433-Article Text-1859-1-10-20221025.Pdf

Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN TRẠNG THÁI NHIỆT VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRÊN CÁNH PHUN TUABIN CAO ÁP Vũ Đức Mạnh1,, Phạm Vũ Thành Nam1, Nguyễn Trung Kiên1, Đào Trọng Thắng1 Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn Tóm tắt Cánh phun tuabin cao áp làm việc điều kiện khắc nghiệt nhiệt độ trung bình nhiệt độ cục dịng khí đầu vào cánh có giá trị cao động Bài báo sử dụng ANSYS CFX Structural để tính tốn trạng thái nhiệt ứng suất nhiệt cho cánh phun cao áp động tuabin khí DR 76 xét tới phân bố nhiệt độ dịng khí nóng đầu vào theo hướng kính Kết tính tốn báo cho thấy nhiệt độ cực đại ứng suất nhiệt cực đại tương ứng nằm khu vực lưng bụng cánh, giá trị chúng thay đổi gần tuyến tính với chế độ hoạt động động (theo % tay ga) Từ khóa: Cánh phun; trạng thái nhiệt; ứng suất nhiệt; ANSYS CFX Mở đầu Cánh phun tầng tuabin cao áp động tuabin khí làm việc điều kiện khắc nghiệt tiếp xúc trực tiếp với dịng khí có nhiệt độ cao từ buồng đốt Dịng khí vừa có nhiệt độ trung bình cao nhất, vừa tồn vùng cục có nhiệt độ đạt tới 110% giá trị trung bình [1], biến thiên theo chiều hướng kính rõ rệt [2] Dạng đặc trưng phân bố nhiệt độ dịng khí trình bày hình Tại khu vực tiếp giáp vỏ vỏ ngồi có lượng nhiệt lớn truyền vỏ, đồng thời dịng khí làm mát kiểu màng chảy bọc vỏ ống chịu nhiệt buồng đốt làm nhiệt độ giảm đáng kể so với khu vực độ cao trung bình Khi nghiên cứu đảm bảo tuổi thọ độ bền cánh tuabin, ta cần xác định xác trạng thái nhiệt, ứng suất nhiệt cánh Hiện nay, có hai phương pháp để xác định, phương pháp thử nghiệm phương pháp tính tốn lý thuyết Trong phương pháp thử nghiệm có độ tin cậy cao đòi hỏi thiết bị chuyên dụng, phức tạp, có số sở nghiên cứu nước trang bị Theo phương pháp tính tốn lý thuyết, cần giải đồng thời tốn dịng chảy truyền nhiệt, người ta thường sử dụng CFD (Computational Fluid Dynamics) ANSYS (CFX, Fluent), LMS Virtual.Lab, STAR-CD, PHOENICS [4], [5] Trong ANSYS CFX sử dụng phổ biến cho toán liên quan đến cánh máy nén,  Email: ducmanhvu@mta.edu.vn 60 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 tuabin CFX sử dụng hỗn hợp phương pháp thể tích hữu hạn phần tử hữu hạn, cần mơ hình cho dịng có tốc độ tính chất vật lý khác [6] Hình Phân bố nhiệt độ dịng khí sau buồng đốt [3] (a) (b) Hình Mơ hình 3D cánh phun (a) màng phân phối (b) Đối tượng nghiên cứu báo cánh phun tầng tuabin cao áp động tuabin khí tàu thủy DR 76, làm mát kiểu đối lưu có màng phân phối khí bên (Hình 2) Khơng khí làm mát lấy từ luồng thứ cấp buồng đốt qua lỗ phía cánh vào bên màng phân phối khí Các lỗ phân phối khí đưa dịng khí làm mát qua phần đầu cánh, chảy qua khe màng phân phối với bụng (hoặc lưng) trước thải qua khe phía cánh Bài báo trình bày cách thức xây dựng mơ hình truyền nhiệt ANSYS CFX mơ hình tính ứng suất nhiệt ANSYS Static Structural Mơ hình áp dụng để tính tốn cho cánh phun cao áp động tuabin khí DR 76 coi nhiệt độ dịng khí đầu vào có phân bố theo hình [3] chế độ vận hành ổn định điển hình [7] (100%, 80%, 62,5%, 50% tay ga, đảo chiều) Xây dựng mơ hình tính tốn Để xây dựng mơ hình tính tốn trạng thái nhiệt ứng suất cánh phun ANSYS, ta sử dụng gói công cụ CFX Static Structural Kết trạng thái nhiệt cánh Solution CFX thông số đầu vào Setup - Static Structural để tính ứng suất nhiệt Mơ hình dịng chảy truyền nhiệt CFX xây dựng với bước chính: Xây dựng mơ hình cánh dịng khí bao quanh cánh (Hình 2); Chia lưới ANSYS ICEM CFD; Tính tốn, lựa chọn số liệu biên; Cài đặt mơ hình ANSYS Setup; Giải ANSYS Solution; Quản lý xử lý kết ANSYS Result Phần mềm CFX xây dựng dựa phương trình hệ phương trình Navier-Stokes [8] Các phương trình xây dựng cho khối kết hợp với điều kiện biên, mơ hình rối