На правах рукописи

Поткин Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА К ПРОЕКТИРОВАНИЮ

ОХЛАЖДАЕМЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН С

ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ РИСКОВ И СРОКОВ РАЗРАБОТКИ

05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки

летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Рыбинск – 2014 2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьёва»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Пиралишвили Шота Александрович

Официальные оппоненты:

Крылов Борис Анатольевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный авиационный институт (национальный исследовательский университет)», ведущий научный сотрудник Шифрин Борис Аронович, кандидат технических наук, ЗАО НПВП «Турбокон»

г. Калуга, начальник КБ термодинамических и газодинамических установок

Ведущая организация:

Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»), г. Санкт-Петербург

Защита состоится 14 мая 2014 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьёва» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина, 53, ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьёва».

Автореферат разослан « 12 » марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Характерной особенностью развития ГТД является переход к более высоким параметрам рабочего тела для улучшения экономичности. Ресурс ГТД определяется в первую очередь ресурсом рабочих лопаток первой ступени турбины высокого давления (ТВД). В связи с этим при создании современного ГТД первоочередное внимание уделяется достижению высоких ресурсных показателей лопаток рабочего колеса первой ступени ТВД с учетом обеспечения требований по газодинамической эффективности.

На этапе проектирования новой перспективной охлаждаемой турбины необходимо определиться с конструктивным обликом системы охлаждения рабочего колеса ТВД. Существующие наработки по системе охлаждения турбиныпрототипа не всегда полностью обеспечивают правильность принятого решения. Для изучения проблемы обеспечения газодинамической эффективности и работоспособности охлаждаемого рабочего колеса на этапе эскизного проектирования предлагается комплексный теплофизический подход, учитывающий газодинамические в проточной части, гидравлические в каналах системы охлаждения, тепловые и прочностные характеристики процессов, происходящих при работе ТВД.

Цель работы: на основе анализа разработать обобщающий параметр теплонапряжённого состояния охлаждаемого рабочего колеса высокотемпературной перспективной турбины с учетом её газодинамической эффективности, позволяющий осуществить комплексную оценку системы охлаждения, а также снизить риски и сроки разработки рабочего колеса на этапе проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Экспериментально изучить влияние параметров подачи охладителя на эффективность процесса охлаждения элементов проточной части турбины;

2. С использованием проведенного экспериментально-аналитического обобщения разработать параметр комплексной оценки качества создаваемой системы охлаждения рабочего колеса, учитывающий различные физические процессы, происходящие при работе ТВД;

3. Разработать методику проектирования высокоэффективной системы охлаждения рабочего колеса газовой турбины с использованием комплексного параметра.

Научная новизна: на основании предложенной методики оценки качества системы охлаждения рабочего колеса турбины с использованием разработанного комплексного параметра получена расчётно-экспериментальная зависимость, позволяющая на этапе проектирования оценить эффективность системы охлаждения с учетом заданного ресурса, а также выполнить анализ различных физических процессов, происходящих при работе газовой турбины, выявляя наиболее эффективный вариант её конструктивного исполнения.

На защиту выносятся:

1. Методология комплексного подхода к решению задачи проектирования охлаждаемого рабочего колеса газовой турбины;

2. Результаты численно-экспериментального определения комплексного параметра, характеризующего теплонапряженное состояние охлаждаемого рабочего колеса газовой турбины с учетом различных физических процессов.

Практическая полезность и реализация результатов:

Практическая ценность работы заключается в разработке метода, позволяющего на этапе эскизного проектирования комплексно оценить эффективность газодинамических процессов, процессов теплообмена и прочностные характеристики рабочего колеса ТВД ГТД.

Разработанный метод включен в процессы проектирования и доводки охлаждаемых газовых турбин на ОАО «НПО «Сатурн».

Достоверность научных результатов:

1. Достигается применением фундаментальных положений термогазодинамики рабочего цикла, постановкой опытов с применением аттестованного метрологического оборудования и датчиков;

2. Подтверждается совпадением полученных результатов с экспериментальными характеристиками турбин высокого давления ГТД отечественного и зарубежного производства, а также с экспериментальными характеристиками турбин ГТД различного назначения, разработанных в ОАО «НПО «Сатурн».

