Аннотация

В последнее время в нашей стране идет активное создание линейки собственных газовых турбин. Наряду с разработкой и наладкой серийного производства отечественных ГТУ большой мощности возрастает актуальность исследования возможных вариантов модернизации турбин. Один из таких вариантов — охлаждение горячего тракта турбинного узла, которое снижает термические нагрузки тела, тем самым повышая ресурс и эффективность работы. Перспективным способом является паровое охлаждение, которое способно поглощать большее количество теплоты посредством изменения агрегатного состояния.

В статье представлены результаты исследования о влиянии типа охладителя на температурное состояние лопаток стационарных турбин большой мощности на примере направляющей лопатки первой ступени SGT5-2000E (ГТЭ-160). Показана разница в эффективности воздушного и парового охлаждения, обоснованы преимущества использования пара в качестве охладителя высокотемпературных стационарных ГТУ.

Одним из лидеров российского энергомашиностроения является компания «Силовые машины», которая в 2023 году завершила изготовление первой серийной турбины большой мощности ГТЭ-170.1 в комплекте с генератором и котлом-утилизатором. Одновременно с этим заканчивается этап проектирования ГТЭ-170.2 мощностью 170 МВт. Кроме того, ведутся научно-исследовательские и конструкторские работы (НИОКР) по созданию глубоко модернизированной турбины большой мощности ГТЭ-170.3 [1-3].

Рис. 1. Расчетная область направляющей лопатки первой ступени

Обычно выбор классических способов модернизации стационарных ГТУ большой мощности непременно связан с повышением температуры перед турбиной. Для поддержания оптимального теплового состояния металла лопаток приходится существенно дорабатывать систему охлаждения: изменять способы охлаждения, например, переходя от конвективного к конвективно-пленочному охлаждению, изменять геометрические характеристики внутренних каналов, увеличивать расход охлаждающего тела, изменять тип хладагента.

Сегодня большинство компаний, производящих ГТУ, используют в своих самых новых машинах в качестве охладителя воздух (в т. ч. ГТЭ-170.1 производства АО «Силовые машины»), поскольку воздушное охлаждение является самым доступным и легко реализуемым. Обычно воздух на охлаждение забирается из компрессора за определенными ступенями и, проходя по внутренним каналам лопаток турбины, выбрасывается в проточную часть.

Альтернативным телом в качестве хладагента может являться пар. Особенно целесообразно использовать этот тип охладителя в газотурбинных установках, работающих в составе ПГУ. По сравнению с воздухом, теплоемкость пара выше в 2 раза, а плотность ниже на 40 %. Это увеличивает интенсивность и эффективность теплообмена примерно на 40 % при прочих равных условиях [4-6].

К настоящему времени накоплен большой опыт применения пара в качестве охладителя. Такие известные компании, как General Electric (турбина MS9001H), Mitsubishi (турбина M701G2), активно используют паровое охлаждение для многих своих машин.

Исследуемый объект и постановка задачи

В качестве исходной модели была взята упрощенная модель направляющей лопатки первой ступени (НЛ-1) турбины ГТЭ-160. Поскольку прототипом ГТЭ-170.1 является ГТЭ-160, полученные результаты можно считать справедливыми и для возможности внедрения парового охлаждения для ГТЭ-170.1.

Рис. 2. Результаты построения сеточных моделей твердотельной лопатки: а)  построение сетки направляющей лопатки первой ступени; б) построение сетки проточной части; в) построение сетки для внутренней полости лопатки

Для подготовки геометрических моделей использовались программные комплексы SolidWorks, Siemens PLM NX, для создания численной модели — программный комплекс ANSYS, сетки выполнялись в ANSYS Meshing. Решение задачи и обработка результатов производились с помощью ANSYS CFX.

Расчетная область показана на рис. 1 и включает в себя НЛ-1 с внутренней полостью, полость подвода воздуха, пространство проточной части. Воздух на охлаждение отбирается за компрессором и подается через отверстия в обойме в полость над верхней полкой лопатки. В НЛ-1 турбины ГТЭ-170.1 используется дефлектор, через отверстия которого осуществляется струйный обдув внутренних стенок лопатки. Выходная кромка имеет штырьковую матрицу, проходя которую, охлаждающее тело выходит в проточную часть.

