CC BY
18
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жуков Л. А., Стратан И. П. Установившиеся режимы сложных электрических сетей и систем. М.: Энергия, 1979. 416 с.
2.Поспелов Г. Е., Сыч П. М. Потери мощности и энергии в электрических сетях. М.: Энергоиздат, 1981. 216 с.
Пестов Сергей Михайлович, старший преподаватель кафедры ««Электроснабжение» УлГТУ, окончил Ульяновский политехнический институт. Имеет публикации, в области математического и программного моделирования переходных и установившихся режимов электроэнергетических систем.
УДК 621.43 8.016.4+536.24
Н. Н. КОВАЛЬНОГОВ, В. Н. КОВАЛЬНОГОВ, А. Н. ФОМИН ПАКЕТ TURBO WORKS ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТЬЮ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН В ПРОЦЕССЕ ИХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Разработан интегрированный в систему автоматизированного проектирования SolidWorks пакет программ TurboWorks дня детального расчета с повышенной точностью теплового состоянья лопаток турбомашин. Приведены результаты исследования теплового состояния лопатки.
Требования к точности расчетного прогнозирования теплового состояния лопаток турбомашин в настоящее время существенно возросли в связи с повышением параметров рабочего тела (температуры и давления) перед турбиной. В современных авиационных ГТД максимальная температура газа пере* турбиной ТГ составляет 1600 - 1700 К, а суммарная степень по- вышия давления к достигает значения 37. В перспективе стоит задача создания «стехиометрического» ГТД с температурой Т* = 2300 К. В таких условиях погрешность в расчете температуры рабочих лопаток ГТД сотавляющая всего 50 К (при допустимой в авиационных ГТД температуре конструкционного материала 1100... 1200 К), приводит к семикратной ошибке прогнозирования их ресурса.
Существующие в настоящее время пакеты программ (например, известные пакеты Ansys, DesignSpace) оказываются малопригодными для
надежного количественного прогнозирования теплового состояния таких элементов, как лопатки турбомашин. Это связано с тем, что они ориентированы на выполнение оценочных расчетов и не предусматривают возможности автоматического формирования граничных условий теплообмена, отражающих особенности обменных процессов в межлопаточном канале турбомашин и в системах охлаждения лопаток. При автономном же определении граничных условий не представляется возможным учесть влияние на них реального распределения температуры по поверхности лопатки и ее изменения во времени (при анализе нестационарных температурных полей). Кроме того, используемые в существующих пакетах алгоритмы ускорения расчетов приводят к дополнительному снижению точности прогнозирования температурных полей. В результате точность расчетов теплового состояния лопаток турбомашин с использованием существующих пакетов не соответствует предъявляемым требованиям.
Разработанный пакет программ Turbo Works так же, как и пакеты типа Ansys, DesignSpace, позволяет проводить оценочные расчеты теплового состояния тел любой формы при автономном определении граничных условий теплообмена. Однако он позволяет также выполнять с повышенной точностью расчеты теплового состояния лопаток турбомашин при автоматическом формировании граничных условий теплообмена. Автоматическое формирование граничных условий теплообмена не только значитель-но упрощает работу с программным комплексом, но и позволяет учесть влияние на них фактического распределения температуры по поверхности лопатки, а также фактора нестационарности процессов теплообмена.
Расчет пространственного температурного поля лопатки осуществляется в нестационарной постановке с учетом зависимости теплофизических свойств материала от температуры.
Пакет TurboWorks интегрирован в систему автоматизированного проектирования SolidWorks. Конструктор с помощью системы SolidWorks создает первоначальный проект лопатки, который далее анализируется пакетом TurboWorks. Обращение к пакету TurboWorks осуществляется из меню SolidWorks. С помощью отдельных модулей пакета TurboWorks производится разбиение лопатки на расчетные элементы, выбор теплофизических свойств материала логгатки и продуктов сгорания; расчет граничных условий теплообмена на поверхностях спинки и корыта; расчет системы охлаждения лопатки и определение граничных условий теплообмена на поверхностях охлаждающих каналов; расчет пространственного температурного поля в лопатке и его отображение в зрительной (с использованием цветовой гаммы) и табличной формах. Далее, после анализа результатов расчета теплового состояния лопатки, конструктор может внести изменения в ее проект, выбрать иной вариант охлаждения и повторить расчеты.
Определение граничных условий теплообмена для лопаток турбомашин предусмотрено как с помощью эмпирических уравнений подобия и
накопленного банка данных (см., например, работы [1 - 3]), так и на основе интегральных [4] и дифференциальных [5] методов расчета пограничного слоя.
Результаты расчетного прогнозирования теплового состояния турбинной лопатки приведены на рис. 1 - 3. На рис. 1 показаны результаты расчета с помощью пакета TurboWorks теплового состояния охлаждаемой лопатки турбины при 100000 расчетных элементов. Из-за полиграфических ограничений здесь использовано упрощенное (без цветовой гаммы) отображение результатов расчета. При этом на рисунке указывается местоположение точек с минимальной (Гт;п) и максимальной (!Гтах) температурой; приводятся выраженные в К значения максимальной и минимальной тем-пературы, а также значение температуры Т в произвольной точке, в кото-рую помещен указатель «мыши».
