B&B-AGEMA использует решения Siemens Digital Industries Software для поиска оптимального решения

Численное моделирование пленочного охлаждения для достижения наилучших результатов

Поиск способов повышения температуры на выходе из камеры сгорания и на входе в ступень турбины высокого давления имеет ключевое значение для повышения эффективности работы газовой турбины. Однако высокие рабочие температуры ставят под угрозу целостность компонентов турбины высокого давления, особенно ее лопаток, так как температура на входе в ступень современной турбины превышает температуру плавления материалов лопастей. Для решения этой проблемы в конструкции лопастей турбин используется технология, известная как пленочное охлаждение.

Во время пленочного охлаждения холодный воздух выводится из ступени компрессора, направляется во охлаждающие каналы лопаток и выпускается через небольшие отверстия в их стенках. Этот воздух создает тонкий прохладный изолирующий слой по всей поверхности лопаток.

L30A от Kawasaki Heavy Industries (KHI) — самая эффективная в мире газовая турбина в классе мощности 30 МВт. Она была разработана KHI при поддержке B&B-AGEMA GmbH (B&B-AGEMA), проектно-конструкторской компании из города Ахена (Германия), специализирующейся на проектировании оборудования и установок для преобразования энергии, прежде всего, компонентов газовых турбин. B&B-AGEMA тесно сотрудничает с Siemens Digital Industries Software в области вычислительной гидрогазодинамики и освоения новых методов расчета задачи сопряженного теплообмена. B&B-AGEMA является признанным экспертом в области сопряженного теплообмена, применения вычислительной гидрогазодинамики (CFD) для прогнозирования теплового потока между твердым телом и газом или жидкостью, движущихся над ним или внутри него.

Сотрудничество B&B-AGEMA и KHI началось в 1990-х годах, когда компания KHI обратилась к B&B-AGEMA за помощью в решении сопряженной теплопередачи для улучшения внутреннего охлаждения лопастей турбин. B&B-AGEMA разработала новаторскую технологию пленочного охлаждения, в которой вместо обычных цилиндрических отверстий используются лопастеобразные отверстия для направления потока воздушных струй с целью повышения эффективности охлаждения.

С 2000-х годов B&B-AGEMA использует CFD-методы для численного моделирования пленочного охлаждения. Компания разработала методику двухструйного пленочного охлаждения, а также технологию пленочного охлаждения Nekomimi. Эти проекты были тесно связаны с признанием KHI того, что технологический прогресс требует более широкого использования методов вычислительной гидрогазодинамики и алгоритмов оценки всей области проектных решений по поиску оптимального решения Изначально для оценки эффективности охлаждения при использовании отверстий в лопастях газовых турбин разной формы компании B&B-AGEMA и KHI вручную выполняли оценку всей области проектных решений с помощью программного обеспечения Simcenter™ STAR-CCM+™ от Siemens. Однако такой подход не позволял делать работу быстро и предполагал большое количество итераций. Среды исследуемых форм отверстий была такая, которой партнеры дали название Nekomimi, что по-японски означает «кошачьи уши».

Figure 4: Computational domain used to virtually test the cooling effectiveness of different shaped holes. The adiabatic film cooling effectiveness has been spatially averaged on the surface highlighted in red.

Область расчета, используемая для виртуального тестирования эффективности охлаждения при применении отверстий различной формы (рис. 4), состоит из главного канала и области высокого давления для подачи охладителя, соединенных отверстием для пленочного охлаждения. Стенки на боковых сторонах определяются как плоскости симметрии для представления ряда отверстий пленочного охлаждения, типичных для применения в газовых турбинах. Область высокого давления служит для подачи охлаждающего воздуха в отверстие для пленочного охлаждения. Эффективность адиабатического пленочного охлаждения была усреднена по поверхности, выделенной на рис. 4 красным цветом. Ширина и длина области одинаковы для всех конфигураций; это позволяет сравнивать различные конструкции охладительных отверстий с одинаковыми значениями массового расхода охладителя, так как они имеют одинаковое потребление охлаждающего воздуха на единицу площади.

Как показано на рис. 5, в конкретном сравнении отверстие Nekomimi аналогичного размера дало примерно одинаковую эффективность пленочного охлаждения при значительно более низком массовом расходе по сравнению с лопастеобразным отверстием. Обратите внимание, что по нормализованной шкале от 0 до 1, которая обычно применяется для оценки эффективности охлаждения, красный=1 (высокая эффективность), а фиолетовый=0 (низкая эффективность).

Как можно увидеть на рис. 6, в результате с помощью Nekomimi было достигнуто значительное повышение эффективности охлаждения на 200–300 % по сравнению с отверстиями стандартной формы, и эта технология была совместно запатентована B&B-AGEMA и KHI.

Figure 5: Comparison of cooling effectiveness and mass flow rate for a Nekomimi versus fan-shaped hole.

Преимущества отверстий Nekomimi

Воздух, используемый для пленочного охлаждения газовых турбин, извлекается из компрессора высокого давления турбины, поэтому увеличение количества воздуха, используемого для охлаждения, снижает тепловую эффективность турбины. Кроме того, пленочное охлаждение приводит к потерям при смешении и снижению общей температуры горячего газа турбины. Эти недостатки можно устранить путем уменьшения количества необходимого охлаждающего воздуха и более однородного распределения температуры в твердых телах.