Для упрощения расчетов дефлектор не моделировался. Также не моделировался осевой подвод охлаждающего воздуха в зазоре между камерой сгорания и НЛ-1 к верхней и нижней полке лопатки.

В полостях системы охлаждения и в проточной части моделируется установившееся течение сжимаемого, вязкого, турбулентного, теплопроводящего газа в трехмерной постановке задачи. Методом контрольных объемов решается система уравнений Новье-Стокса с осреднением по Рейнольдсу. Для твердого тела (лопатки) решается уравнение энергии, упрощенное до уравнения теплопроводности в твердом теле. На поверхности, граничащей с воздухом или газом, выдерживается условие равенства тепловых потоков.

Табл. 1. Результат построения сеточных моделей

Рабочее тело в проточной части — газ с заданными теплофизическими свойствами (теплопроводность, динамическая вязкость, теплоемкость) с учетом зависимости от температуры. Рабочее тело полостей охлаждения — идеальный воздух. В расчете применена модель турбулентности SST с ламинарно-турбулентным переходом, которая была выбрана исходя из ее универсальности. Влияние теплозащитного покрытия не учитывалось.

Сеточные модели

Для описания областей течения основного потока использовались элементы типа тетраэдр, поскольку данный тип хорошо подходит для построения сложной геометрии. В пристеночных областях для описания пограничного слоя использовались 10-14 слоев призматических элементов, высота первого пристеночного элемента составляла 0,003…0,005 мм, коэффициент роста 1,2…1,3, что позволяет выдержать рекомендуемые значения безразмерной высоты первой ячейки Y +≤1,5 и соотношение сторон соседних элементов.

Табл. 2. Распределение температуры поверхности лопатки при паровом и воздушном охлаждении

Результаты построения сеточных моделей твердотельной лопатки, проточной части и внутренней полости представлены в табл. 1 и на рис. 2.

Граничные условия

Граничные условия определены из термодинамического расчета. Полное давление и полная температура на входе в проточную часть были приняты постоянными по высоте канала, направление потока — параллельно оси турбины. Результаты задания граничных условий представлены рис. 3 — расход, приведенный на рисунке, соответствует расходу через один межлопаточный канал. Различные утечки не учитывались.

Свойства рабочих тел и материала

Для модели проточной части был задан газ со свойствами, зависящими от температуры (состав продуктов сгорания не задавался).

Для лопатки задан материал марки IN738. Заданы теплофизические свойства (теплопроводность, теплоемкость, плотность) в зависимости от температуры [7].

Рис. 3. Граничные условия

В случае воздушного охлаждения воздух задан из стандартной библиотеки ANSYS — Air Ideal Gas, а в случае парового охлаждения на основе Air Ideal Gas заданы все необходимые теплофизические свойства пара (теплоемкость, теплопроводность, плотность) в зависимости от температуры. Выбор такой модели охлаждающего рабочего тела обусловлен отсутствием в задаче значений температуры и давления пара, близких к линии насыщения. Данные были получены в результате расчета в программе REFPROP, которая позволяет получить точные данные о термодинамических свойствах веществ и смесей на основе уравнения состояния. Давление на входе в систему охлаждения в случае как воздушного, так и парового охлаждения задавалось равным давлению за компрессором с учетом гидравлических потерь.

Результаты расчетов

В результате теплогидравлических расчетов было получено тепловое состояние НЛ-1, а также распределение параметров газа и воздуха в проточной части и в полостях системы охлаждения.

Ввиду отсутствия модели рабочей лопатки, после ряда проведенных расчетов домен проточной части обрезан до конца нижней полки лопатки. Поэтому на верхней полке за пределами влияния домена проточной части наблюдаем очень низкие температуры (рис. 4), а по причине отсутствия воздушной завесы у нижней полки видим там самые высокие температуры.

Как ожидалось, при упрощении геометрии (удаление дефлектора, удаление обдува верхней и нижней полки) получаем достаточно высокие значения температуры на нижней полке.

