Analiza numeryczna przepŕywu gazu w kanale badawczym z chŕodzonĐ ŕopatkĐ turbiny gazowej.pdf

Politechnika Ś l ą ska Gliwice, 20 wrzesień 2006

Wydział In Ŝ ynierii Ś rodowiska

i Energetyki

Kierunek dyplomowania:

Czyste Technologie Energetyczne

Praca dyplomowa

magisterska

Temat:

Analiza numeryczna przepływu gazu w kanale

badawczym z chłodzon ą łopatk ą turbiny

gazowej

Autor:

Krzysztof Bochon

Promotor:

Dr inŜ. Grzegorz Nowak

Spis tre ś ci

1. Cel i zakres pracy ................................................................................................. 3

2. Chłodzenie łopatek turbin gazowych ................................................................... 4

2.1. Wprowadzenie.............................................................................................. 4

2.2. Ogólna charakterystyka sposobów chłodzenia układów łopatkowych ........ 6

3. Badania eksperymentalne..................................................................................... 9

3.1. Cel i przedmiot badań .................................................................................. 9

3.2. Opis stanowiska pomiarowego .................................................................. 10

3.3. Opis eksperymentu i wyniki ...................................................................... 12

4. Model matematyczny ......................................................................................... 17

4.1. Pojęcia podstawowe ................................................................................... 17

4.2. Równanie ciągłości .................................................................................... 20

4.3. Równanie zachowania pędu....................................................................... 20

4.4. Równanie zachowania energii.................................................................... 21

4.5. Model turbulencji ....................................................................................... 22

5. Model obliczeniowy........................................................................................... 26

5.1. Opis przygotowania modelu i obliczeń...................................................... 26

5.2. Model geometryczny.................................................................................. 28

5.3. Dyskretyzacja modelu ................................................................................ 29

6. Wyniki obliczeń................................................................................................. 32

6.1. Wprowadzenie............................................................................................ 32

6.2. Kanał bez łopatki........................................................................................ 33

6.3. Kanał z łopatką........................................................................................... 38

6.3.1. Ścianki adiabatyczne .......................................................................... 38

6.3.2.

Niechłodzona i chłodzona ścianka kanału ......................................... 45

6.3.3.

Chłodzenie powietrzem...................................................................... 50

6.3.4.

Chłodzenie parą wodną...................................................................... 56

6.3.5.

Porównanie wyników......................................................................... 62

7. Podsumowanie i wnioski końcowe .................................................................... 65

Bibliografia ................................................................................................................ 66

1. Cel i zakres pracy

Celem pracy dyplomowej była analiza numeryczna przepływu gazu

w kanale badawczym, w którym umieszczona została łopatka turbiny gazowej.

Analiza polegała głównie na ocenie wpływu chłodzenia jednej ze ścianek kanału

oraz łopatki na parametry przepływowe.

Obliczenia wykonane zostały w Katedrze Cieplnych Maszyn i Urządzeń

Energetycznych na Uniwersytecie Technicznym w Dreźnie. Stanowiły one

kontynuację badań wykonanych na tej samej uczelni, w ramach pracy dyplomowej

przez Grzegorza Szłowieńca [1]. Celem tych badań było określenie skuteczności

chłodzenia łopatki parą wodną i powietrzem dla róŜnych wielkości strumienia

czynnika chłodzącego. Badania miały charakter eksperymentalny i stanowiły źródło

danych dla przeprowadzonych w niniejszej pracy analiz numerycznych.

Analizę prowadzono w układzie 3D z wykorzystaniem powietrza traktowanego

jako gaz doskonały.

Obliczenia obejmowały kilka wariantów:

przepływ w kanale bez łopatki,

przepływ w kanale z łopatką, a w tym:

o przepływ adiabatyczny,

o niechłodzona i chłodzona jedna ze ścianek kanału,

o łopatka chłodzona powietrzem,

o łopatka chłodzona parą.

W niniejszej pracy po krótkim wstępie teoretycznym opisany zostanie przebieg

obliczeń wykonanych przy pomocy programu ANSYS-CFX, który stanowi pakiet

do obliczeń przepływowych z wykorzystaniem Metody Objętości Skończonych

(MOS).

W dalszej części przedstawione zostaną następujące tematy:

- charakterystyka chłodzenia łopatek turbin gazowych,

- badania eksperymentalne,

- model matematyczny,

- model obliczeniowy,

- przebieg obliczeń i wyniki.

