Tính toán trường nhiệt độ cánh phun động cơ tuabin khí tàu thủy

Bài viết trình bày cách xây dựng mô hình truyền nhiệt bằng phần mềm ANSYS CFX nhằm tính toán xác định trường nhiệt độ cánh phun có làm mát của tầng tuabin cao áp động cơ tuabin khí tàu thủy DR 76.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Tính tốn trường nhiệt độ cánh phun động tuabin khí tàu thủy Calculating the temperature field of marine gas turbine engines’ nozzle blades Vũ Đức Mạnh*, Nguyễn Trung Kiên, Đào Trọng Thắng Học viện Kỹ thuật Quân *Email: ducmanhvu@mta.edu.vn Mobile: 0963412178 Tóm tắt Từ khóa: cánh phun; CFX; làm mát; truyền nhiệt; trường nhiệt độ Để đáp ứng xu hướng tăng nhiệt độ dịng khí trước tuabin phương án làm mát cánh tuabin không ngừng cải tiến Trong tính tốn thiết kế để đánh giá hiệu phương án làm mát khác cần phải xác định trường nhiệt độ cánh tuabin, chi tiết trực tiếp tiếp xúc với khí nóng Bài báo trình bày cách xây dựng mơ hình truyền nhiệt phần mềm ANSYS CFX nhằm tính tốn xác định trường nhiệt độ cánh phun có làm mát tầng tuabin cao áp động tuabin khí tàu thủy DR 76 Abstract Keywords: Cooling; CFX; heat transfer; nozzle blade; temperature field Cooling technology for turbine blades has been constantly improved in order to overcome the issue of increasing airflow temperature in front of the turbine To evaluate the various cooling options in designing, it is necessary to determine temperature field of the turbine blades, which directly contact with the hot air This article builds a heat transfer model using ANSYS CFX package in order to calculate the temperature field of the nozzle blades of a marine gas turbine DR 76 engine’s high-pressure turbine Ngày nhận bài: 29/06/2018 Ngày nhận sửa: 04/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 MỞ ĐẦU Trong tuabin cánh phun cánh cơng tác chi tiết trực tiếp tiếp xúc với khí cháy, nhiệt độ chúng cao cần cường độ làm mát cao Hiện để làm mát cánh phun cánh cơng tác có ba biện pháp sử dụng làm mát kiểu đối lưu, đối lưu - màng xốp thấm [1] Để đánh giá hiệu làm mát cánh người ta dùng hệ số làm mát    Tg  Tb  Tg  Ta  [1] Trong đó: Tg - nhiệt độ dịng khí nóng chảy qua cánh; Tb - nhiệt độ trung bình cánh; Ta nhiệt độ khơng khí làm mát Hệ số θ phụ thuộc vào kiểu làm mát lưu lượng không khí làm mát HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hệ số θ đánh giá khả làm mát nhiệt độ trung bình cánh, thực tế, nhiệt độ cánh tuabin không đồng Điều dẫn tới trường hợp nhiệt độ trung bình cánh tuabin nằm giới hạn cho phép số điểm nhiệt độ cục vượt giới hạn chịu đựng vật liệu, gây nên tượng cháy cánh cục Việc phân bố không nhiệt độ cánh tuabin giải thích lý chính: nhiệt độ dịng khí nóng khơng đồng đều, hệ số tản nhiệt α bề mặt cánh số [2], phân bố dịng khí làm mát tới vùng cánh chưa đồng đều, đồng thời dịng khơng khí làm mát hấp thụ nhiệt trình chảy nên cường độ làm mát sau giảm Để đánh giá độ bền nhiệt cánh tuabin ngồi nhiệt độ trung bình cánh cần xem xét trường nhiệt độ cánh tuabin Việc tính tốn, xác định trường nhiệt độ cánh tuabin việc quan tâm từ lâu, vấn đề mang tính thời Sự phát triển công nghệ làm mát cánh tuabin thực mang lại hiệu việc nâng cao tuổi thọ, độ bền cánh, đồng thời đáp ứng tốc độ tăng nhiệt độ dịng khí sau buồng đốt Đối với tầng cánh động hoạt động với điều kiện