На рис. 2. приведены результаты расчета, полученные для тех же условий с помощью известного пакета DesignSpace. Из-за полиграфических ограничений тепловая картина представлена на рис. 2 в черно-белом изображении, а искажение формы лопатки связано с функциональными особенностями пакета DesignSpace. Как видно, полученные с помощью пакета DesignSpace результаты существенно отличаются от представленных на рис. 1 результатов как в количественном (значения Г1ПИ, и Гтах), так и в качественном (по местоположению точек с максимальной и минимальной температурой) отношениях. При этом следует отметить, что расчеты, выполненные с использованием пакета DesignSpace, дают физически необъ-яснимый прогрев до максимальной температуры одного из углов основания лопатки, где интенсивность теплоотдачи далека от максимальной. Все это подтверждает высказывание о значительных погрешностях расчета теплового состояния с помощью существующих пакетов типа DesignSpace.
На рис. 3 показана зависимость результатов расчетного прогнозирования теплового состояния лопатки турбомашин, выполненного с использованием пакета TurboWorks, от количества расчетных элементов. Можно отметить, что для достижения удовлетворительной точности расчета, потребное количество расчетных узлов должно составлять не менее 104.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации (грант ТОО-6.7-66 Конкурсного центра грантов до фундаментальным исследованиям в области технических наук).
Beqia™™ р«™яа1чшовйп>«](В1И1ш1 омалдаеией с «Шли пат» TbfcpWblfa
] одом
Рис. 3. Влияние количества расчетных элементов на результаты расчетного прогнозирования теплового состояния лопатки
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей/ В. И. Ло-кай, М. Н. Бодунов, В. В. Жуйков, А. В. Щукин. М.: Машиностроение, 1993. 288 с.
2.Зысина-Моложен Л. М., Зысин Л. В., Поляк М. П. Теплообмен в тур-бомашинах. Л.: Машиностроение, 1974. 336 с.
3.Каримова А. Г., Подгорнов В. А. К формированию банка данных по теплообмену в проточной части турбомашин // Тр. 2-й Российской национальной конференции по теплообмену. М/ МЭИ, 1998. Т. 2. С. 142-145.
4.Кутателадзе С. С., Леонтьев А. И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергоатомиздат, 1985. 319 с.
5. Ковальногов Н. Н. Пограничный слой в потоках с интенсивными воздействиями. Ульяновск: УлГТУ, 1996. 246 с.
Ковальногов Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор, окончил факультет двигателей летательных аппаратов Казанского авиационного институт Заведующий кафедрой «Теплоэнергетика», имеет. статьи V монографии в области теплофизики, аэрогидромеханики и тепломассообмена.
Коеельиогов Владислав Николаевич, кандидат технических наук, факультет вычислительной математики и кибернетики Казанского государственного университета. Научный сотрудник ЗАО HFIK «Волга - Экопром», имеет статьи и монографию в области теплофизики.
Фомин Александр Николаевич, окончил физико-математический факультет Ульяновского государственного педагогического университета. Аспирант кафедры «Теплоэнергетика», имеет статьи в области тепло- физики.
УДК 621.187.12
О. В. МАЛИНИНА, В. И.ШАРАПОВ
ОХЛАДИТЕЛИ ВЫПАРА ТЕРМИЧЕСКИХ ДЕАЭРАТОРОВ
Рассмотрены основные типы охладителей выпари термических деаэраторов и проблемы, связанные с их эксплуатацией. Определена высота установки охладителя выпара над колонкой деаэратора, обеспечивающая надежный самотечный слив теплоносителя после охладителя в деаэратор
В качестве основного способа, противокоррозионной обработки воды на тепловых электрических станциях применяется термическая деаэрация. Десорбция растворенных в воде газов происходит за счет доведения температуры воды до температуры кипения для принятого давления в деаэраторе, диспергирования воды в потоке греющего пара и последующего удаления образовавшейся смеси, неконденсирующихся газов и водяного пара.
Эффективность отвода парогазовой смеси оказывает значительное влияние на экономичность процесса деаэрации, поскольку выпар является ценным теплоносителем. Так, при расходе питательной воды на ТЭЦ
м /ч и нормативном расходе выпара из деаэратора с выпаром удаляется до полутора тонн дорогостоящей обессоленной воды и 5 ГДж/ч теплоты. Кроме того, действительный расход выпара оказывается, как правило, в несколько раз выше нормативного. Например, оценивая значение расхода выпара по сечению патрубка выпара термического деаэратора, можно заключить, что расход выпара для термического деаэратора ДП-500 с ра-бочим давлением 0,6 МПа и диаметром трубопровода выпара 80 мм может составлять более 4,6 т/ч; удельный расход выпара при этом составит 9,2 кг/т вместо регламентированных ГОСТ [1] 1,5 кг/т. Необходимо отметить, что требование нормативных материалов по удельному, расходу выпара в настоящее время не выполняется ни на одной электростанции. Возникающие при этом потери теплоты и конденсата выпара весьма значительны.
С целью сохранения тепла и конденсата в тепловой схеме деаэратора применяют теплообменные аппараты, называемые охладителями выпара. По типу охладители выпара могут быть поверхностными (трубчатыми) и
