image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 5 2016

Транспорт и хранение нефти и газа

01.05.2016 10:00 Учет изменения температуры воздуха при конвертировании авиационного газотурбинного двигателя к условиям компрессорных станций
При конвертировании двигателей АЛ31СТ к условиям компрессорных станций магистральных газопроводов фактор нестабильности является одним из наиболее значимых в ряду параметров, влияющих на ресурс лопаток турбины высокого давления (ТВД), несущих максимальную, порой предельную нагрузку при вынужденном отклонении режимов работы от номинального.

На основании системы дифференциальных уравнений и заданного профиля рабочей лопатки ТВД построена 2D-модель, описывающая течение потока продуктов сгорания в межлопаточных каналах рабочей решетки первой ступени ТВД.

Решение данной задачи произведено с помощью программы Comsol Multiphisics 4.3b, позволившей выполнить расчет параметров потока и построить поля скоростей и давлений методом конечных элементов.

Результаты выполненных расчетов представлены в статье в виде таблиц, планов скоростей на входе и выходе рабочей лопатки и поля скоростей потока газа, обтекающего рабочую лопатку ТВД в режиме, соответствующем температуре наружного воздуха +45 °С.

Выполненные расчеты показали значительные отличия кинематики и динамики потока газа при граничных значениях температур наружного воздуха –15 и +45 °С. Для определения силового воздействия на рабочую лопатку использован закон сохранения импульса силы.

При изменении режима обтекания пера лопатки синхронно с изменением температуры воздуха лопатка испытывает силовое воздействие, которое заставляет ее гнуться из стороны в сторону, тем самым вызывая усталость материала и в конечном счете – обрыв лопатки. Согласно расчету, изменение изгибающих моментов при переходе с одного режима на другой может достигать 5%.

Поддержание на проектном уровне среднесуточной температуры не обеспечивает стабильную силовую нагрузку рабочих лопаток ТВД.

Для повышения работоспособности рабочих лопаток ТВД рекомендуется отслеживающее регулирование, основанное на контроле температурного режима в нескольких характерных сечениях газовоздушного тракта газотурбинной установки (ГТУ), обеспечивающее стабильные параметры рабочего потока на входе в первую ступень ТВД.
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, обрыв лопаток, влияние температуры воздуха, нестабильный режим.
Ссылка для цитирования: Гаррис Н.А., Арнст А.А. Учет изменения температуры воздуха при конвертировании авиационного газотурбинного двигателя к условиям компрессорных станций // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 5. С. 74–80.
Открыть PDF


Важнейшая эксплуатационная характеристика авиационных двигателей – их способность быстро изменять режим работы. Она в значительной степени определяет такие качества газоперекачивающей установки, как быстрота запуска двигателя и готовность к работе, оперативность и безопасность реагирования в критических ситуациях

74-80_r1.pngПравильный учет всех действующих факторов при расчете и регулировании двигателя на переходных режимах в различных условиях работы компрессорных станций магистральных газопроводов (КС МГ) позволяют сочетать хорошие динамические свойства газоперекачивающего агрегата (ГПА) с надежной работой его элементов.
С улучшением термодинамических характеристик ГПА, их конструкций и систем регулирования существенно улучшилась и динамика современных газотурбинных приводов (ГТП). Это выразилось в сокращении времени переходных процессов. Но в результате более существенной, чем раньше, стала роль тепловой и газодинамической нестабильности режимов работы приводов, изменяющих характеристики как элементов, так и двигателя в целом.

Следует отметить сложность теоретического анализа газотурбинного привода ГПА в условиях конвертирования для КС МГ и экспериментальных исследований неустановившихся режимов.

При конвертировании двигателей АЛ31СТ к условиям КС МГ фактор нестабильности режимов является одним из наиболее значимых в ряду параметров, влияющих на ресурс лопаток ТВД, испытывающих максимальную, порой предельную нагрузку при вынужденном колебании режимов работы.