đặc trưng, không lặp lại động khác, để đảm bảo tuổi thọ động cần nghiên cứu kỹ lưỡng trường nhiệt độ tầng cánh cụ thể Việc xác định trường nhiệt độ cánh tuabin việc làm phức tạp Hiện có hai phương pháp để xác định phương pháp thử nghiệm phương pháp tính tốn lý thuyết [3] Trong phương pháp thử nghiệm có độ tin cậy cao địi hỏi thiết bị chuyên dụng, phức tạp, có số sở nghiên cứu nước trang bị Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng phương pháp lý thuyết để xây dựng mơ hình truyền nhiệt nhằm tính tốn trường nhiệt độ cánh phun tầng tuabin cao áp động DR 76, chế độ tải điển hình (100%, 80%, 62,5%, 50% đảo chiều) [5,6] Cánh phun tầng tuabin cao áp động tuabin khí DR 76 làm mát kiểu đối lưu có màng chắn phân phối khí bên (Hình 1) Khí làm mát lấy từ luồng thứ cấp buồng đốt, sau qua lỗ phía cánh vào bên màng phân phối khí Các lỗ phân phối khí đưa phần dịng khí làm mát qua phần đầu cánh, chảy qua khe màng phân phối với bụng (hoặc lưng) trước thải qua khe phía cánh Phần khơng khí cịn lại tới chân cánh, qua khe hở thiết bị phun vành chân cánh, sau thổi làm mát chân cánh cơng tác Hình Cánh phun tầng cao áp động DR 76 [4] HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 LỰA CHỌN MƠ HÌNH DỊNG CHẢY VÀ PHẦN MỀM TÍNH TỐN Việc truyền nhiệt cánh phun động DR 76 chia thành đoạn sau: q trình truyền nhiệt từ dịng khí vào bề mặt bên ngồi cánh phun; q trình dẫn nhiệt bên cánh phun; trình tản nhiệt từ cánh phun vào dịng khơng khí chảy cánh phun màng phân phối Trong phức tạp xác định hệ số tản nhiệt α giữa: khí nóng bề mặt ngồi cánh; bề mặt cánh khơng khí làm mát Ta thấy rằng, việc truyền nhiệt từ dịng khí vào thành vách thực chất trình trao đổi nhiệt lớp biên thành vách Hệ số α cục biến thiên theo chi tiết, theo bề mặt biên dạng, theo chiều cao cánh, chế độ làm việc cánh khác có giá trị khác nhau, đặc biệt phụ thuộc vào cấu trúc dòng chảy lớp biên sát với bề mặt cánh [2] Để giải tốn dịng chảy có phương pháp mơ hình tính trực tiếp (Direct Numerical Simulation- DNS), mơ hình xốy rộng (Large Eddy Simulation, LES) phương pháp giải trung bình Reynolds phương trình Navier-Stokes (Reynolds-Averaged NavierStokes, RANS) Do DNS LES đòi hỏi nguồn tài nguyên máy tính lớn nên RANS sử dụng hầu hết toán kỹ thuật [7] RANS chia thành nhiều mơ hình rối, khơng có mơ hình tối ưu cho tất trường hợp dòng chảy Các mơ hình chia thành nhóm chính: nhóm đại số, nhóm dịch chuyển ứng suất Reynold, nhóm vi phân Nhóm mơ hình thứ (đại số) cho kết đạt yêu cầu với dòng chảy đơn giản Nhóm mơ hình thứ hai (dịch chuyển ứng suất Reynold) sử dụng giải toán có biên dạng bên phức tạp, mơ tả khơng tốt q trình chảy gần thành vách [8] Hiện nhóm mơ hình vi phân tiếp tục hoàn thiện, phát triển dùng phổ biến Đối với trình chảy máy cánh người ta thường sử dụng mơ hình Spalart–Allmaras k-SST, đặc biệt phần mềm CFD [9] Việc xác định trường nhiệt độ cánh tuabin thực chất giải phương trình [2]   T  x  x    T     y  y    T     z  z    c p T     (1) Khi giải tốn cụ thể cần bổ sung thêm điều kiện, bao gồm đặc tính hình học, vật lý điều kiện biên Trong tính tốn trường nhiệt độ ĐCTBK thường sử dụng điều kiện biên loại 3, biết nhiệt độ mơi trường xung quanh (khí khơng khí làm mát) hệ số trao đổi nhiệt hệ tọa độ không gian thời gian [2]: Như vậy, bề mặt cánh phía khí nóng bề mặt phía