28 Ноя

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ СОПЛОВОГО АППАРАТА ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Рассмотрена энергетическая установка мощностью 550 МВт, работающая по усовершенствованному циклу с применением промежуточного охлаждения и промежуточного подогрева с температурой на входе в турбину высокого давления (ТВД) и турбину низкого давления (ТНД) 1673К и суммарной степенью повышения давления в цикле 90. В установке реализовано паровое охлаждение статора и ротора по замкнутой схеме.


Таблица 1.

Параметры рабочей среды из расчета цикла и ТВД

Величина Обозначение Размерность Значение
Температура на входе в ТВД T*г К 1673
Давление на входе в ТВД

(по заторможенным параметрам)

P*г МПа 8.668
Статическое давление на выходе из СА первой ступени Pc1 МПа 4.838
Расход рабочего тела через СА первой ступени кг/с 633.764

Таблица 2.

Геометрические параметры СА первой ступени

Величина Обозначение Размерность Значение
Длина сопловой лопатки lc мм 71.684
Хорда сопловой лопатки bc мм 126.721
Ширина сопловой лопатки bас мм 89.61
Диаметр входной кромки dвх мм 10.753
Толщина выходной кромки dвых мм 4.493
Угол входа потока в СА α0 град 90
Угол выхода потока из СА α1 град 16
Толщина стенки лопатки СА δ мм 2
Средний диаметр ступени Dср мм 1281.8
Число лопаток СА z шт 48

Была выбрана конвективная система охлаждения сопловой лопатки с петлевой схемой течения охлаждающей среды (пара).

Из аналитического расчета системы охлаждения СА первой ступени ТВД было получено значение необходимого расхода охлаждающего пара через лопатку СА, его температура и давление (Gохл=0.85 кг/с, Tохл=580К, Pохл=8МПа) для поддержания температуры стенки лопатки в допустимых пределах, а именно не более 1173 К. Эта температура обуславливается свойствами материала лопатки – сплав ЖС6-К.

Рисунок 1. Схема охлаждения лопатки СА

Далее был проведен проверочный расчет в пакете ANSYS WORK BENCH.

Расчет проводился в два этапа:

  • Расчет обтекания профиля сопловой лопатки
  • Расчет температурного состояния сопловой лопатки

При расчете обтекания профиля сопловой лопатки в качестве расчетной области для выбиралась периодическая часть, содержащая одну лопатку. Для построения сетки вокруг лопатки в проточной части первой ступени ТВД использовалась программа CFX TurboGrid.

Для построения сетки применялся шаблон Generic Multi-Block Grid в CFX TurboGrid, который предполагает построение многоблочной О-сетки около поверхности лопатки и многоблочной Н-сетки в межлопаточном канале, областях вверх и вниз по течению. Расчетная сетка содержит 22392 ячеек.

Для создания расчетной области использовалась импортированная из CFX TurboGrid расчетная сетка. Граничные условия определялись на всех поверхностях и включали условия на твердых стенках, условия на входе и на выходе ступени:

  • Граничные условия на твердых стенках (поверхности лопатки, втулки, корпуса) были определены как условия неприлипания на гладкой адиабатической стенке.
  • Граничные условия на входе в СА задавались с фиксацией полного давления (8.668 МПа), полной температуры (1673 К), параметров турбулентности (степень турбулентности 0,05).
  • Граничные условия на выходе из СА задавались с фиксацией среднего по площади выхода статического давления (4.838 МПа).
  • На периодических границах областей определялись условия периодического интерфейса между боковыми сторонами расчетной области.

В качестве модели турбулентности была принята модель переноса касательных напряжений SST kw. Данная модель эффективно сочетает устойчивость и точность стандартной kw модели в пристеночных областях и ke  модели на удалении от стенок.

 

В результате расчета были получены распределения температур, давлений и скоростей по потоку и по высоте лопатки, а также распределение коэффициентов теплоотдачи по обводу профиля лопатки.

Для расчета температурного поля сопловой лопатки были созданы 3-D модели сопловой лопатки и рабочей среды. Далее, в программе Ansys ICEM CFD были созданы расчетные сетки для лопатки и для охлаждающей среды отдельно. В дальнейшем эти сетки были соединены при помощи GGI-интерфейса.

Граничные условия:

  • На поверхности лопатки – распределение коэффициента теплоотдачи и полная температура T*г.
  • На входе в систему охлаждения – полное давление пара и его температура (Pохл=8МПа , Tохл=580К), на выходе – расход охлаждающей среды (Gохл=0.85 кг/с)

Рисунок 9. 3-D модели лопатки и охлаждающей среды

В результате расчета было получено трехмерное распределение температуры стенки лопатки

Рисунок 10. Распределение температуры стенки сопловой лопатки

Рисунок 11. Распределение температуры стенки сопловой лопатки по сечениям

Полученные результаты, а именно превышение допустимой температуры у выходной кромки ближе к втулочному сечению и у входной кромки объясняется характером течения охлаждающей среды внутри системы охлаждения лопатки.

Рисунок 12. Линии тока в системе охлаждения сопловой лопатки

Список литературы:

  1. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок: / В.Л. Иванов, А.И. Леонтьев, Э.А. Манушин, М.И. Осипов; Под ред. А.И. Леонтьева. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.–592 с.
    РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ СОПЛОВОГО АППАРАТА ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
    Проведено исследование температурного состояния соплового аппарата первой ступени турбины высокого давления, охлаждаемого паром.
    Written by: Крисанов Артем Евгеньевич, Пигарев Владимир Михайлович, Меринов Сергей Владиславович, Жариков Василий Васильевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 01/18/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_28.11.15_11(20)
    Available in: Ebook