Автореферат (Разработка научно-методологических основ создания перспективных высокотемпературных энергетических комплексов), страница 7

С применением методов моделирования проведено исследование влияния установкипротивовихревых решеток различной конфигурации на структуру течения в выхлопном патрубке. Показано, что наибольший эффект по гашению вихревого течения и выравниваниюполя скоростей обеспечивает конструкция, состоящая из пластинчатой решетки, расположенной в зоне выхода потока из диффузора, и квадратной решетки, расположенной со сторонывхода пара в патрубок за внешним обводом диффузора. В результате за решеткой сохраняютсятолько небольшие области вихревого течения (рисунок 19), а коэффициент полных потерьснижается до ζп = 0,984.Скорость, м/с37804284126168210252294336а) поле скоростей на выходе изб) линии тока в корпусепротивовихревых решетоквыхлопного патрубкаРисунок 19 – Результаты моделирования течения в выхлопном патрубкеС целью проведения верификации полученных результатов были созданы масштабныемодели предложенных решений, с использованием разработанных программ и методик проведен комплекс экспериментальных исследований, результаты которых подтвердили достоверность полученных на основе методов математического моделирования данных.25Наиболее сложным элементом разрабатываемых высокотемпературных энергоустановокявляются охлаждаемые лопаточные аппараты, при проектировании которых верификация полученных расчетных данных с целью определения точности и адекватности применяемых расчетных моделей проводится на образцах деталей, изготовленных по серийной технологии, чтообуславливает длительность и высокую стоимость процесса проектирования.

Уровень развития технологий аддитивного производства деталей из металлических порошков создает предпосылки для совершенствования методики проектирования, направленного на сокращениесроков разработки теплонапряженных деталей за счет изготовления прототипов для проведения теплогидравлических испытаний по SLM-технологии. При этом в целях обеспечения необходимого уровня качества проектных решений требовалось проведение комплекса исследований, обосновывающих возможность использования прототипов, изготовленных по аддитивной технологии, для проведения соответствующих испытаний.Глава 4 посвящена разработке методики проектирования теплонапряженных деталей высокотемпературных турбоустановок.Переход к повышенным параметрам на паротурбинных энергоблоках ставит задачу создания эффективных систем охлаждения.

Несмотря на то, что максимальная температура в проточной части турбины блока с ультрасверхкритическими параметрами пара не превышает760 °С и уже сейчас существуют материалы, применяемые в газотурбостроении, способныедлительно работать при температурах до 860-900 °С, задачей системы охлаждения являетсяподдержание температуры деталей на значительно меньшем уровне с целью снижения стоимости турбины за счет применения более дешевых конструкционных материалов и обеспечение заданного ресурса работы. Дальнейшее повышение начальных параметров пара путем перехода к гибридным энергоблокам с применением водородно-кислородных камер сгорания,позволяющих осуществлять перегрев пара до 1200-1700 °С, при существующем уровне развития материалов приводит к необходимости охлаждения теплонапряженных деталей проточной части высокотемпературной паровой турбины.Разработка методики проектирования теплонапряженных деталей осуществлена на примере наиболее нагруженного элемента высокотемпературной турбины – охлаждаемой рабочейлопатки.

Главной задачей совершенствования методики является сокращение сроков разработки детали за счет применения опережающей верификации расчетных моделей (тепловой игидравлической), подтверждения работоспособности конструкции и эффективности принятыхпроектных решений на основе испытания прототипа, изготовленного по SLM-технологии.Основными критериями, по которым можно судить о работоспособности и эффективности разработанной конструкции системы охлаждения лопатки, является коэффициент запасапрочности и относительный расход воздуха, достаточный для обеспечения рабочего уровнятемпературы металла детали.

Поэтому методика включает два взаимосвязанных модуля – тепловой, позволяющий производить моделирование теплового состояния, и прочностной (рисунок 20).Исходными данными для блока 1 являются геометрические параметры каналов и интенсификаторов теплообмена, выбор которых осуществляется на основе анализа прототипов. Выбор типа интенсификаторов и определение их ключевых характеристик при необходимостиреализуется путем проведения дополнительных экспериментальных исследований моделейотдельных участков каналов охлаждения (блок 2), которые могут быть изготовлены по SLMтехнологии в полном соответствии с геометрией внутренней полости исследуемого участкатракта охлаждения, что позволит получить достоверные данные для разработки гидравлической (блок 3) и тепловой моделей (блок 6).