khơng khí làm mát ta có phương trình sau:  T      g Tg*  Tn0    n  n   T      a Tn 0  Ta*    n  n  (2) (3) Tn=0 – nhiệt độ bề mặt cánh; Tg*, Ta*– nhiệt độ toàn phần dịng khí dịng khơng khí làm mát; αg, αa - hệ số tản nhiệt khí dịng khơng khí Ngồi điều kiện biên loại 3, giải tốn dẫn nhiệt cịn sử dụng điều điện biên: Điều kiện biên loại gồm phân bố nhiệt độ bề mặt theo tọa độ không gian thời gian; HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018  T  qn0      n  n  Điều kiện biên loại 4: nhiệt độ bề mặt tiếp xúc có điều kiện Điều kiện biên loại 2: phân bố dòng nhiệt bề mặt cánh (4)  T   T  T1  T2 ; 1    2    n   n  (5) Để giải tốn dịng chảy truyền nhiệt máy cánh người ta thường dùng phần mềm CFD chuyên dụng, phổ biến phần mềm ANSYS CFX, ANSYS Fluent Numeca FINE/Turbo,… [9] Trong phần mềm ANSYS CFX dựa theo nguyên lý phần tử hữu hạn, có khả giải đồng thời tốn dịng chảy truyền nhiệt, đáp ứng yêu cầu nghiên cứu trường nhiệt độ cánh tuabin [10] Từ lý mà báo sử dụng phần mềm ANSYS CFX với mơ hình dịng chảy rối k-ε để tính tốn MƠ HÌNH TÍNH TỐN VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN TRONG ANSYS CFX Một số thơng số hình học cánh phun trình bày Bảng Các thơng số đo đạc động cắt bổ Học viện Hải quân Nha Trang lấy từ tài liệu [4] Bảng Một số thông số hình học cánh phun tầng cao áp động DR 76 TT Thông số Chiều cao cánh,mm Dây cung biên dạng,mm Chiều dày cánh,mm Khoảng cách bên cánh va màng chắn,mm Chiều dày màng chắn, mm Số lượng khe khí cánh Kích thước mặt cắt khe khí cánh, mmxmm Góc hình học đầu vào, độ Góc hình học đầu ra, độ Giá trị 28 42 0,8 0,5 0,5x5 90 14 Nguồn số liệu Đo Đo Đo, [4] Đo, [4] [4] Đo Đo Đo, [4] Đo, [4] Thơng số dịng khí biên lấy từ lý lịch động [6] kết tính tốn chu trình nhiệt động động DR 76 [11, 12] Bảng Thông số dịng khí biên TT Chế độ, % tải Áp suất toàn phần đầu vào khí nóng, kPa Nhiệt độ tồn phần đầu vào khí nóng, K Áp suất tĩnh đầu ra, kPa Áp suất toàn phần đầu vào khơng khí làm mát, kPa Nhiệt độ tồn phần đầu vào khơng khí làm mát, K Áp suất đầu khơng khí chân cánh, kPa 100 1203 1246 859,8 1233 637 859,8 80 1039 1163 722,2 1080 610 722,2 62,5 914 1100 637,2 950 587,5 637,2 50 818,2 1055 569,9 850 568,3 569,9 Đảo chiều 943,3 1156 647 980 596,7 647 Mô hình xây dựng chia lưới phần mềm ANSYS CFX (Hình 2) Để tiết kiệm tài nguyên máy tính đảm bảo độ xác tốn, kích thước phần tử dịng khí HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 sát bề mặt cánh chia 1/10 so với phần lại Ở tồn dịng biên q trình trao đổi nhiệt dịng khí cánh Số phần tử, số nút dịng khí tương ứng là: 25202658, 4711718; cánh tương ứng là: 128167; 29880 Trong mơ hình có đầu vào: đầu vào dịng khí nóng khơng khí làm mát; đầu gồm đầu dịng khí dịng khơng khí thổi làm mát chân cánh cơng tác Thơng số dịng khí biên trình bày Bảng Phần không gian lưu thông mạng cánh chia thành 42 phần (42 cánh), biên hai bên có đặc tính chu kỳ Trong mơ hình này, khí lựa chọn khí lý tưởng với thơng số vật lý lấy từ [16] Vật liệu cánh hợp kim Niken ЖС-6К với thông số vật lý lấy từ [17] a, b, Hình Mơ hình dịng chảy qua cánh phun tuabin cao áp động DR 76 a - mơ hình chia lưới; b - biên KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 Phân bố trường nhiệt độ bề mặt cánh phun Kết tính tốn trường nhiệt độ cánh phun phần mềm ANSYS CFX thể