đặc tính dịng mơi chất để xác định trạng thái tồn dòng 61 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 Việc truyền nhiệt phân bố nhiệt độ giải từ phương trình bảo tồn lượng Ngồi ra, mơ hình cịn có q trình truyền nhiệt liên hợp (CHT - conjugate heat transfer) dịng khí cánh dạng khối rắn, nơi mà việc bảo toàn lượng bao gồm yếu tố dao động phân tử, truyền nhiệt nguồn nhiệt thể tích [8]   h     us h     T   S E t (1) h, ρ λ tương ứng entanpi, khối lượng riêng hệ số dẫn nhiệt vật rắn; SE - nguồn nhiệt thể tích CFX chứa hầu hết loại mơ hình rối phổ biến xây dựng tảng RANS [9], [10]: None (Laminar), k-ε, Shear Stress Transport (SST), BSL Reynolds Stress, SSG Reynolds Stress, k-Epsilon EARSM, Zero Equation, RNG k-Epsilon, k-Omega, Eddy Viscosity Transport Equation, BSL, BSL EARSM, LRR Reynolds Stress, QI Reynolds Stress, Omega Reynolds Stress Dịng chảy gần vách chia thành hai lớp [10]: Lớp tuyến tính phụ (lớp cùng) lớp lơgarit, chúng lớp đệm Mơ hình tốn học dịng biên CFX phát triển từ phương pháp Launder Spalding đề xuất, vận tốc dịng gần vách xác định theo quy luật lôgarit với ứng suất bề mặt τω [8] Trong mơ hình truyền nhiệt từ dịng khí vào thành vách CFX cường độ dòng nhiệt (qw) tổng dòng đối lưu (qcond) dòng xạ (qrad), tính theo thơng số nhiệt độ khơng thứ nguyên T+ [8] qw   T0  Tw    C pu* Tw  T f  (2) T đó: Tw - nhiệt độ vách; Tf - nhiệt độ dịng khí gần vách Đối với lựa chọn “Scalable Wall Functions” “Automatic Wall Treatment”, T+ xác định tương ứng phương trình (3) (4) [8] T   2,12ln  y*    (3)  1    T   Pr y*e    2,12ln  y*     e   (4)   0, 01 Pr y*   u*n   3,85 Pr  1,3  2,12 ln Pr y  ;  ;      Pr y* 4v   * Các thơng số hình học cánh đo đạc thực tế động cắt bổ lấy từ [11] (Bảng 1), từ xây dựng mơ hình 3D cánh phun cao áp phần mềm NX 12.0 (Hình 2) 62 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 Bảng Một số thông số hình học cánh phun cao áp động tuabin khí DR 76 Thơng số Giá trị Nguồn Chiều cao cánh, (mm) 28 Đo Dây cung biên dạng, (mm) 42 Đo Chiều dày thành cánh, (mm) Đo, [11] Khoảng cách bên cánh va màng phân phối, (mm) 0,8 Đo, [11] Chiều dày màng phân phối, (mm) 0,5 [11] 4; 0,5x5 Đo Góc hình học đầu vào, (độ) 90 Đo, [11] Góc hình học đầu ra, (độ) 14 Đo, [11] Số lượng; kích thước mặt cắt khe khí cánh, (mm x mm) Hình Lưới mơ hình mặt cắt trung bình Trong việc chia lưới cần ý tới phương pháp chia lưới, thiết lập chia lưới tổng thể, thiết lập chia lưới cục bộ, kiểm tra chất lượng lưới Do dòng biên có biến thiên lớn vận tốc nhiệt độ, lưới khu vực gần vách cần chia mịn (thường sử dụng Inflation) đánh giá thông qua thông số không thứ nguyên y+ [10], [12] Kết ta thu lưới với khoảng 22 triệu phần tử, 8,7 triệu nút Mơ hình lưới mặt cắt trung bình trình bày hình Các tiêu đánh giá chất lượng lưới mơ hình (như Orthog Angle Aspect Ratio) đạt mức cao Riêng Exp Factor có 1% số phần tử vượt 20, lại đa số đạt yêu cầu (2%) đạt mức xuất sắc (>97%) Với mơ hình dịng khí có hình dạng phức tạp (bên cánh), tồn số lượng nhỏ khối không đạt yêu cầu điều chấp nhận 63 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 Bảng Thông số dịng khí biên theo chế độ tính toán [7], [13], [14], [15] Chế độ, % tay ga 100 80 62,5 50 Đảo chiều 1203 1039 914 818,2 943,3 đầu vào dịng khí nóng, Tg* (K) 1246 1163 1100 1055 1156 Áp suất tĩnh đầu ra, p1 (kPa) 859,8 722,2 637,2 569,9 647 Áp suất toàn phần đầu vào * khơng khí làm mát, pkk (kPa) 1233 1080 950 850 980 Nhiệt độ toàn phần đầu vào khơng khí làm mát, Tkk* (K) 637 610 587,5 568,3 596,7 Áp suất toàn phần đầu vào dịng khí nóng, p*g (kPa) Nhiệt độ tồn phần trung bình Bảng Một số cài đặt ANSYS Setup Thơng số Dịng khí Vật liệu cánh Mơ hình truyền nhiệt Giá trị Ghi Khí lý tưởng GS-6K Thơng số vật lý từ [16] Total Energy Dải giá trị y+