Закачивание охлаждающей жидкости через отверстие приводит к ситуации «струя в перпендикулярном потоке» (рис. 7). В результате взаимодействия между струей охладителя и перпендикулярным потоком образуются структуры вторичного потока, в том числе вихри, что может снижать эффективность пленочного охлаждения. Эти недостатки можно устранить путем использования отверстия заданной формы вместо круглого отверстия, что уменьшает соотношение количества движения между охладителем и перпендикулярным потоком на выходе из охладительного отверстия (из-за замедления потока внутри диффузорной части отверстия заданной формы), а также за счет эффекта Коанда, который способствует прохождению потока вдоль стены за отверстием. Для уменьшения нежелательного смешивания охладителя с горячим газом, что позволяет сохранить охлаждающий слой у поверхности лопасти турбины, в 1999 году компания B&B-AGEMA представила технологию двухструйного пленочного охлаждения (DJFC).

Figure 7: Each cooling hole is a jet in cross-flow.

Технология Nekomimi

В 2008 году компания B&B-AGEMA впервые представила новые отверстия, которые были придуманы на основе концепции двухструйного пленочного охлаждения: технология Nekomimi. Она подразумевает объединение двух цилиндрических отверстий в конструкции с одним отверстием для устранения неэффективной подачи воздуха. Этот эффект достигается путем перемещения отверстий в конфигурации двухструйного пленочного охлаждения в одно и то же положение по направлению потока (рис. 9, шаг 1), совмещения отверстий (рис. 9, шаг 2) и замены двух питающих отверстий одним центральным (рис. 9, шаг 3).

Figure 9: Nekomimi design concept: step 1 DJFC (left); step 2 (middle); step 3 Nekomimi (right).

Автоматизированное исследование всей области проектных решений для поиска оптимального решения при разработке технологии Nekomimi

Далее B&B-AGEMA и KHI решили автоматизировать поиск конструкций с помощью HEEDS™ — мощного пакета программного обеспечения для исследования всей области проектных решений и поиска оптимального решения от компании Siemens. Это позволило партнерам оценить сотни конструкций за отрезок времени, в который ранее можно было оценить лишь небольшое количество, и методично сравнить большое количество традиционных конструкций лопастеобразных отверстий с отверстиями Nekomimi.

Конструкторы B&B-AGEMA и KHI совместно с Siemens провели автоматизированный поиск оптимальной конструкции, чтобы прийти к форме Nekomimi, одновременно достигнув взаимоисключающих целей: низкого массового расхода охладителя и высокой эффективности адиабатического пленочного охлаждения на испытательном участке. В рамках 349 вариантов гидрогазодинамического анализа параметры, определяющие форму отверстий Nekomimi (рис. 10a), каждый раз варьировались. Так была получена граница Парето, обозначающая оптимальное соотношение между этими двумя целями. Кроме того, в ходе более чем 299 симуляций выполнялся поиск оптимальной конструкции лопастеобразных отверстий для пленочного охлаждения, продемонстрировавший преимущества технологии Nekomimi.

Figure 10a: Nekomimi design parameters.

Процедура поиска конструкции

Процесс автоматизированного исследования всей области проектных решений по поиска оптимального решения выполнялся с помощью HEEDS. Для параметрического моделирования CAD-геометрии использовалось программное обеспечение NX™ от Siemens, а для расчета процессов гидрогазодинамики и теплообмена — Simcenter STAR-CCM+.

Для каждой симуляции в HEEDS выбирался набор конструктивных параметров, а создание обновленной геометрии запрашивалось в средстве моделирования CAD (NX). Затем в Simcenter STAR-CCM+ импортировалась новая геометрия с автоматическим созданием соответствующей дискретизированной сетки области расчета и моделировались течение жидкости и теплопередача. Результаты возвращались пользователю в интерактивном режиме через HEEDS.

В HEEDS эффективно использовались показатели производительности для выбора нового набора проектных переменных для форм отверстий, затем процесс выполнялся повторно для выявления наиболее оптимальных вариантов конструкций среди ограниченного числа вариантов.

Конструкторы совместно участвовали в процессе поиска: они предлагали конструкции для оценки, опираясь на интуицию.

Figure 11: Film cooling effectiveness for all tested Nekomimi and fan-shaped film cooling hole designs

Результаты исследований области проектных решений

Обзор результатов наилучших из возможных форм отверстий представлен границей Парето, которая изображена на рис. 11 и демонстрирует наиболее подходящие отверстия Nekomimi (синяя штрихпунктирная линия) и лопастеобразные отверстия (красная штрихпунктирная линия) в рамках области проектирования. Эта граница показывает, что технология Nekomimi обеспечивала значительно более высокую усредненную эффективность пленочного охлаждения для массового расхода охладителя в диапазоне от 8 до 17 г/с. Ниже и выше этого диапазона обе концепции охладительных отверстий могут давать сопоставимые значения эффективности охлаждения.

Кроме того, анализ двух выборок результатов решений (области, обозначенные черной пунктирной линией) показал, что для лопастеобразных охладительных отверстий в случае недостаточно тщательного выбора конструктивных параметров встречные вихри доминировали в структурах вторичного потока, тем самым снижая эффективность охлаждения. Форма Nekomimi, напротив, обеспечивает более стабильную эффективность охлаждения при широком диапазоне конструктивных параметров.

Этот новаторский подход позволил создать базу данных оптимальных конструкций охладительных отверстий Nekomimi для различных значений перепада давления и массового расхода охладителя. На основе этой базы данных конструкторы, проектирующие системы охлаждения, могут добиться более высокой эффективности охлаждения, снизив потребление охлаждающего воздуха (рис. 11 и 12).

Figure 12: Pareto front of best Nekomimi designs as trade-off between higher film cooling effectiveness versus lower coolant mass flow