Апробация работы: основные результаты работы обсуждены на конференциях:

- LV научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин (Рыбинск: ОАО НПО «Сатурн», ОАО «ВТИ» 2008г.);

- Научно-практической конференции студентов и аспирантов по специальности «Авиационные двигатели и энергоустановки» (Рыбинск, РГАТА им. П.А. Соловьёва, 2009г.);

- Международном научно-техническом форуме, посвящённом 100-летию ОАО «КУЗНЕЦОВ» и 70-летию СГАУ (Самара, СГАУ, 2012 г.);

- научно-методическом семинаре кафедры ОиТФ РГАТУ им. П.А. Соловьёва, в ноябре 2013 года.

Личный вклад автора. Расчётно-экспериментальные исследования, обработка экспериментальных данных, создание методики проектирования рабочего колеса турбины с использованием комплексного параметра, а также подготовка и проведение экспериментального исследования охлаждаемого рабочего колеса турбины в составе опытного газогенератора на испытательном стенде проведены при участии и под руководством автора.

Публикации: основные материалы диссертации опубликованы в 8 статьях, из которых 7 опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы: диссертация изложена на 134 страницах и включает в себя 55 иллюстраций, 14 таблиц. Работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка используемой литературы из 113 наименований, приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформированы цели и задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе выполнен обзор схем подвода охлаждающего воздуха к лопаткам рабочего колеса ТВД. При обзоре использованы источники с конструктивными и параметрическими данными по турбинам ГТД отечественного и зарубежного производства. По конструктивному признаку выявлены десять наиболее распространённых схем подачи воздуха на охлаждение рабочих лопаток ТВД (таблица 1). Существующие системы охлаждения рабочих колес отличаются конструктивным многообразием, которое определяется широкой областью применения.

Таблица 1 - Перечень схем подвода воздуха на охлаждение рабочих колес турбин ГТД Номер схемы Через аппарат предварительной закрутки и отверстия в диске рабочего колеса.

Через аппарат предварительной закрутки и пазы в диске рабочего Через аппарат предварительной закрутки, напорный диск и отверстия в диске рабочего колеса.

Через аппарат предварительной закрутки из преддисковой полости Через ротор и отверстия в диске рабочего колеса.

Через ротор, напорный диск и отверстия в диске рабочего колеса.

Через аппарат предварительной закрутки, напорный диск и пазы в диске рабочего колеса.

Через ротор, напорный диск и пазы в диске рабочего колеса.

Через ротор и пазы в диске рабочего колеса.

Через аппарат предварительной закрутки, каналы подкачки и отверстия в диске рабочего колеса.

Для однозначного определения облика системы охлаждения рабочего колеса ТВД на начальных этапах её создания сделана попытка ввода комплексного безразмерного параметра, включающего в себя показатели газодинамики, гидравлики, теплообмена и прочности.

Во второй главе собраны экспериментально-расчётные параметры по тепловым, газодинамическим, конструктивным и прочностным характеристикам ТВД 23-х ГТД отечественного и зарубежного производства. При проектировании и доводке турбин ГТД различного назначения имеют место отличающиеся подходы конструктивного исполнения систем двигателя, в том числе и системы охлаждения турбины. Отличия данных подходов связаны с различными ресурсными показателями, предъявляемыми в технических требованиях от заказчика того или иного ГТД. В работе проведено разделение ГТД по следующим назначениям:

- ГТД промышленного и энергетического применения (ПиЭГТД);

- ГТД гражданской авиации и морского назначения (Гражд. и морск. назн.);

- ГТД военной авиации (Воен. авиация).

Рассмотрены процессы, определяющие эффективную работу системы охлаждения рабочего колеса турбины: газодинамика, гидравлика, теплообмен и прочность. При проведении анализа использовались известные по техническому заданию параметры рабочего колеса турбины и параметры, для определения которых не требуется проведения сложных расчётов.

Оценку влияния выдува воздуха из системы охлаждения лопаток рабочего колеса на газодинамические характеристики турбины предлагается проводить с использованием следующего безразмерного параметра:

запишем:

В числитель первого сомножителя данного параметра поставлен эффективный КПД, основная характеристика газовой турбины с точки зрения газодинамического совершенства. В знаменатель первого сомножителя поставлена сумма эффективного к.п.д. турбины и снижения данного КПД от выт.е. КПД турбины без влияния выдува воздуха из рабочих лопаток дува охлаждающего воздуха из лопаточного венца рабочего колеса.

