image
energas.ru

Газовая промышленность № 4 2017

Транспортировка газа и газового конденсата

01.04.2017 11:00 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, УСТАНОВЛЕННОГО В ЗАЩИТНОМ КОЖУХЕ
Обеспечение работоспособности элементов газотурбинных двигателей (ГТД) является одной из приоритетных инженерных задач. При этом очень важен вопрос обеспечения теплового состояния корпусных элементов ГТД, работающих в шумотеплоизолирующих кожухах (КШТ). Поэтому на этапе проектирования необходимо располагать универсальными методами моделирования теплового состояния корпуса ГТД и его элементов. Методы моделирования должны давать корректные результаты, характеризующие тепловое состояние корпуса ГТД, в зависимости от его геометрии, конструкции КШТ и параметров и схемы работы системы внешнего охлаждения корпуса двигателя, обеспечивающей отвод тепла изнутри кожуха. В статье предлагаются три универсальных метода моделирования теплового состояния корпуса ГТД: одномерный, двухмерный и трехмерный. Представлены краткое описание методов, их преимущества и недостатки, специфика их применения. Верификация результатов, полученных по предлагаемым методам, выполнена на основе моделирования и экспериментального исследования прототипа современного ГТД мощностью 16 МВт. Результаты верификации предлагаемых методов указывают на высокую степень совпадения расчетных и экспериментальных данных при моделировании двухмерным и трехмерным методами. Исследование показало, что предлагаемый одномерный метод моделирования может быть использован для проведения экспресс-анализа на предварительных этапах проектирования, но в некоторых наиболее сложных для данного типа моделирования ситуациях метод может давать значительные несовпадения. В большинстве случаев для выполнения анализа можно ограничиться двухмерным моделированием как более быстрым, чем трехмерное, и в то же время достаточно достоверным методом.
Ключевые слова: ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ШУМОТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИЙ КОЖУХ, УКРЫТИЕ, ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ, МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ, СИСТЕМА ВНЕШНЕГО ОХЛАЖДЕНИЯ, КОРПУС, ВЕНТИЛЯЦИЯ, ТУРБИНА, ТЕРМОМЕТРИРОВАНИЕ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.
Открыть PDF


Для разработчиков газотурбинного оборудования разработка методов обеспечения работоспособности элементов ГТД, функционирующих в условиях высоких температур и значительных температурных градиентов, является одной из самых серьезных инженерных проблем.

Наряду с развитой системой внутреннего охлаждения высокотемпературные газовые турбины очень часто имеют в своем составе КШТ, выполняющий функции снижения уровня шума до требуемых величин и корректной организации движения потоков охлаждающего воздуха вокруг турбоблока.

1.png

Основной задачей при этом является стремление обеспечить необходимый уровень наружных температур корпусных элементов, избежать коробления корпусов, защитить средства измерения, расположенные на ГТ, от воздействия высоких температур и т. д.

КШТ применяют в своих установках фирмы НПО «Сатурн», РЭП «Холдинг», GE, Siemens, Rolls­Royce, «Зоря­Машпроект» и др. Несмотря на кажущуюся простоту технических решений, следует отметить, что проектирование КШТ достаточно сложно с инженерной точки зрения в связи с тем, что кожух призван помочь решить большой спектр задач.

Внутри КШТ размещается ГТД со своими вспомогательными системами – маслоснабжения, топливоподачи, стартовой системой и т. д. Одновременно с требованиями обеспечения хорошего доступа к элементам этих систем необходимо организовать правильное движение охлаждающих воздушных потоков для достижения перечисленных ранее целей.

Схематически система внешнего охлаждения ГТД представлена на рис. 1.

1_1.png

Принцип действия системы внешнего охлаждения ГТД основан на следующей последовательности. Предварительно атмосферный воздух очищается от загрязнителей на блоке фильтров и подается в переднюю (холодную) часть кожуха вентилятором. Передняя часть, в которой располагается осевой компрессор, условно может быть названа холодной частью. Оттуда воздух поступает в горячую часть – зону камеры сгорания, турбины и выхлопного патрубка, «снимая» тепло с горячих поверхностей двигателя. Далее нагретый воздух через выходное окно поступает в атмосферу в зоне, удаленной от воздухозаборников ГТД и исключающей попадание теплых воздушных масс в воздухоприемное устройство.

Таким образом, система внешнего охлаждения обеспечивает требуемое тепловое состояние ГТД и вспомогательного оборудования, установленного в КШТ, т. е. она поддерживает температуры корпуса ГТД и оборудования на уровне, не превышающем проектные значения.

1_1_1.png

Так, исследования согласно [1] показывают, что повышение температуры наружного корпуса ГТД на 60 °С относительно проектных значений привело к дополнительному тепловому расширению корпуса, вследствие чего увеличились относительные радиальные зазоры между ротором и статором силовой турбины приблизительно на 0,3 %. Это привело к уменьшению КПД силовой турбины на 0,8 % и мощности ГТД на 2,1 %. Дополнительным критерием корректной работы системы внешнего охлаждения является правильная организация отвода тепла, так как неравномерное охлаждение корпуса ГТД вызывает его деформации [2], что может привести к изменению размеров радиальных зазоров, изменить КПД и даже вызвать механические повреждения.

