Introducere
Motoarele cu turbină cu gaz de ultimă generație funcționează de obicei la temperaturi extrem de ridicate. Aceasta este direct legată de eficiența turbinelor cu gaz – pentru a primi valoarea maximă a termodinamicii este necesară creșterea temperaturii gazului după camera de ardere. Temperatura motorului poate fi mai mare decât temperatura metalului lamelor până la 500-600 K. Lamele, duzele și detaliile GT sunt fabricate cu oțeluri speciale rezistente la căldură și, în unele cazuri, necesită o acoperire specială. Acest lucru le permite să reziste la transformarea în metal lichid la aceste temperaturi de lucru, așa cum a făcut-o T-1000 în filmul „Terminator 2: Judgment Day”, chiar și la temperaturi ridicate :).
Cu toate acestea, metalul are proprietatea de „fluaj” – aceasta este tendința metalului dur de a se deplasa lent sau de a se deforma permanent sub stres. Acest lucru se întâmplă ca urmare a expunerii prelungite la solicitări mari peste limita de curgere, în special atunci când este expus la temperaturi ridicate. Evident, soluția la această problemă este un sistem de răcire pentru piesele solicitate termic, care a permis ca temperatura gazului să crească cu 600 K în comparație cu mașinile nerăcite. Deoarece turbinele cu gaz funcționează de obicei cu aer, cel mai simplu mod de a răci sistemul este folosirea acestuia. În mod obișnuit, aerul este evacuat către diferite părți ale compresoarelor și este furnizat către căile și paletele de răcire care influențează eficiența termodinamică a motorului cu turbină cu gaz. Astfel, este esențial să se asigure suficientă răcire pentru a elimina căldura pe de o parte și, pe de altă parte, pentru a primi cea mai mică cantitate de aer care necesită răcire.
Te-ai gândit vreodată cât de complex este proiectarea de răcire a unei turbine cu gaz?
Sistemul de răcire cu flux secundar trebuie să asigure o fiabilitate ridicată pe întreaga durată de viață, debite și presiuni minime posibile ale fluxului de aer, absența scurgerilor, solicitările suplimentare care rezultă din răcirea neuniformă a pieselor individuale ar trebui să fie absente sau să compenseze solicitările din acțiunea gazului și a forțelor centrifuge. , temperaturile maxime și diferențele de temperatură în toate modurile trebuie să se încadreze în limitele permise pentru un anumit GTE. Mai mult, adâncimea de răcire crește odată cu creșterea temperaturii gazului înaintea turbinei.
Cerințele sunt destul de complexe și contradictorii. Indiferent cât de complex, proiectarea oricărui sistem de răcire ar putea fi împărțită în estimarea proiectării ca primă etapă și verificarea proiectării ca a doua etapă. Nu cu mult timp în urmă, sarcina de proiectare a necesitat și performanțe experimentale expansive. Acum este oportun să se realizeze proiectarea sistemului de răcire ca o serie de calcule de verificare și să se ia în considerare atât conducția fluidodinamică, cât și cea termică într-o singură abordare.
Pentru a aborda aceste probleme, analiza transferului de căldură conjugat (CHT) poate fi utilizată ca o abordare pentru îmbunătățirea estimării cerințelor pentru motorul cu turbină cu gaz.
Proiectarea paletelor și a duzelor de turbine cu gaz
Cele mai solicitate părți termice din orice motor cu turbină cu gaz sunt, fără îndoială, duzele statorice și paletele rotorului. Dacă temperatura totală maximă este mai mică de 1270 K înaintea duzelor și mai puțin de 1170 K înaintea lamelor, atunci sistemul de răcire nu este necesar. O creștere a temperaturii totale la fiecare 100 K necesită aplicarea unei metode de răcire, cum ar fi răcirea convectivă (răcire internă), film sau răcire prin transpirație. (Mai multe informații despre abordări sunt descrise în blogul nostru anterior).
Abordările tradiționale pentru estimarea sarcinilor de proiectare și obținerea temperaturilor și sarcinilor au evoluat odată cu metodele de calcul. În principal, procedurile pot fi clasificate în metode numite o abordare cuplată și o abordare decuplată. Abordarea cuplată permite cuplarea interfețelor să devină parte a domeniului soluției (fluide și solide) și să rezolve soluții simultane ale setului de ecuații care caracterizează diferite câmpuri. În schimb, abordarea decuplată oferă posibilitatea de a rezolva fiecare câmp separat și de a lega condițiile la limită între ele, chiar și folosind diferite instrumente de rezolvare. Într-un mod practic, aceste metode de analiză a lamelor și duzelor pot fi evaluate în trei moduri. Astfel, obținerea de corelații aproximative 1D pentru câmpul de curgere a palelor interne și externe ale turbinei oferă posibilitatea de a le aplica și de a estima datele necesare, care ar putea fi utilizate ca intrări pentru analiza 3D cu elemente finite. O astfel de abordare necesită un număr de iterații din cauza ipotezei preliminare a temperaturii lamei.