В выражениях (1) и (2):

- - расход воздуха через систему охлаждения рабочих лопаток, кг/с;

- - расход газа в проточной части на входе в ступень газовой турбины, кг/с;

- - располагаемые энергии основного потока и охлаждающего воздуха, Дж/кг.

В первом приближении снижение эффективного КПД турбины (*т.охл.РЛ) предложено рассчитывать по одномерному газодинамическому расчёту. Для случаев осуществления всех отборов воздуха за компрессором можно ориентировочно принять, что 0,5. Тогда для рабочих лопаток первой ступени турбины, охлаждаемых закомпрессорным воздухом, запишем:

Поделив числитель и знаменатель первого сомножителя в выражении (3) на и введя обозначение окончательно запишем:

где - коэффициент снижения эффективного КПД турбины за счёт выдува охлаждающего воздуха из рассматриваемого рабочего колеса.

Чем больше значение параметра 1, тем выше эффективность рабочего колеса турбины с точки зрения газодинамики.

Оценка потерь давления в системе охлаждения рабочего колеса проводится по безразмерному параметру:

Рвх – статическое (или полное в зависимости от конструктивного исполнения места отбора) давление воздуха в компрессоре на входе в систему отбора воздуха на охлаждение рабочих лопаток турбины, Па;

Рвых – статическое давление на выходе из системы охлаждения рабочих лопаток турбины (давление газа в проточной части турбины), Па;

Р*к – полное давление воздуха за компрессором, Па;

В числителе параметра 2 находится располагаемый перепад давления на системе охлаждения рабочего колеса ТВД. В знаменатель параметра 2 введено значение перепада давления газа на ТВД *т в степени отношения номера рассматриваемой ступени Nст к общему числу ступеней турбины Zст. При рассмотрении рабочего колеса первой ступени турбины газогенератора Nст=1. Величина в первом приближении характеризует степень понижения давления газового потока в проточной части турбины до места сброса охладителя из системы охлаждения рабочих лопаток.

Параметр 2 является отношением перепада давления на системе охлаждения рабочего колеса до места сброса его в проточную часть к степени понижения давления газового потока в проточной части турбины до места сброса охлаждающего воздуха. Чем выше параметр 2, тем более высокоперепадной будет система охлаждения рабочего колеса и, соответственно, имеется возможность для реализации более сложных интенсификаторов теплообмена, пленочного охлаждения пера рабочих лопаток и форсирования системы по расходу охлаждающего воздуха.

Анализ совершенства системы охлаждения рабочего колеса турбины предложено проводить с использованием безразмерного параметра, представляющего отношение осредненного удельного теплового потока через поверхность рабочей лопатки при её охлаждении к потребному удельному тепловому потоку, т.е. к удельному тепловому потоку при обеспечении потребной температуры материала лопатки на заданный ресурс:

Удельный тепловой поток пропорционален разности температур и коэффициенту теплоотдачи, который в свою очередь при турбулентном режиме течения пропорционален величине расхода охлаждающего воздуха в степени 0,8. Учитывая вышесказанное, запишем выражение для 3 в следующем виде:

В выражении (7):

- средняя по профилю эффективность охлаждения рабочей лопатки;.

– потребная на заданный ресурс эффективность охлаждения рабочей лопатки;

где Т*г.w – температура газа в осевом зазоре перед рабочим колесом турбины в относительном движении, К;

Т*в.вх – температура охлаждающего воздуха на входе в рабочую лопатку, К;

Тл – экспериментально замеренная (или расчётная) средняя температура на поверхности рабочей лопатки, К. При отсутствии экспериментальных данных для разрабатываемой лопатки, используются экспериментальные данные, полученные на лопатке - прототипе;

[Тл] – допустимая из условий прочности средняя температура материала лопатки на заданный ресурс, К;

– расход охлаждающего воздуха через лопатки рабочего колеса, отнесённый к расходу воздуха на входе в компрессор, Gк;

– потребный для обеспечения эффективности охлаждения расход охлаждающего воздуха через лопатки рабочего колеса, отнесённый к расходу воздуха на входе в компрессор, Gк.

Предварительно в процессе выполнения эскизного проекта и при данном анализе величина определялась согласно:

где А – коэффициент, определяемый по известным значениям и для лопатки-прототипа по формуле:

При отсутствии данных по лопатке-прототипу предварительно:

- А=3,5 - для лопаток с конвективно-пленочным охлаждением;

- А=6,0 - для лопаток с конвективным охлаждением.

