1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 10, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 10, стр. 7-16

Исследование теплогидравлических процессов в охлаждающих каналах лопатки высокотемпературной углекислотной турбины

А. Н. Рогалев a, С. К. Осипов a, И. В. Шевченко a, П. А. Брызгунов a, *, А. Н. Вегера a

a Национальный исследовательский университет “Московский энергетический институт”
111250 Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Россия

* E-mail: pavel.bryzgunov@gmail.com

Поступила в редакцию 31.01.2023
После доработки 17.04.2023
Принята к публикации 27.04.2023

Аннотация

Приводятся результаты численных и экспериментальных исследований теплогидравлических процессов в охлаждающих каналах лопатки углекислотной газовой турбины. По результатам обзора конструктивных решений и топологий охлаждаемых лопаток газовых турбин предложены конструкция охлаждающих каналов, которая включает в себя радиальные каналы круглого сечения для входной кромки лопатки и щелевые каналы с интенсификаторами теплообмена для выходной кромки пера лопатки, а также геометрические параметры самих каналов. С использованием программного комплекса ANSYS CFX были проведены исследования теплогидравлических характеристик в щелевом канале со штырьками веерообразного сечения в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 9000–27 000, в данном диапазоне были также проведены экспериментальные исследования гидравлических характеристик и теплообмена. Отличие результатов численного исследования от экспериментальных данных составило менее 5% по расходной характеристике и менее 10% по числу Нуссельта, что позволило сделать вывод о приемлемой точности выбранных настроек расчетной сетки и моделей турбулентности. С использованием этих настроек были проведены исследования теплогидравлических процессов в охлаждающих каналах лопаток высокотемпературной углекислотной газовой турбины в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 20 000–100 000. В частности, помимо щелевых каналов со штырьками веерообразного сечения для охлаждения выходной кромки пера лопатки были рассмотрены более технологичные каналы с круглыми штырьками. Для охлаждения входной кромки лопатки применены как гладкие радиальные каналы, так и каналы с кольцевым оребрением. Результаты численного исследования показали, что использование штырьков веерообразного сечения не обеспечивает прирост теплоотдачи по сравнению с круглыми, а оребренные каналы эффективны более чем на 100% по сравнению с гладкими.

Ключевые слова: теплогидравлическая эффективность, охлаждаемая лопатка, круглые штырьки, штырьки веерообразного сечения, кольцевое оребрение, интенсификация теплообмена

Список литературы

  1. Research and development of the oxy-fuel combustion power cycles with CO2 recirculation / A.N. Rogalev, N.D. Rogalev, V.O. Kindra, I.I. Komarov, O.V. Zlyvko // Energies. 2021. V. 14. No. 10. P. 2927. https://doi.org/10.3390/en14102927

  2. Heat transfer contributions of pins and endwall in pin-fin arrays: effects of thermal boundary condition modeling / M.K. Chyu, Y.C. Hsing, T.I.-P. Shih, V. Natarajan // J. Turbomachinery. 1999. V. 121. No. 2. P. 257–263. https://doi.org/:10.1115/1.2841309

  3. Development and research of the topology of cooling baffles for blades of the axial carbon dioxide turbines / I.I. Komarov, A.N. Vegera, P.A. Bryzgunov, B.A. Makhmutov, A.O. Smirnov // Eurasian Phys. Tech. J. 2022. V. 19. No. 2 (40). P. 48–57. https://doi.org/10.31489/2022No2/48-57

  4. Moon M.-A., Kim K.-Y. Analysis and optimization of fan-shaped pin–fin in a rectangular cooling channel // Int. J. Heat Mass Transfer. 2014. V. 72. P. 148–162. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.12.085

  5. Дрейцер Г.А. Критический анализ современных достижений в области интенсификации теплообмена в каналах // Труды Второй Рос. нац. конф. по теплообмену (РНКТ-2). Т. 6: Интенсификация теплообмена. М.: Изд-во МЭИ, 1998. С. 55–59.

  6. Han J.C., Dutta S., Ekkad S. Gas turbine heat transfer and cooling technology. CRC Press, 2012. https://doi.org/10.1201/b13616

  7. Han J.C., Dutta S. Internal convection heat transfer and cooling: An experimental approach // Lecture Series von Karman Institute for Fluid Dynamics. 1995. V. 5. P. 1–147.

  8. Gnielinski V. On heat transfer in tubes // Int. J. Heat Mass Transfer. 2013. V. 63. P. 134–140. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.04.015

  9. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982.

  10. Menter F.R., Kuntz M., Langtry R. Ten years of industrial experience with the SST turbulence model: Report on the Fourth Intern. Symp. on Turbulence. Antalya, Turkey, 2003 // Int. J. Heat Mass Transfer. 2003. V. 4. P. 625–632.

  11. Computer flow simulation and verification for turbine blade channel formed by the C-90-22 a profile / S. Osipov, I. Shcherbatov, A. Vegera, P. Bryzgunov, B. Makhmutov // Inventions. 2022. V. 7. No. 3. P. 68. https://doi.org/10.3390/inventions7030068

  12. Heat transfer enhancement and turbulent flow in a high aspect ratio channel (4 : 1) with ribs of various truncation types and arrangements / J. Liu, H. Safeer, J. Wang, L. Wang, G. Xie, B. Sunden // Int. J. Therm. Sci. 2018. V. 123. P. 99–116. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2017.09.013

  13. An experimental and numerical study of flow and heat transfer in cooling channels with pin fin-dimple and pin fin-groove arrays / V. Kindra, S. Osipov, D. Kharlamova, I. Shevchenko // Proc. of 13th European Conf. on Turbomachinery Fluid Dynamics & Thermodynamics (ETC-13). Lausanne, Switzerland, 2018. https://doi.org/10.29008/ETC2019-155

  14. Numerical study of flow and heat transfer in a rectangular channel with pin fin arrays and back ribs / V.O. Kindra, A.N. Rogalev, S.K. Osipov, O.V. Zlyvko, A.N. Vegera // Proc of 14th European Conf. on Turbomachinery Fluid Dynamics & Thermodynamics. Gdansk, Poland, 12–16 April 2021.

  15. Techno-economic analysis of the oxy-fuel combustion power cycles with near-zero emissions / V. Kindra, A. Rogalev, E. Lisin, S. Osipov, O. Zlyvko // Energies. 2021. V. 14. No. 17. P. 5358. https://doi.org/10.3390/en14175358

  16. Demonstration of the Allam cycle: An update on the development status of a high efficiency supercritical carbon dioxide power process employing full carbon capture / R. Allam, S. Martin, B. Forrest, J. Fetvedt // Energy Procedia. 2017. V. 114. P. 5948–5966. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.1731

  17. Филоненко Г.К. Гидравлическое сопротивление трубопроводов // Теплоэнергетика. 1954. № 4–5. С. 40–44.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал