Разработка технологий тепловой и гидравлической верификации моделей систем охлаждения лопаток газовых турбин, обобщение результатов исследований

Объект исследования: система охлаждения лопаток газовых турбин. Цель: повышение эффективности проектирования охлаждаемых лопаток газовых турбин путем верификации их тепловых и гидравлических моделей на ранних стадиях проектирования и применения более совершенных методов интенсификации теплоотдачи. Решаемая проблема заключается в повышении эффективности, надежности и долговечности газовых турбин. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: разработать новые методы интенсификации теплообмена в системах охлаждения газовых турбин, основанные на результатах исследования процессов теплопередачи, выполненных с применением численного и физического эксперимента; разработать корреляционные зависимости определения числа Нуссельта для новых систем интенсификации теплообмена; разработать технологии экспериментальной верификации тепловых и гидравлических математических моделей охлаждаемых лопаток на ранних стадиях проектирования. Первый этап посвящен созданию научного задела, на котором было построено дальнейшие исследование. Основной результат - определение и обоснование наиболее перспективных направлений совершенствования систем охлаждения газовых турбин. В настоящий момент одними из наиболее перспективных направлений развития методов интенсификации в системах охлаждения являются: применение циклонных систем для области входной кромки, обеспечение несимметричности теплосъема при течении в радиальных каналах середины пера лопатки, применение комбинированных штырьково-луночных интенсификаторов для области выходной кромки лопатки газовой турбины. Во втором этапе для каждого из установленных направлений совершенствования систем охлаждения лопаток газовых турбин было проведено обширное теоретическое и экспериментальное исследование. Разработана конструкция закрытого циклона для охлаждения входной кромки, для которого получены критериальные зависимости для расчета локальных и средних коэффициентов теплоотдачи и гидравлических потерь. Для выравнивания тепловой неравномерности профиля лопатки газовой турбины разработан новый несимметричный метод организации течения теплоносителя в радиальных каналах, в процессе тепловых испытаний которого экспериментально подтверждена его эффективность. Для области выходной кромки разработаны новый штырьково-луночный турбулизатор потока в щелевом канале, а также метод интенсификации, заключающийся в расположении штырьков в траншеях. Применение данного типа турбулизаторов потока в области выходной кромки лопаток высокотемпературных газовых турбин позволяет снизить расход на охлаждение на 5 - 8% и повысить КПД газовой турбины на 0,2 - 0,3%. Для всех методов интенсификации теплообмена в системах охлаждения лопаток газовых турбин созданы корреляционные зависимости. В третьем этапе разработана методика опережающей верификации тепловых и гидравлических моделей, базирующаяся на испытании полноразмерных прототипов, изготавливаемых по технологии селективного лазерного спекания (SLM-технологии). Была проведена апробация разработанной методики проектирования теплонапряженных деталей путем проектирования системы охлаждения рабочей лопатки первой ступени газотурбинной установки Siemens SGT-600 с целью импортозамещения деталей ее горячей части. Созданы математические гидравлические и тепловые модели разработанной лопатки, которые были верифицированы результатами испытаний прототипа лопатки на созданных в рамках проекта экспериментальных стендах для тепловых и гидравлических испытаний.