Сказанное свидетельствует о том, что на этапе проектирования ГТД необходимо учитывать тепловое состояние корпуса двигателя и оборудования в КШТ, а значит, моделировать его во всем диапазоне изменения режимов и условий работы ГТД. При этом методики моделирования должны быть универсальными и позволять корректно описывать процессы теплопередачи независимо от конструкции кожуха, корпуса ГТД и вспомогательного оборудования, схемы и параметров системы внешнего охлаждения.

1_1_2.png

Методики моделирования теплового состояния

Существуют три основные методики моделирования теплового состояния: одномерная, двухмерная и трехмерная. Одномерная методика основана на фундаментальных законах теплопередачи через цилиндрическую стенку с учетом излучения. В ней коэффициенты конвективной теплоотдачи определяются по критериальным уравнениям, а теплообмен излучением –
по уравнению Стефана – Больцмана [3]. Двухмерная и трехмерная методики основаны на численных методах решения основных уравнений сохранения массы, импульса, энергии, момента импульса. Система уравнений дополняется моделью турбулентности, излучения, уравнением состояния для газов и др. Для реализации двухмерной и трехмерной методики авторами статьи применен программный пакет Ansys Fluent.

Одномерная методика. Корпус ГТД разделяется на произвольное число участков (рис. 2), каждый из которых представляет многослойную цилиндрическую стенку с произвольным числом слоев. Каждый слой стенки моделирует деталь корпуса или воздушную прослойку на исследуемом участке (рис. 3).

Внутренний слой стенки, расположенный на меньшем радиусе, контактирует с газом в проточной части, а наружный – с охлаждающим воздухом в КШТ. На этих границах коэффициенты теплоотдачи определяются по критериальным уравнениям Нуссельта при условии равномерного обтекания цилиндрических стенок. Диаметры разделения слоев определяются из значений эквивалентных площадей деталей.

Методика заключается в последовательном решении системы уравнений конвективной теплопередачи с учетом излучения через многослойную цилиндрическую стенку для каждого участка и может быть построена на основе трудов акад. М.А. Михеева [4].

Очевидно, что одномерная методика позволяет быстро оценить тепловое состояние корпуса ГТД, не требуя специального программного обеспечения. Но чем больше элементов в конструкции корпуса ГТД и сложнее его конфигурация, тем ниже корректность моделирования при использовании одномерной методики. В частности, наличие внутреннего охлаждения элементов корпуса, например полок соплового аппарата или пленочного охлаждения жаровой трубы камеры сгорания, а также прерывистых и неравномерно расположенных в окружном направлении деталей корпуса, значительно усложняет применение методов одномерного моделирования, снижая точность его оценок.

Двухмерная методика. Точность моделирования может быть существенно повышена при учете дополнительных факторов и переходе к двухмерной постановке задачи. Двухмерная методика в плоской осесимметричной постановке с учетом закрутки потока в окружном направлении требует больше расчетного времени, чем одномерная, а также специального программного обеспечения, но она предоставляет более высокую степень детализации, позволяет учитывать внутреннее охлаждение и локальные источники тепла, строить аэродинамическую картину течения.

При двухмерной постановке задачи основные допущения заключаются в следующем. Ввиду решения плоской осесимметричной задачи отсутствует возможность задания тел лопаток внутри проточной части, а значит, и возможность учета их влияния на поток и теплообмен.

Для того чтобы выполнить имитацию лопаток, проточную часть можно разделить на подобласти, каждая из которых имеет свой вход и выход, где задаются граничные условия.

В качестве таких подобластей могут быть выбраны зоны рабочего и соплового аппарата, камера сгорания, межвенцовые зазоры, зона внешнего охлаждающего воздуха внутри КШТ и др.

На основании построенной расчетной области (рис. 4) строится конечно­элементная сетка с согласованными на границах подобластей узлами. В качестве исходных данных для всех подоб­ластей проточной части используются осредненные по высоте каналов результаты газодина­мических расчетов исследуемого ГТД. То есть закрутка потока по высоте канала на каждом входе не учитывается, а значит, угол входа потока в подобласти задается одинаковым по высоте. Учет относительного движения в рабочем аппарате турбин выполняется заданием вращения соответствующих под­областей.

Для корректного учета теплопроводности деталей корпуса и проточной части моделируются физические свойства их материалов на основе справочных данных.

Трехмерная методика. Еще более высокая степень детализации может быть достигнута при переходе к трехмерному подходу, при котором появляется возможность отступить от осесимметричной постановки, а значит, учесть прерывистые и неравномерно расположенные в окружном направлении детали корпуса. Трехмерное моделирование может учитывать гравитационные эффекты, которые существенны для низкоскоростных течений и задач конвективного теплопереноса. Но при полном моделировании внутренних элементов ГТД время расчета значительно увеличивается по сравнению с двухмерным моделированием.

