Отзыв оппонента 2 (Исследование влияния параметров ГТУ и ПГУ на их характеристики на основе методики с детальным учетом потерь от охлаждения в газовой турбине)

отзыв официального оппонента д.т.н. Куменко Александра Ивановича о диссертационной работе Карпунина Алексея Павловича «Исследование влияния параметров ГТУ и ПГУ на их характеристики на основе методики с детальным учетом потерь от охлаждения в газовой турбине», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.04.12 — «Турбомашины и комбинированные турбоустановки».

Актуальность темы диссертационной работы. Актуальность темы данной работы не вызывает сомнений, так как определяется необходимостью развития и совершенствования методов расчета современных мощных энергетических установок, в том числе совершенствования методик расчета и выбора оптимальных начальных параметров и технико-зкономических показателей ГТУ и ПГУ для принятия обоснованных технических решений при их проектировании. Структура работы. Диссертационная работа Карпунина А.П.

изложена на 182 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключительных выводов по работе, подробного списка условных обозначений, списка литературы и приложения А с текстом программы. Работа содержит 34 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 81 наименования.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи работы, отражены научная практическая значимость полученных новизна, теоретическая и результатов. Так же обосновываются методология исследования и степень достоверности полученных результатов. Сформулированы пять основных положений, выносимых на защиту, и приведены сведения об апробации и публикациях по данной работе, ее содержании и структуре. В первой главе представлен обзор литературы, в котором автор выполнил анализ известных систем охлаждения, выполнил достаточно полный анализ конструкций, реализующих конвективное, перфорированное 1пленочное) и пористое воздушное охлаждение лопаток газовых турбин 1ГТ) сформулировал требования к современным системам охлаждения и обосновал выбор открытой системы воздушного охлаждения, ставшей объектом дальнейшего рассмотрения.

В разделе 1.2 кратко рассмотрены современные материалы и технологии изготовления лопаток ГТ и увязаны с вопросами охлаждения. В разделе 1.3 дана классификация дополнительных потерь в ГТ обусловленных охлаждением ее элементов - сопловых и рабочих лопаток, а так же рассмотрены потери энергии, затрачиваемые на сжатие и прокачку охлаждающего воздуха в компрессоре . Далее выполнен обзор и дан критический анализ существующих методик расчета охлаждаемых ГТ и тепловой схемы ПГУ. Показано, что в настоящее время отсутствуют опубликованные подробные методики расчета ГТ с системами открытого воздушного охлаждения. Имеющиеся методики носят приближенный характер и, видимо, справедливы только для некоторых ограниченных диапазонов начальных параметров. Отсутствует единый подход к определению величин дополнительных потерь, возникающих при применении системы охлаждения.

На основании проведенного анализа сформулированы четыре основные задачи, поставленные и решенные в последующих главах. Во второй главе излагается оригинальная методика теплового расчета охлаждаемой ступени газовой турбины. Методика основана на базирующейся на классических уравнениях предложенной модели, механики, аэродинамики и термодинамики процесса течения рабочего тела в межлопаточных каналах ступени: - законах сохранения массы, количества движения, энергии и уравнения состояния.

Такой подход к разработке методологии расчета обусловил ее высокий научный уровень, обоснованность и достоверность математической модели. А применение общепризнанных отработанных численных методов обеспечило необходимую точность последующих расчетов и достоверность полученных результатов. Затем приводится классический анализ течения в сопловых (рабочих) решетках с учетом только аэродинамических потерь. На базе этого расчета расширен круг дополнительных потерь, обусловленных как конвективным охлаждением, так и сочетанием конвективного и пленочно-заградительного охлаждения, сформулирован приближенный подход к расчету потерь в сопловых и рабочих решетках в общем случае и приведен общий алгоритм расчета охлаждаемой ступени.

Реализованный подход выполнен без учета изменения параметров по высоте решетки. Сформулированные методики подкреплены численными и графическими результатами, которые в заключении по главе 2 позволили сделать важные научные выводы: о росте дополнительных потерь, связанных с охлаждением, пропорционально расходу охлаждающего воздуха; об оптимальных углах выхода воздуха из перфорационных отверстий; и, наконец, был сделан вывод о том, что дополнительные потери от конвективного охлаждения лопаток ГТ более чем на порядок ниже потерь от перфорационного охлаждения.