2. Chłodzenie łopatek turbin gazowych

2.1. Wprowadzenie

We wszystkich dziedzinach techniki i Ŝycia dąŜymy do poprawy sprawności

i funkcjonalności wykorzystywanych maszyn i urządzeń przy jednoczesnym

zachowaniu niskich kosztów ich produkcji. W przypadku turbin gazowych, które

stanowią źródło napędu w niektórych środkach transportu oraz coraz szerzej

stosowane są w energetyce, zwiększenie sprawności i pracy jednostkowej osiąga się

poprzez podwyŜszanie temperatury na wlocie do turbiny, dobór optymalnego

stosunku ciśnień oraz dzięki rozbudowie całego układu (chłodzenie

międzystopniowe w spręŜarce, spalanie sekwencyjne, regeneracja, itp.) [2].

Podstawowym sposobem jest zwiększanie temperatury na wlocie do turbiny (rys. 1).

Jest to moŜliwe dzięki coraz lepszym materiałom odpornym na pracę w wysokich

temperaturach, zastosowaniu termicznych powłok ochronnych (TBC Thermal

Barrier Coating) jak równieŜ dzięki zastosowaniu i rozwojowi chłodzenia elementów

turbiny gazowej.

Rys. 1 Wpływ temperatury na wlocie do turbiny i na wylocie na jej sprawność [3]

DąŜenie do stosowania jak najwyŜszych temperatur powoduje coraz większą

złoŜoność układów chłodzenia. Chłodzenie obejmuje równieŜ coraz więcej

elementów turbiny, w tym układy łopatkowe, tarcze stojanowe i wirnikowe,

dyfuzory wylotowe itp. Niestety chłodzenie jest źródłem dodatkowych strat

w układzie przepływowym na skutek schładzania głównego strumienia gazu oraz

zaburzenia przepływu (rys. 2). Chłodzenie jest więc uzasadnione tylko wtedy, gdy

wzrost kosztów powodowany dodatkowymi stratami i bardziej skomplikowaną

konstrukcją jest mniejszy niŜ zyski z uzyskania większej sprawności. Nie powinno

ono ponadto powodować zmniejszenia Ŝywotności i dyspozycyjności układu.

Rys. 2 Względny spadek sprawności turbiny w wyniku strat spowodowanych chłodzeniem łopatek [4]

WyróŜnia się następujące systemy chłodzenia:

- otwarty, w którym czynnik chłodzący miesza się ze strumieniem spalin,

jest on najbardziej rozpowszechniony;

- zamknięty, w którym czynnik chłodzący krąŜy w zamkniętym obiegu,

powoduje to konieczność budowy dodatkowych wymienników ciepła;

- mieszany, łączący w sobie oba powyŜsze.

Czynnikiem wykorzystywanym do chłodzenia jest najczęściej powietrze

pobierane bezpośrednio ze spręŜarki. Przed trafieniem do układu chłodzenia moŜe

ono przepływać przez dodatkową chłodnicę, co poprawia elastyczność układu [2].

RozwaŜa się równieŜ i stosuje inne czynniki, takie jak: para wodna, którą

charakteryzuje lepszy współczynnik wnikania ciepła, a którą bez większego kłopotu

moŜna pozyskać np. w układach gazowo-parowych oraz woda.

Miarą skuteczności chłodzenia jest stosunek strumienia czynnika chłodzącego

do strumienia spalin przy danej ich temperaturze. Mniejszy strumień czynnika

chłodzącego powoduje mniejsze straty. Podstawowym zadaniem jest stworzenie

układu chłodzenia, który przy zachowaniu dopuszczalnego rozkładu temperatur

w materiale łopatki i innych elementów turbiny, będzie powodował jak najmniejsze

dodatkowe straty. Rozwiązanie takiego zadania jest trudne, gdyŜ wymaga ono

procedur szybkiego rozwiązania pełnego układu równań Nawiera-Stokesa i równań

przepływu ciepła dla złoŜonych geometrii i warunków brzegowych (zagadnienie

sprzęŜone). Przy obecnym rozwoju technik komputerowych zadania takie stają się

moŜliwe do rozwiązania. MoŜna teŜ poszukiwać innych sposobów rozwiązań

upraszczając układ, głównie poprzez rozłączenie zadania przepływowego od zadania

przepływu ciepła. Wprowadza się wtedy współczynniki wymiany ciepła uzyskane

z rozwiązania pełnego układu równań zachowania dla płynu omywającego dane

ciało lub z eksperymentu

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: