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 | Gг | 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 k—w. Данная модель эффективно сочетает устойчивость и точность стандартной k—w модели в пристеночных областях и k‑e 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:
- 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.[schema type=»book» name=»РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ СОПЛОВОГО АППАРАТА ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ» description=»Проведено исследование температурного состояния соплового аппарата первой ступени турбины высокого давления, охлаждаемого паром.» author=»Крисанов Артем Евгеньевич, Пигарев Владимир Михайлович, Меринов Сергей Владиславович, Жариков Василий Васильевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-18″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_28.11.15_11(20)» ebook=»yes» ]