Учитывая упрощения, принятые при постановке задачи, целесообразно оценивать разницу между двумя типами охлаждения по распределению температур по поверхности пера лопатки. Распределение температур при использовании воздуха и пара в качестве охладителя показано на рис. 5.

При переходе от воздушного к паровому охлаждению видно понижение температуры по всей поверхности пера лопатки и снижение температуры у входной кромки в районе корневого сечения. Это наглядно демонстрирует одно из главных преимуществ пара — большую теплоемкость. Проходя по внутренней полости лопатки, пар нагревается значительно медленнее воздуха. Это позволяет снизить градиент температур по перу лопатки. Средняя температура металла по поверхности пера лопатки при паровом охлаждении составила 885 °C, что является хорошим показателем для выбранного металла.

На рис. 6 представлено распределение температуры металла лопатки по сечениям (корневое, среднее и периферийное) при использовании в качестве охладителя воздуха и пара. Аналогично можно наблюдать общее снижение температуры металла, что в первую очередь благоприятно сказывается на ресурсе лопатки.

Табл. 3. Распределение температуры поверхности лопатки при паровом и воздушном охлаждении

Во время постановки задачи были заданы контрольные точки (точки желтого цвета на рис. 5) на поверхности пера лопатки, по которым оценивалась температура стенки лопатки и сравнивалась эффективность воздушного и парового охлаждения. Основным критерием оценки эффективности системы охлаждения является коэффициент глубины охлаждения θ.

В табл. 2 приведено распределение параметров по перу лопатки со стороны спинки и со стороны корытца. Для каждой температуры посчитан q. Например, для первой температуры T1, располагающейся на спинке лопатки, коэффициент глубины охлаждения лопатки в случае охлаждения воздухом будет равен

По результатам расчетов было выявлено, что при паровом охладении точки на поверхности пера лопатки имеют более низкие значения температуры по всей поверхности лопаток. Средняя разница между двумя системами охлаждения составляет 118°С, или 11,8%.

Выводы

1. Внедрение парового охлаждения, безусловно, повышает эффективность газотурбинной установки, что было доказано после проведения термодинамического расчета. Использование пара в качестве охладителя позволяет при больших температурах газа перед турбиной сохранять температуру металла лопаток в допустимых тепловых диапазонах.

2. Внедрение парового охлаждения снижает температуру лопатки на всей поверхности пера, существенно повышая тем самым ее ресурс.

3. Использование пара в качестве охладителя вместо воздуха позволяет эффективнее охлаждать лопатку в среднем на 21%, что характеризуется большим коэффициентом глубины охлаждения: θ=0,395 против θ=0,312 при воздушном охлаждении.

Список использованных источников

1. «Силовые машины» завершили изготовление первой коммерческой газовой турбины ГТЭ-170. — Силовой остров 2024 г. — №51. — С. 19-20.

2. Силовые машины. Газовые турбины большой мощности [Электронный ресурс]. — URL: https://power-m.ru/customers/ thermalpower/gasturbines/?ysclid=lt36w39ar 5451488913 (дата обращения 15.02.2024).

3. Ивановский А.А. Реализация программы НИОКР газовых турбин большой мощности в АО «Силовые машины» / А.А. Ивановский, Н.И. Фокин, Н.О. Симин // Турбины и Дизели. — 2023 г. — №6(111). — С. 111.

4. Полищук В. Г. Паровое охлаждение газовых турбин / В. Г. Полищук, Н.П. Соколов, К.Д. Андреев [и др.] — СПб.: СПГПУ, 2011г. — 371 с.

5. Андреев К. Д., Беркович А. Л. Энергетические машины. Охлаждение элементов высокотемпературных газовых турбин. — СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008 г.

6. Павлов Н.С., Барсков В. В. Анализ использования пара в качестве охладителя для высокотемпературных газовых турбин большой мощности на примере ГТЭ-170 / выпускная работа магистра. — 2024 г.

7. Alloy IN-738 Technical Data. // The International Nickel Company Inc. One New York Plaza, New York, N.Y. — Pp. 1-11.