Abordarea bazată pe CFD 3D a fost realizată prin simulări CFD 3D separate ale căii de curgere a lamei interne și externe. Rezultatele obținute din aceste simulări au fost utilizate pentru a estima gradienții de temperatură a metalului în 3D. Abordarea bazată pe CFD a necesitat, de asemenea, valoarea inițială a temperaturii pentru a asuma procesul de iterație. A treia abordare este analiza CHT/CFD care presupune realizarea întregului proiect multifizic și calculează împreună căile de curgere interne și externe, în timp ce se obține temperatura paletei.
Proiectarea întregului traseu secundar al fluxului
Proiectarea întregii căi de răcire necesită estimarea debitului și a scurgerilor printr-o cale de răcire care poate include cavități rotor-rotor și rotor-stator, etanșări, orificii, deflectoare și celelalte componente și canale ale sistemului. Fiecare element influențează curgerea creând rezistență și, în consecință, pierderi de presiune. Trebuie remarcat faptul că fluxul de aer în interiorul sistemului este învolburat, din cauza influenței pereților rotativi asupra fluxului, viteza absolută conține componenta tangențială. Astfel, estimarea precisă a distribuției presiunii în traseul secundar de curgere oferă valoarea sarcinii influențate asupra lagărelor și poate fi utilizată în calculele structurale.
Organizarea alimentării cu aer a lamelor este, de asemenea, de mare importanță. De exemplu, alimentarea directă cu aer către palete duce la o creștere a temperaturii totale mai reci în comparație cu temperatura aerului la părțile de evacuare din cauza rotației turbinei. În schemele cu aer prevolburat, dimpotrivă, temperatura este scăzută, ceea ce este o soluție potrivită.
Utilizarea simulării bazate pe CFD 3D sau a abordării CHT/CFD pentru proiectarea întregii căi de răcire este o sarcină destul de complexă. Aceste abordări sunt consumatoare de timp și de resurse pentru traseul complet al fluxului de răcire, inclusiv toate componentele sistemului și lamele. Pentru a face față acestei provocări, este rezonabil să se ia în considerare o abordare CHT/CFD în colaborare și o metodă precisă 1D pentru estimarea traseului fluxului secundar de răcire. Se recomandă modelarea sistemului intern de răcire folosind o rețea termo-fluidică 1D, care conține coeficientul de transfer termic și corelațiile pierderilor de presiune, care au fost evaluate, validate de-a lungul anilor, și oferă posibilitatea de a calcula cu precizie debitul prin elementele sistemului. Estimarea lamelor și a duzelor poate fi furnizată prin abordarea CHT/CFD. Această abordare integrată poate fi realizată cu succes utilizând starea de echilibru și instabilitate 1D AxSTREAM NET™ software pentru proiectarea căilor de răcire interne și tridimensionale STAR-CCM+ software pentru calculul CHT/CFD al lamei prin AxSTREAM ION™, care oferă posibilitatea de a lega sarcini și de a rezolva reziduurile dintre modele. Această abordare va economisi timp, obținând în același timp un design precis al căii de răcire și, de asemenea, optimizând sistemul.
Proiectarea căii de răcire a turbinei cu gaz necesită rezolvarea unor probleme complexe și contradictorii. În zilele noastre, metodele de calcul se pot adresa celor mai multe dintre ele, dar pentru proiectarea întregului sistem, este necesar să se țină cont de timpul proiectului și de resurse. Scăderea timpului în timp ce obținerea de rezultate precise poate fi obținută folosind un set de instrumente multidisciplinare, care acoperă totul, de la predicția traseului fluxului de răcire secundar până la soluții termice și structurale.
Participați la Turbo Expo anul acesta? Nu uitați să întrebați despre abonamentele noastre gratuite pentru oaspeți, treceți la standul #424 pentru a vă saluta și alăturați-vă nouă pentru o prezentare de hârtie despre integrarea modelării fluxului de aer secundar în calculul ciclului sinergetic al turbinei industriale cu gaz clasa F, care va avea loc joi, 16 iunie la ora 10:30 (prezentat de clienții noștri Power Systems Manufacturing). Aflați mai multe și contactați-ne aici: https://www.softinway.com/news-events/upcoming-events/asme-turbo-expo-2022/
Dacă aveți nevoie de mai multe informații despre modelarea integrată, vă rugăm să contactați echipa SoftInWay la info@softinway.com.
Referinte:
- Shvetcs IT, Diban EP „Răcirea cu aer a detaliilor turbinei cu gaz”, 1974.
- Oleynik AV, Sharkov SY „Calculul stării de deformare termică a palelor și turbinelor răcite”, 1995.
- Andrei, A. Andreini, B. Facchini, L. Winchler „A decoupled CHT procedure: application and validation on a gas turbine vane with different cooling configurations”, 2014.