Предлагаемый подход позволяет существенно повысить качество создаваемых расчетных моделей. Блок 7 обеспечивает моделирование температурных полей в сечениях лопатки при различных режимах. Исходными данными для моделирования распределения температур в сечении являются внешние граничные условия, формируемые в блоке 5 на основе результатов гидравлических (блок 3) и аэродинамических(блок 4) расчетов.2618Верификациятеплогидравлическоймодели∆ TbiИзготовление иэкспериментальныеисследованиямоделей каналовохлаждения213ГидравликаGgpbiРасчетобтеканияПринятиерешенияTaiGai ReaiВарьированиепараметрами M(x,y)модели141716Расчет тепловогосостояния длямодельных условий αaiGaiReai46Граничные условия(внутренние)Gai ReaiTgiRegi λgiαaiTaiВыбор материала.Изготовлениепрототипа лопатки7TbiРасчет полейтемпературРасчетсуммарныхнапряжений1112АнализрезультатовРасчеттермическихнапряженийσTiαgi Tgi5Граничные условия(внешние)13Относительный Ga /Ggрасход воздуха15Испытаниепрототипа лопаткидля верификациимоделейCiЗапаспрочностиσ∑i89M(x,y)Смещениекоординатыцентра масс10Разработка конструкторской документацииРисунок 20 – Блок-схема методики проектирования лопаткиПрочностной модуль проектирования состоит из четыре блоков.

Блок 8 служит для определения термических напряжений в сечениях лопатки, обусловленных неравномерным распределением поля температур в сечении. Расчетный блок 9 позволяет определять суммарныенапряжения, вызванные центробежными нагрузками и нагрузками от газовых сил. Исходнойинформацией для моделирования являются выходные данные блока 8, а также газовыенагрузки, частота вращения ротора, характеристики материала и геометрические параметрылопатки. Блок компенсации изгибных нагрузок 10 предусматривает возможность измененияположения центра масс сечений лопатки с целью компенсации действующих изгибных напряжений от газовых и термических нагрузок. На основе данных о температурном состоянии лопатки и результатов прочностного анализа рассчитывается распределение коэффициента запаса прочности в сечениях лопатки (блок 11).Располагая данными об относительном расходе воздуха и коэффициенте запаса прочности, а также информацией о температурном поле лопатки, принимается решение о соответствии системы охлаждения заданным требованиям (блок 14).

В случае несоответствия требованиям технического задания на основе анализа запасов прочности в сечениях лопатки вносятся изменения в геометрию охлаждаемых каналов с целью корректировки температурногополя. После принятия решения о соответствии разработанной лопатки заданным критериямдо начала выпуска конструкторской документации на основе электронной модели детали осуществляется выбор материала (блок 15) и изготовление по SLM-технологии прототипа лопатки, предназначенного для проведения тепловых и гидравлических испытаний (блок 17). Порезультатам проведенных испытаний осуществляется верификация гидравлической и тепловой моделей охлаждаемой лопатки (блок 18).Достоинством применения аддитивных технологий для прототипирования является возможность быстро изготовить образец, готовый для проведения испытаний, с отверстиями длязамера статического давления, фланцами для подсоединения к рабочему участку испытательного стенда, что практически исключает необходимость выполнения работ по препарировке.Образец может быть изготовлен как в масштабе, так и в натуральную величину.27Верификация теплогидравлической модели проводится в блоке 18 посредством сравнениярезультатов испытаний прототипа с расчетными значениями.

В случае выявления недопустимых отклонений проводится уточнение гидравлической и тепловой модели, осуществляетсядоработка конструкции, после чего процедура верификации повторяется.Как показали результаты проведенных исследований, при освоении высокотемпературных паротурбинных установок целесообразно осуществлять перегрев до температур, не превышающих 1000-1200 °С, поскольку дальнейшее увеличение начальной температуры приводит к замедлению роста тепловой экономичности энергетического комплекса.

При указанномуровне начальной температуры возможна реализация конвективной системы охлаждения, неснижающей аэродинамической эффективности проточной части из-за нарушения структурытечения сбросом в поток охлаждающего агента. Для верификации моделей лопаток с конвективными системами охлаждения может быть использован метод калориметрирования в жидкометаллическом термостате, основанный на сравнении распределения расчетной плотноститеплового потока qр и плотности теплового потока, определенной по результатам испытанийпрототипа в жидкометаллическом термостате qц.

Используя расчетные значения температурыповерхности лопатки Θр для выбранного участка и задав величину допустимого отклонениябезразмерной температуры ΔΘ, допустимое отклонение (qц/qр)доп определяется по формуле (3).цр допΘр11Θр∆Θ11. (3)При условии qц/qр ≤ (qц/qр)доп можно считать, что расчетная модель адекватно описываетпроцессы теплообмена во внутренней полости лопатки.При проведении верификации расчетных моделей на изготовленном с помощью аддитивных технологий образце лопатки или канала возникает неопределенность свойств материалаобразца, обусловленная послойным спеканием металлического порошка.

При спекании возникает пористость материала, влияющая на его физические свойства, в частности на важныйдля рассматриваемого вида испытаний коэффициент теплопроводности λ, а также шероховатость поверхности, которая оказывает влияние как на гидравлические характеристики каналов, так и на коэффициент теплоотдачи.Для устранения указанных неопределенностей и обеспечения необходимого уровня достоверности и точности предлагаемого метода верификации произведен выбор материала дляизготовления прототипов охлаждаемых лопаток и каналов с использованием SLMтехнологии, а также проведены исследования для определения степени влияния применяемойтехнологии изготовления на указанные ключевые параметры.