Публикации
Повышение эффективности охлаждения турбинных лопаток при помощи анализа проектных решений
Jens Dickhoff - B&B-AGEMA
Masahide Kazari and Ryozo Tanaka - Kawasaki Heavy Industries
В равной мере раздвигая границы парусного спорта и возможности самих мореходов, престижное соревнование в последние годы породило новый всплеск интереса к плаванию на быстрых яхтах, технологическим инновациям, спортсменам и командам, поддерживаемым миллиардерами.
В равной мере раздвигая границы парусного спорта и возможности самих мореходов, престижное соревнование в последние годы породило новый всплеск интереса к плаванию на быстрых яхтах, технологическим инновациям, спортсменам и командам, поддерживаемым миллиар-дерами.
Нахождение путей повышения температуры на выходе из камеры сгорания и на входе в ступень высокого давления являются ключом к повышению эффективности газовых турбин. Но высокая температура угрожает целостности компонентов газовой турбины, особенно сопловым и рабочим лопаткам, так как температура на входе в современных газовых турбинах превышает температуру плавления материала лопаток. Для борьбы с этим используется пленочное охлаждение лопаток.
Газовая турбина L30A компании Kawasaki Heavy Industries (KHI) имеет самый высокий КПД в классе мощности 30 Мвт. L30A была разработана в сотрудничестве с B&B-AGEMA Gmb, инженерной компанией, расположенной в городе Ахен (Германия) и специализирующейся на конструировании энергопреобразующих машин, в особенности, компонентов газовых турбин.
Такие методы прогнозирования теплообмена между твердым телом и газом или жидкостью, как сопряженный теплообмен (СНТ), вычислительная гидродинамика (CFD), являются ключевой компетенцией фирмы, которая тесно сотрудничает с компанией Siemens PLM для трехмерного моделирования потока жидкости и применения передовых CHT методик.
Сотрудничество между B&B-AGEMA и KHI началось в 1990-х, когда KHI обратилось к B&B-AGEMA за помощью во внедрении CHT методов для повышения эффективности отвода тепла от турбинных лопаток. B&B-AGEMA разработала новаторскую технологию пленочного охлаждения, которая, вместо обычных цилиндрических отверстий перфорации, через которые охлаждающий воздух выпускается на поверхность лопатки, использовала веерные отверстия, что повысило эффективность такого охлаждения.
Начиная с 2000-х B&B-AGEMA использует CFD-методы для моделирования пленочного охлаждения (1999-2002), в 1999 был разработан метод пленочного охлаждения системой парных отверстий, а в 2008 - метод пленочного охлаждения “Nekomimi”,который будет описан в данной статье. Данная работа является своеобразным признанием того факта, что дальнейшие технологические совершенствования изделия требуют всё большего и большего вовлечения современных методов компьютерного моделирования и анализа проектных решений.
Уже несколько лет B&B-AGEMA и KHI применяют программное обеспечение STAR-CCM+ для проведения поиска проектных решений вручную – что, медленно, итеративно, - позволяет изучать эффективность охлаждения при использовании отверстий разной формы в лопатках газовой турбины, в том числе и для отверстий, которые инженеры обеих компаний назвали Nekomimi (в переводе с японского - “кошачьи уши”).
Расчетная область, используемая для оценки эффективности охлаждения отверстий разной формы, состоит из основного потока и канала подвода воздуха, образующего охлаждающую пленку. Боковые стенки заданы как плоскости симметрии для моделирования ряда каналов, что является типичным для лопаток газовых турбин. Адиабатическая эффективность охлаждения плёнки была пространственно осреднена по поверхности, выделенной красным цветом.
Рис. 2: L30A на испытательном стенде заводе Кавасаки в Акаши, Япония
проблема может быть устранена заменой круглых отверстий на отверстия другой формы, которые позволят снизить отношение потока импульса между потоком охлаждающего воздуха и основным потоком в месте истечения воздуха из канала (за счет торможения потока внутри расширяющейся части охлаждаюшего канала), а так же поспособствуют созданию эффекта Коанда, при котором поток будет прилипать к стенке позади отверстия. Для уменьшения нежелательного смешивания между теплоносителем и горячим газом (а значит, и сохранения слоя охлаждения вблизи поверхности лопатки турбины), инженерами B&B-AGEMA была создана технология пленочного охлаждения системой парных отверстий (DJFC) в 1999 году.