Hình Hình 4, kết khơng mâu thuẫn với kết công bố tài liệu [13], [14], [15] Kết Hình Hình ta thấy: - Trường nhiệt độ cánh phun hai chế độ lớn nhỏ thường xuyên hoạt động đồng dạng với nhau; - Vị trí vùng nhiệt độ cực đại gần khơng thay đổi; a, b, Hình Trường nhiệt độ bề mặt cánh phun chế độ 100% tải a - bụng cánh; b - lưng cánh HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 a, b, Hình Trường nhiệt độ bề mặt cánh phun chế độ 50% tải a - bụng cánh; b - lưng cánh Đối với trường hợp lại, trường nhiệt độ có hình dáng tương tự Trên cánh, kết nhiệt độ cực đại Tmax, nhiệt độ trung bình Ttb, hệ số chênh lệch nhiệt tương đối  T  Tmax  Ttb  Ttb chế độ trình bày đồ thị Hình Ta thấy nhiệt độ cực đại nhiệt độ trung bình giảm giảm chế độ, tức chế độ nhiệt khắc nhiệt chế độ 100% tải Cịn hệ số chênh lệch nhiệt δT có xu hướng tăng giảm chế độ đạt cực đại chế độ đảo chiều (δT=0,302) Hình Đồ thị biểu diễn số thông số chênh lệch nhiệt độ cánh chế độ Hình Đường luồng khơng khí làm mát chế độ 100% tải 4.2 Nhiệt độ cực đại Trên Hình ta thấy vùng nhiệt độ cực đại nằm khu vực độ cao trung bình mép đầu vào cánh Điều giải thích số lý sau: - Khu vực có nhiệt độ dịng khí cao (Hình 8); - Ở chân đỉnh cánh lượng nhiệt lớn truyền nhiệt biên; - Ở vùng mép đầu vào kết cấu chưa đủ lượng khơng khí làm mát hay nói cách khác kết cấu chưa định hướng dịng khơng khí làm mát vào vùng nhiệt lớn (Hình 6) Từ Bảng ta thấy rằng, trừ chế độ đảo chiều, độ chênh Tmax ( Tmax  Tg*  Tmax ) nhiệt độ cực đại (Tmax) cánh so với nhiệt độ (Tg*) dịng khí khơng cao, nằm khoảng 43 ÷ 65K HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Độ chênh nhiệt độ ∆Tmax chế độ TT Chế độ, % tải Tg*, K Tmax, K ∆Tmax, K 100% 1246 1192 54 80% 1163 1120 43 62,5% 1100 1038,5 61,5 50% 1055 990,6 64,4 Đảo chiều 1156 1067 89 4.3 Hệ số làm mát tỷ lệ lưu lượng khơng khí làm mát Kết Hình cho thấy, với tỷ lệ lưu lượng khơng khí chảy qua cánh (khơng khí chảy vịng qua kênh bề mặt bên cánh màng chắn) tăng lên hệ số làm mát θ tăng theo đường tuyến tính Trị số tính tốn θ tương đối cao nhiệt độ trung bình cánh lấy nhiệt độ trung bình bề mặt bên ngoài, bên cánh phun, bề mặt bên ngoài, bên màng chắn Hình Đồ thị biểu diễn mối quan hệ hệ số làm mát θ với tỷ lệ lưu lượng khơng khí làm mát Ga chế độ Hình Phân bố nhiệt độ dịng khí mặt cắt trung bình (chế độ 100%) 4.4 Diễn biến áp suất, nhiệt độ vận tốc dịng khí dọc theo phần lưu thơng Hình Phân bố áp suất dịng khí mặt cắt trung bình (chế độ 100%) Hình 10 Đường vận tốc dịng khí mặt cắt trung bình (chế độ 100%) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Mơ hình cho ta kết trường áp suất, nhiệt độ, vận tốc dịng khí phần lưu thơng mặt cắt (Hình 8, 9, 10) Ở chế độ khác kết tương đối giống phân bố, hay nói cách khác, đặc tính chảy dịng khí phần lưu thơng chế độ tương tự KẾT LUẬN Bằng cách xây dựng mơ hình phù hợp phần mềm đại ANSYS CFX, hồn tồn tính tốn trường nhiệt độ chi tiết động tua bin khí Trong báo trình bày cụ thể nội dung tính tốn trường nhiệt độ cánh phun chế độ vận hành Các kết thu cho phép đưa số nhận xét sau: - Các kết tính tốn thu phù hợp với cơng bố cơng trình nghiên cứu trước đây; - Đặc tính dịng chảy trường nhiệt độ chế độ vận hành đồng dạng với nhau; - Tại chế độ 100% tải cánh chịu nhiệt độ cực đại cục bộ, nhiệt độ trung bình cao Cịn chế độ đảo chiều có chênh lệch nhiệt độ lớn nhất; Để giảm nhiệt độ cục tăng mức độ đồng trường nhiệt độ cánh phun cần có thêm giải pháp mới, số có giải pháp thiết kế lại hệ thống màng phân phối không khí làm mát TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Иноземцев А.