В целях сокращения расчетного времени достаточно разделить корпус ГТД на участки аналогично одномерному моделированию и задать на них исходные данные, полученные при двухмерном моделировании, например тепловой поток с внутренней стенки корпуса. Стенка корпуса на участках моделируется условно­эквивалентной стенкой, для которой задаются эквивалентная толщина и свойства материала. Это позволит не моделировать внутренние компоненты ГТД.

Очевидно, что при таком подходе средний уровень температур на наружной стенке ГТД, определенный в трехмерной постановке, будет близок к результатам двухмерного моделирования, но будет определена неравномерность нагрева корпуса ГТД (рис. 5). Это основная задача трехмерного моделирования.

1_1_3.png 

Моделирование прототипа ГТД и сравнение результатов с экспериментом

Верификация результатов, полученных при численном моделировании процессов внешнего охлаждения, может быть проиллюстрирована на примере анализа теплового состояния корпусов одного из современных двухвальных стационарных ГТД с номинальной мощностью на валу турбины низкого давления 16,5 МВт при КПД двигателя 37 %.

Двигатель имеет расход циклового воздуха 54,3 кг/с при степени повышения давления в осевом компрессоре 19,1. Номинальные частоты вращения турбин высокого и низкого давлений составляют 10 200 и 7800 об/мин, соответственно. В газогенератор двигателя входит 12­ступенчатый осевой компрессор. Камера сгорания – кольцевая, с системой сухого подавления оксидов азота. Турбина высокого давления оснащена охлаждаемыми сопловыми лопатками и рабочими лопатками с термобарьерным покрытием. Двухступенчатая осевая турбина низкого давления – неохлаждаемыми лопатками и поворотными лопатками соплового аппарата первой ступени.

Таким образом, в составе данного ГТД – практически весь возможный набор конструктивных элементов, которые могут встречаться в ГТД.

Для измерения температуры на наружной стенке корпуса ГТД были установлены термопары, размещенные по 4 шт. в семи сечениях горячей части ГТД (рис. 6). Таким образом, на поверхности корпуса ГТД контролировались 28 значений температуры.

1_1_4.png

Корпус ГТД не имеет внешней теплоизоляции, так как она приводит к повышению его рабочей температуры, что требует применения более жаропрочных материалов, а значит, приводит к удорожанию ГТД. Но рассматриваемый ГТД имеет внутреннюю теплоизоляцию – теплоизоляционные кольцевые вставки внутри корпуса в зоне камеры сгорания, турбин и выходного диффузора, которые закреплены на внутренней стенке корпуса ГТД.

Двигатель со вспомогательным оборудованием установлен внутри КШТ (рис. 7). Подвод охлаждающего воздуха в КШТ осуществляется в передней холодной части через отверстие в крыше кожуха, а выход расположен асимметрично в зоне камеры сгорания ГТД в стенке КШТ.

1_1_5.png

Для исключения влияния динамики нагрева после достижения номинальной мощности ГТД по каждому значению температуры строилась зависимость от времени в течение 3 ч. По построенным зависимостям выбирались значения, которые не изменялись с течением времени, т. е. зависимость в графическом виде выходила на горизонтальную полку. Дополнительно значения температур осреднялись по времени.

Измерения выполнены при расходе охлаждающего воздуха 7,16 кг/с (13,2 % от расхода циклового воздуха двигателя), температуре охлаждающего воздуха на входе в кожух 12,4 °C, полезной мощности ГТД, приведенной к нормальным условиям, 16,5 МВт.

Температура охлаждающего воздуха на выходе из кожуха составила 43,1 °С. То есть подогрев охлаждающего воздуха достиг величины DТ = 30,7 °С, что соответствует суммарному теплосъему с поверхности корпуса ГТД и оборудования, установленного внутри КШТ, 220 кВт.

1_1_6.png

Результаты моделирования и экспериментальных измерений представлены на рис. 8. На диаграмме по горизонтальной оси значение 0 совпадает с входным сечением корпуса осевого компрессора двигателя, координата 3,6 м – с сечением выхода газа из проточной части турбины низкого давления в выхлопной патрубок.

Результаты, приведенные на рис. 8, указывают на хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных при двухмерном и трехмерном моделировании. Результаты, полученные при одномерном моделировании, могут быть использованы для проведения экспресс­анализа, но в некоторых наиболее сложных для данного типа моделирования ситуациях данный метод может давать значительные (до 150 °С) несовпадения.

Близкое положение кривых, полученных при двухмерном и трехмерном моделировании, и их высокую степень эквидистантности друг к другу можно объяснить тем, что трехмерный анализ базировался на исходных данных, полученных в результате двухмерного анализа, а именно на величинах удельного теплового потока.

Таким образом, можно сделать вывод, что в большинстве случаев для выполнения анализа можно ограничиться двухмерным моделированием как более быстрым и в то же время достаточно достоверным методом.

Результаты исследования показывают, что предлагаемые методики позволяют моделировать тепловое состояние корпуса ГТД и получать качественные результаты на различных этапах проектирования ГТУ.



← Назад к списку