При величине, превышающей допустимый расход по требованиям технического задания, а также величины 6,5%, необходимо на данном этапе принять меры для её снижения: замена материала лопатки, нанесение на поверхность рабочей лопатки керамического покрытия, применение теплообменника для снижения температуры охлаждающего воздуха и прочее.

Допустимая из условий прочности средняя температура материала лопатки определяется из уравнения:

где P – параметр Ларсона – Миллера, характеризующий длительную прочность материала лопатки;

–требуемый ресурс по ТЗ для проектируемой турбины или фактический ресурс для турбины, находящейся на этапах доводки и серийной эксплуатации, час;

С – постоянная, зависящая от уровня действующих напряжений.

Для определения параметра Ларсона – Миллера напряжение дл для лопаток рабочего колеса находится как:

где кв – коэффициент запаса прочности по несущей способности.

- напряжения в корневом сечении пера рабочей лопатки по расчёту, Па.

Параметр 3 показывает отношение средней по профилю эффективности охлаждения рабочей лопатки к требуемой эффективности охлаждения потр с учетом фактического и потребного расходов охлаждающего воздуха через систему охлаждения лопаток рабочего колеса. Чем выше параметр 3, тем система охлаждения рабочей лопатки и система подвода воздуха к РК более эффективна, так как при этом обеспечивается более высокий теплосъем с лопатки при потребной величине расхода охладителя.

На этапе проектирования любого ГТД, когда еще не известны конструктивные решения, которые будут заложены в его облик, учет прочностных параметров при оценке эффективности и работоспособности системы подвода воздуха на охлаждение рабочих лопаток турбины проблематичен. Определённые прочностные показатели характеризующие ступень охлаждаемой турбины ввести возможно. Предлагается рассмотреть прочностной параметр, представляющий из себя отношение действующих на рабочие лопатки напряжений растяжения к пределу прочности материала при температуре 800°С. Указанное значение температуры принято исходя из среднестатистических данных по температуре рабочих лопаток, при которой обеспечивается потребный ресурс турбин различных ГТД.

Распишем коэффициент 4 следующим образом:

где mл – масса пера лопатки, кг;

Sл – площадь металла лопатки в среднем сечении пера, м2;

aцб –центробежное ускорение на радиусе среднего сечения, м/с2;

– угловая скорость вращения, рад/с;

n – частота вращения рабочего колеса турбины, с-1;

Rл – радиус среднего сечения пера лопатки, м.

Учитывая, что приближенно допускается принять, запишем:

где – Fax – аксиальная площадь прочной части на выходе из рабочего колеса, м2;

– hл – высота пера рабочей лопатки, м;

окончательно можно записать:

Чем выше параметр 4, тем система охлаждения рабочей лопатки и система подвода воздуха к рабочему колесу более эффективна, так как обеспечивается работоспособность лопаток при бльших величинах действующих напряжениях р. При этом величина не должна превышать допустимых напряжений с учетом обеспечения нормируемого запаса прочности.

Каждый из введенных параметров 1, 2, 3 и 4 при бльших значениях характеризует систему охлаждения рабочего колеса с точки зрения её большей эффективности и работоспособности. Поэтому комплексный параметр, оценивающий систему охлаждения рабочего колеса первой ступени турбины, предлагается определять перемножением параметров 1, 2, 3 и 4. Запишем комплексный параметр в следующем виде:

Коэффициент является комплексным параметром эффективности и работоспособности системы подвода воздуха на охлаждение рабочих лопаток турбины ГТД, включающий в себя газодинамические, гидравлические, теплофизические и прочностные характеристики системы охлаждения рабочего колеса турбины. Чем выше коэффициент, тем система подвода воздуха более эффективна и обеспечивается бльший ресурс рабочих лопаток турбины. Зависимость коэффициента от температуры газа в осевом зазоре перед рабочим колесом первой ступени ТВД Т*г.рк представлена на рисунке 1. Зависимости параметра от температуры газа для ГТД трёх различных назначений достаточно хорошо укладываются по трем кривым линиям – трендам, проведенным по статистическим точкам значений параметра. С ростом температуры газа параметр снижается для трёх групп ГТД до значений =0,015…0,025, так как ресурс рабочего колеса снижается независимо от увеличения затрат охлаждающего воздуха. Основываясь на величинах, которые входят в комплексный параметр, данный минимум значений является границей эффективной работы системы подвода воздуха на охлаждение рабочих лопаток турбины. Согласно