.Г. Университет машиностроения, АО «НПО «Турботехника»
8 (4967) 74-49-03, [email protected]
Аннотация. Описывается схема стенда и способы управления. Рассматривается работа с контроллером BR 5pp520 и подключенные к нему системы ввода-вывода посредством внутренней шины X2X и программирования в среде Automation studio. Описываются алгоритмы программы по стабилизации оборотов ротора путем управления исполнительным устройством подачи воздуха, а также алгоритм программы стабилизации температуры газов перед турбиной турбокомпрессора. Ключевые слова: стенд испытания турбокомпрессоров, а^отаЫоп studio, автоматизация, человеко-машинный интерфейс
Для стенда контрольно-исследовательских испытаний систем наддува, создаваемого в НПО «Турботехника», требуются алгоритмы управления по обеспечению стабильной температуры и обеспечению постоянных оборотов ротора. Это необходимо для создания режима испытаний, при которых происходит сохранение всех измеряемых параметров для расчета КПД турбокомпрессора.
Задача состоит в создании системы, способной быстро реагировать на изменения условий технологической среды во время испытаний на стенде контрольно-исследовательских испытаний.