Научная новизна и практическая ценность результатов второй главы состоит в том, что на основе выполненных исследований впервые разработан, хотя и приближенный, но достаточно общий алгоритм расчета охлаждаемой ступени, учитывающий все виды основных потерь. Казалось бы, данная работа ставит точку в разработке методики полного учета потерь с охлаждением в рассмотренных конструкциях ГТ, однако есть резервы улучшения алгоритма, заключающиеся в учете изменения реакции по высоте в длинных лопатках.

Данная работа открывает путь для совершенствования расчета потерь в длинных ступенях. Но для этого придется выполнить реализацию пространственного расчета потерь, это уже задача для доктора наук. Третья глава посвящена созданию усовершенствованной методики расчета тепловой схемы ГТУ, базирующейся на выполнении двух итераций в предположении, что КПД компрессора и турбины при первой итерации известны. При первой итерации выполняется расчет тепловой схемы ПГУ, на основании которого становятся известными основные параметры, необходимые для расчета газовой турбины и ее КПД. И затем изложена методика расчета тепловой схемы ПГУ по второй итерации. Для относительного расхода воздуха на охлаждение использована формула ОАО «ВТИ».

Приведено описание программы для ПЭВМ, в которой реализован разработанный алгоритм расчета и выполнены примеры расчетов для неохлаждаемой и охлаждаемой ГТУ. Выполнено сравнение результатов расчета с литературными данными по удельной работе и КПД ГТУ. Получено хорошее совпадение результатов расчета по программе с данными примеров из литературы, что подтверждает корректность используемой методики. Четвертая глава посвящена проблемам определения начальной температуры газа перед газовой турбиной по данным испытаний ГТУ в соответствии со стандартом 180. Приведена методика расчета начальной температуры газа и относительного расхода охлаждающего воздуха по данным испытаний. Методика представляет собой научную ценность и дает более полную дополнительную информацию об объекте испытаний.

Далее в главе выполнены верификационные сравнительные расчеты ряда современных высокотемпературных «типовых» ГТУ по разработанным методикам. В том числе выполнены вариантные расчеты распределения температур по проточной части ГТУ на примере ГТЭ-180, ГТУ серии О, Г и 0 фирмы «Мицубиши». Полученные результаты сравнивались с результатами конструкторских расчетов этих ГТУ. В большинстве точек по проточной части получено хорошее совпадение данных. Некоторое расхождение объясняется отсутствием данных степени реактивности в ступени, принятой в конструкторских расчетах «Мицубиши».

На основании проведенных расчетных исследований сделаны важные практические выводы: в высокотемпературных ГТУ с развитой системой охлаждения начальная температура 7с, определяемая по нормам БО, не соответствует реальным значениям, поскольку истинные температуры газов перед турбиной существенно выше. Предложенная методика определения истинной температуры газов перед турбиной дает более глубокое понимание физических процессов в охлаждаемых ГТ, и может служить заметным вкладом в совершенствование ИСО, Пятая глава посвящена расчетному анализу характеристик ГТУ и ПГУ в широком диапазоне начальных параметров с использованием разработанной автором компьютерной программы «ОТО». Приведены примеры теплового расчета охлаждаемой ГТ и ГТУ по двум итерациям.

В программе заложены разработанные новые методики, учитывающие все дополнительные потери„ обусловленные охлаждением. При анализе характеристик исследовано влияние основных параметров, определяющих эффективность преобразования энергии в ГТУ и ПГУ, в том числе: - начальной температуры газа: - отношения давлений в компрессоре, - КПД компрессора, - допускаемой температуры металла газовой турбины. В результате расчетов подтверждены классические выводы о том, что для каждой начальной температуры имеется своя оптимальная степень сжатия, а для каждой степени сжатия своя оптимальная температура.

Поскольку КПД компрессора задается в исходных данных, рассмотрено влияние КПД компрессора на параметры ГТУ. Показано, что с увеличением КПД компрессора происходит смещение оптимума по температуре несколько вниз. Очень важными являются расчеты утилизационной ПГУ при условии ограничения максимальных температур металла паровой и газовой турбин. На основании полученных результатов сделаны выводы об определении предельных мощностей ГТУ и ПГУ. В заключение по главе сделаны множественные практические выводы, главные из которых относятся к существованию оптимумов по начальным параметрам. Так КПД ГТУ имеет максимум при некоторой температуре, так как дальнейший рост ее становится бессмысленным из-за роста потерь с охлаждением.

Оптимальная начальная температура перед турбиной тем выше, чем выше степень сжатия в компрессоре. В общем заключении по диссертации оставлены всего восемь основных выводов по главам. Научная новизна полученных результатов исследования заключается в следующем. 1.