РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ СОПЛОВОГО АППАРАТА ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

euroasia

9 лет назад

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	l_c	мм	71.684
Хорда сопловой лопатки	b_c	мм	126.721
Ширина сопловой лопатки	b_ас	мм	89.61
Диаметр входной кромки	d_вх	мм	10.753
Толщина выходной кромки	d_вых	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	D_ср	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 (G_охл=0.85 кг/с, T_охл=580К, P_охл=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 (P_охл=8МПа , T_охл=580К), на выходе – расход охлаждающей среды (G_охл=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» ]