Рис. 5: Сравнение эффективности охлаждения и массового расхода для Nekomimi и веерного отверстия
Nekomimi технология
В 2008 году B&B-AGEMA представила отверстия новой конструкции, происходящей из DJFC-концепта - технологию Nekomimi. Она сочетает в себе два цилиндрических отверстия DJFC в рамках единого отверстия. вую позицию вдоль потока (рис. 9, этап 1), объединения обоих отверстий (рис. 9, этап 2) и заменой двух питающих отверстий одним центральным (рис. 9, этап 3).
Автоматизированный поиск проектных решений при создании Nekomimi-отверстий
Несколько лет назад компаниями B&B-AGEMA и KHI было принято решение автоматизировать поиск проектных решений за счет использования HEEDS™, программного обеспечения для анализа проектных решений от Red Cedar Technology, дочерней компании Siemens PLM, и модуля Optimate+™ для STAR-CCM+. Это изменение позволило им оценить сотни вариантов конструкций, методично сравнивая большое количество традиционных веерных конструкций отверстий с прототипами Nekomimi-отверстий, за время, которое требовались ранее для оценки небольшого числа вариантов.
Рис. 6: Эффективность охлаждения при помощи Nekomimi-отверстий выросла более чем на 200 процентов по сравнению с референсными отверстиями
Инженеры из KHI и B&B-AGEMA работали совместно с Siemens PLM для проведения автоматизированного анализа проектных вариантов с целью определить nekomimi-конструкцию, удовлетворяющую следующим противоречивым целям: конструкция должна обеспечивать низкий массовый расход охлаждающего воздуха и одновременно высокую адиабатическую эффективность охлаждения. Было создано порядка порядка 349 CFD моделей с разными формами Nekomimi-отверстий (параметры, определяющие форму отверстия показаны на рис. 10) для генерации Парето-фронта, представляющего лучшие варианты, являющиеся компромиссом между двумя целями. Кроме того, был проведен анализ веерных охлаждающих отверстий с использованием 299 CFD моделей для того, чтобы показать преимущества технологии Nekomimi.
Процедура поиска оптимальной конструкции
Optimate+ был использован для проведения автоматизированного поиска оптимальных конструкций, STAR-CCM+ - для моделирования гидродинамики и теплообмена, а также для построении CAD модели веерных отверстий, Siemens NX - для параметрического моделирования геометрии Nekomimi-отверстий, и HEEDS post для визуализации и интерпретации результатов (рис. 11).
Optimate+ выбирает набор параметров конструкции и обращается с запросом к CAD-пакету для создания обновленной геометрической модели. Затем Optimate+ импортирует новую геометрию в STAR-CCM+, автоматически создавая подходящую расчетную сетки для расчетной области, и запускает CFD расчет для моделирования гидродинамики и теплообмена. Optimate+ в интерактивном режиме отображает результаты моделирования и прогнозируемые характеристики через инструмент визуализации HEEDS Post.
Optimate+ грамотно использует метрики технических характеристик, чтобы выбрать новый набор переменных формы отверстия, и повторяет процесс в попытке обнаружить более эффективную конструкцию, используя ограниченное количество расчетов. Инженер также волен повлиять на поиск, выбирая варианты, используя свой опыт и интуицию.
Рис. 8: Пленочного охлаждения системой парных отверстий
рис. 9: Концепция Nekomimi-отверстий: а) Шаг 1 (DJFC); б) Шаг 2; в) Шаг 3 (Nekomimi)
Рис. 10: Конструктивные параметры Nekomimi-отверстий; параметры веерных отверстий
Рис. 1: CFD моделирование охлаждения лопатки газовой турбины. а) разрез лопатки, б) линии тока, в) температура на поверхности лопатки
Рис. 3: Формы отверстий, используемых для пленочного охлаждения: цилиндрические отверстия (сверху), веерные (посередине), Nekomimi (снизу)
Ширина и длина расчетной области являются равными для всех конфигураций; это позволяет проводить сравнение между различными конструкциями отверстий охлаждения с аналогичными показателями расхода охлаждающего воздуха.