А, Сандрацкий В.Л, Газотурбинные двигатели, Авиадвигатель, г Пермь-2006 [2] Локай В.И, Бодунов М.Н, Жуйков В.В, Щукин А.В Теплопередача в охладаемых деталях газотурбинных двигателей летательных аппаратов Машинностроение, 1985 - 216с [3] Галицейский Б.М, Совершенный В.Д, Формалев В.Ф, Черный М.С Тепловая защита лопаток турбин- м: Изд-во МАИ,1996-356с [4] Двигатель ДР 76 Техническое описание, Зоря - Машпроект, 2005 [5] Изделие М15Э.1 ОМ5 Инструкция по эксплуатаций, Зоря - Машпроект, 2005 [6] Двигатель ДР 76 Формуляр, Зоря - Машпроект, 2005 [7] С В Ершов, Программный комплекс для расчета пространственных течений вязкого газа в решетках турбомашин ISSN 0131–2928 Пробл машиностроения, 2012, Т 15, № 3–4 [8] Волков К.Н, Емельяков В.Н, Моделирование крупных вихрей в расчетах турблентных течений М: Физматлит, 2008-306с- ISBN 978-5-9221-0920-8 [9] С В Ершов Развитие программного комплекса расчета пространственных течений в турбомашинах ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения 2/2011 [10] ANSYS CFX analysis guide // ANSYS DOCUMENTATION [11] Vũ Đức Mạnh, Hà Huy Thắng, Đào Trọng Thắng, Nguyễn Trung Kiên Tính tốn chu trình nhiệt động tuabin khí chế độ vận hành phần mềm GateCycle Tạp chí Phát triển KH&CN- Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh,ISSN: 1859-0128, tập 20, số K5-2017 [12] Vũ Đức Mạnh, Nguyễn Trung Kiên, Đào Trọng Thắng Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ môi trường tới chu trình nhiệt động tuabin khí tàu thủy DR 76 chế độ tải cục Hội nghị KH&CN Giao thông vận tải lần IV, 5/2018 Nhà xuất Giao thông vận tải, ISBN: 978-604-76-1578-0 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 [13] Красавин Д.А , Диссетация к.т.н “Разработка методики расчета и исследования температурного состояния лопаток газовых турбин”, МАТИ, 2008 [14] С.И Сендюрев, А.С Тихонов, В.Т Хайрулин, Н.Ю Самохвалов “Современные системы охлаждения сопловых лопаток высоконагруженных газовых турбин”, Вестник ПНИПУ-Аэрокосмическая техника, 2015 No 42 [15] С.И Сендюрев “Охладение сопловых лопаток” http://permmotors.com/upload/pages/7007/IB_18N_15_Ohlazhdenie.pdf [16] Варгафтик, Н.Б Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей [Текст]: 2-ое изд./ Н.Б Варгафтик М.: Наука, 1972 -721с [17] Заббаров Р Материалы и технологические процессы изготовления заготовок и отливок аэрокосмического назначения ISBN 978-5-0691-9 Самара, Изд-во Самар Гос Аэрокосм Ун-та, 2008-92с ... nên cường độ làm mát sau giảm Để đánh giá độ bền nhiệt cánh tuabin ngồi nhiệt độ trung bình cánh cần xem xét trường nhiệt độ cánh tuabin Việc tính tốn, xác định trường nhiệt độ cánh tuabin việc... truyền nhiệt nhằm tính tốn trường nhiệt độ cánh phun tầng tuabin cao áp động DR 76, chế độ tải điển hình (100%, 80%, 62,5%, 50% đảo chiều) [5,6] Cánh phun tầng tuabin cao áp động tuabin khí DR... - Trường nhiệt độ cánh phun hai chế độ lớn nhỏ thường xuyên hoạt động đồng dạng với nhau; - Vị trí vùng nhiệt độ cực đại gần không thay đổi; a, b, Hình Trường nhiệt độ bề mặt cánh phun chế độ