- S. Bunker – „Analiza proiectării răcirii”.
- Siemens Digital Software „Siemens energy uses 3D multiphysics-based virtual prototyping to improve has turbine eficiency and fiability”, 2017;
- S. Akerman. LA Zarubin, VP Reshitko, AV Rosinskaya – „Turbină cu gaz GTE-115M”, 2009.
- Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
- Sursa: https://blog.softinway.com/gas-turbine-cooling-system-design-procedures/
- 1
- 10
- 100
- 2014
- 2017
- 3d
- 420
- a
- Despre Noi
- mai sus
- absent
- Absolut
- Cont
- precis
- precis
- realizat
- Acțiune
- Suplimentar
- adresa
- După
- AIR
- TOATE
- permite
- sumă
- analiză
- și
- aplicație
- aplicat
- Aplică
- abordare
- abordari
- presupunere
- participarea
- bazat
- deoarece
- deveni
- înainte
- între
- BLADE
- calculează
- apel
- cazuri
- CFD
- contesta
- Cameră
- canale
- caracterizează
- clasă
- clasificate
- a colaborat
- COM
- comparaţie
- comparație
- complex
- component
- componente
- calcul
- Condiții
- Lua în considerare
- contactați-ne
- conține
- contrast
- Rece
- sistem de răcire
- ar putea
- cuplat
- Crearea
- crucial
- clienţii care
- de date
- adâncime
- descris
- Amenajări
- detalii
- FĂCUT
- diferenţele
- diferit
- digital
- direcționa
- direct
- distribuire
- împărțit
- domeniu
- Dont
- în timpul
- fiecare
- eficiență
- element
- energie
- Motor
- Motoare
- suficient de
- asigura
- Întreg
- mai ales
- estima
- evaluat
- Chiar
- EVER
- tot
- evoluat
- exemplu
- expansiv
- Expoziţie
- expus
- Expunere
- extern
- extrem
- camp
- Domenii
- Film
- First
- debit
- Forțele
- Gratuit
- din
- Complet
- câștigă
- GAS
- gradienți
- mare
- În creştere
- Oaspete
- Greu
- aici
- Înalt
- superior
- Cum
- HTTPS
- importanță
- îmbunătăţi
- îmbunătățirea
- in
- include
- Inclusiv
- Crește
- crescând
- individ
- industrial
- influență
- influențat
- info
- informații
- inițială
- integrate
- integrare
- interfeţe
- intern
- probleme de
- IT
- repetare
- iterații
- alătura
- Alăturaţi-ne
- Conduce
- AFLAȚI
- Viaţă
- Limitele
- LINK
- Lichid
- încărca
- loturile
- Lung
- de pe
- pierderi
- Masini
- fabricat
- de fabricaţie
- materie
- max-width
- maxim
- metal
- metodă
- Metode
- minim
- model
- Modele
- mai mult
- cele mai multe
- muta
- film
- multidisciplinare
- necesar
- Nevoie
- net
- reţea
- notat
- număr
- obținut
- obținerea
- ONE
- Oportunitate
- optimizarea
- comandă
- organizație
- Altele
- Hârtie
- parte
- special
- piese
- trece
- cale
- efectua
- spectacole
- efectuarea
- permanent
- imagine
- Loc
- Plato
- Informații despre date Platon
- PlatoData
- "vă rog"
- Punct
- posibilitate
- posibil
- putere
- Practic
- prezicere
- prezentare
- prezentat
- presiune
- destul de
- precedent
- Problemă
- Proceduri
- proces
- proiect
- proprietate
- prototipuri
- prevăzut
- furnizează
- tarife
- realizat
- rezonabil
- a primi
- legate de
- încredere
- scoate
- necesita
- necesar
- Cerinţe
- Necesită
- Rezistență
- consumatoare de resurse
- Resurse
- rezultat
- REZULTATE
- Economisiți
- scheme
- Al doilea
- secundar
- serie
- serviciu
- set
- să
- simulare
- întrucât
- Încet
- So
- Software
- solid
- soluţie
- soluţii
- REZOLVAREA
- Rezolvarea
- unele
- Sursă
- special
- Etapă
- Stat
- stres
- structural
- Reușit
- astfel de
- potrivit
- furnizat
- livra
- sistem
- sisteme
- Lua
- luare
- Sarcină
- sarcini
- echipă
- termic
- Al treilea
- în acest an
- gândit
- trei
- tri-dimensională
- Prin
- de-a lungul
- timp
- consumă timp
- la
- împreună
- Unelte
- Total
- transfer
- Cotitură
- tipic
- în
- fara indoiala
- us
- obișnuit
- validate
- validare
- valoare
- Viteză
- Verificare
- de
- Virtual
- modalități de
- care
- în timp ce
- voi
- în
- Apartamente
- de lucru
- an
- ani
- Randament
- zephyrnet