На рис. 5 показано сравнение эффективности охлаждения для одного из вариантов Nekomimi-отверстия и веерного отверстия сопоставимых размеров. Из таблицы видно, что Nekomimi-отверстие показывает близкую эффективность охлаждения при значительно меньшем массовом расходе по сравнению с веерным отверстием. Обратите внимание, что на безразмерной шкале, которая обычно используется для оценки эффективности охлаждения, красный=1 (лучшее охлаждение), а фиолетовый=0 (худшее).
Результатом стало значительное улучшение эффективности охлаждения от 200% до 300% для Nekomimi-отверстий в сравнении с отверстиями референсной конструкции. Новая технология была запатентована KHI and B&B-AGEMA.
Как работает пленочное охлаждение, и в чем преимущества Nekomimi-отверстий?
Воздух, используемый для пленочного охлаждения, забирается из компрессора высокого давления турбины, таким образом, увеличение количества воздуха, используемого для охлаждения, снижает КПД турбины. Кроме того, пленочное охлаждение приводит к увеличения гидравлического сопротивления и снижению общей температуры тракта горячего газа турбины. Эти проблемы могут быть решены путем уменьшения количества необходимого охлаждающего воздуха, а также создания более однородного распределения температуры лопатки.
Применение подачи охлаждающего воздуха через соответствующий канал приводит к ситуации “струя в поперечном потоке”, показанная на рисунке 7. Вторичные структуры потока, в том числе вращающиеся вихри, возникают в результате взаимодействия между струей охлаждающего воздуха и поперечного потока, что может ухудшить эффективность пленочного охлаждения. Эта
Рис. 4: Расчетная область, используемая для оценки эффективности охлаждения отверстий разной формы
Рис. 7: Поток охлаждающего воздуха смешивается с основным потоком
“Эта работа была выполнена благодаря признанию KHI того факта, что дальнейший технический прогресс требует все более широкое использование CFD моделирования и новейших методов поиска проектных решений. Результатом стало значительное улучшения охлаждения на 200 - 300% для Nekomimi-отверстий в сравнении с референсными вариантами конструкции отверстий. Технология запатентована компаниями KHI and B&B-AGEMA. Этот новаторский подход позволяет построить базу данных из лучших конструкций Nekomimi-отверстий для различных соотношений давления и массового расхода теплоносителя”.
Рис. 11: Процедура автоматизированного поиска оптимальной конструкции
Рис. 12: Эффективность пленочного охлаждения для рассмотренных Nekomimi и веерных отверстий
Рис. 13: Парето-фронт лучших вариантов отверстий Nekomimi, в которых соблюден компромисс между необходимостью повышения эффективности охлаждения и снижения расхода охлаждающего воздуха
Результаты поиска проектных решений
Результаты для отверстий наилучшей формы показаны на Парето-фронте на рис. 12, и представляют наилучшие конструкции Nekomimi-отверстий (синяя пунктирная линия) и веерных отверстий (красная пунктирная линия) в пространстве поиска. Эти фронты показывают, что технология Nekomimi имеет лучшую пространственно-осредненную эффективность пленочного охлаждения для массовых расходов охлаждающего воздуха в диапазоне от 8 г/с до 17 г/с. Ниже и выше этого диапазона, оба типа отверстия охлаждения имеют сопоставимую эффективность.
Кроме того, анализ двух представленных наборов результатов моделирования (черные пунктирные линии коробки) показывает, что для веерообразных отверстий охлаждения, в случаях, когда параметры модели не тщательно подобраны, вращающиеся в противоположных направлениях вихрях доминируют над вторичными структурами потока и ухудшают эффективность охлаждения. В отличие от них, форма Nekomimi обеспечивает более устойчивую эффективность охлаждения в широком диапазоне конструктивных параметров.
Этот передовой подход позволяет построить базу данных из лучших конструкций Nekomimi-отверстий для различных соотношений давления и массового расхода теплоносителя. Из этой базы данных разработчики систем охлаждения лопаток могут выбрать лучшую конструкцию для достижения более высокой эффективности охлаждения и снизить расход охлаждающего воздуха (рис. 12 и 13).
Данное исследование дает больше информации о структуре вихрей в охлаждающей пленке и их влияния на эффективность охлаждения для различных видов отверстий. Более того, проделанная работа доказывает ценность методов автоматизированного поиска оптимальных вариантов конструкций для решения широкого спектра стандартных инженерных задач.
Источник: Журнал "DYNAMICS" № 41; стр. 49-55