Впервые влияние нестабильности режимов работы ГПА на работоспособность линейной части МГ диаметром 1420 мм подробно изучалось авторами [1–5 и др.]. Было доказано разрушающее воздействие, проявляющееся в стресс-коррозионном разрушении трубопровода. В [6, 7] было отмечено также негативное воздействие температурных колебаний на шлейфы и непосредственно на газоперекачивающие агрегаты [8].

Для оценки параметров потока газа, обтекающего рабочую лопатку турбины высокого давления, использовалась программа Comsol Multiphisics 4.3b [9], позволяющая выполнить расчет методом конечных элементов.

Пакет Comsol Multiphisics 4.3b позволяет моделировать практически все физические процессы, которые описываются частными дифференциальными уравнениями. Программа содержит различные алгоритмы, которые быстро реализуют даже самые сложные задачи, а простая структура приложения обеспечивает простоту и гибкость использования. Спектр задач, поддающихся моделированию, в программе чрезвычайно широк. Решение данной задачи базируется на численном решении уравнений в частных производных методом конечных элементов. Для решения задачи необходимо создание 2D-модели, которая строится на основании системы дифференциальных уравнений, описывающих течение потока газа в межлопаточном канале рабочей решетки ТВД.74-80_r2.png

Процесс течения потока газа в межлопаточных каналах профиля рабочих лопаток ТВД описывается системой уравнений, которая состоит из уравнения Навье – Стокса, уравнения сжимаемости среды, а также начальных и граничных условий.

Уравнение Навье – Стокса служит для исследования движения вязких сжимаемых жидкостей и газов и является основой гидромеханики и газодинамики [10].

Модель течения потока газа является двумерной, соответственно, уравнение Навье – Стокса используется для каж-
дой оси движения потока газа в виде уравнений (1) и (2).

Система дифференциальных уравнений содержит также уравнение неразрывности рабочего потока (3) и замыкается характеристическим уравнением (4).

\frac{\partial(\rho\cdot \text{v})}{\partial t}+\frac{\partial}{\partial x}\left(p+\rho\cdot u^2 -\mu\frac{\partial u}{\partial x}\right)=0,                         (1)

\frac{\partial(\rho\cdot \text{v})}{\partial y}+\frac{\partial}{\partial x}\left(p+\rho\cdot \text{v}^2 -\mu\frac{\partial u}{\partial y}\right)=0,                         (2)

\frac{\partial\rho}{\partial t}+\frac{\partial(\rho u)}{\partial x}+\frac{\partial(\rho\text{v})}{\partial y}=0,                         (3)

\frac{p}{\rho}=z\cdot R \cdot T,                                                 (4)

 

где ρ – плотность среды;

p – давление среды;

µ – коэффициент динамической вязкости;

u – скорость движения потока по оси x;

v – скорость движения потока по оси y;

t – время.

На рисунке 1 представлен профиль рабочей лопатки турбины высокого давления в среднем сечении. Профиль использовался для создания 2D-модели течения потока газа в межлопаточном канале совместно с системой дифференциальных уравнений.

На основании полученной системы уравнений и заданного профиля рабочей лопатки ТВД построена 2D-модель течения потока газа в межлопаточном канале.

74-80_r3.png74-80_r4.png

Следует особо отметить, что взаимодействие газового потока с лопатками оптимально только при одном режиме – номинальном [11]. Кинематика потока и крутящие моменты ТВД при эксплуатации в трассовых условиях (зимой, летом) могут очень сильно отличаться от проектных значений. Это приводит к превышению фактических нагрузок на венцы лопаток и преждевременному их выходу из строя – поломке, что и происходит при эксплуатации двигателей АЛ-31СТ на КС МГ [12–14].

Данная 2D-модель позволяет смоделировать течение потока газа на нерасчетных режимах.

Диапазон изменения температур атмосферного воздуха tа принят в расчетах характерным для условий континентального климата, с отклонением ±30 0С от номинального значения tа = +15 0С.

Изменяя начальные параметры потока газа на входе в рабочую решетку, можно расчетным путем получить параметры, характеризующие кинематику потока при температуре наружного воздуха, значительно отличающейся от номинальной (tа = +15 0С), в данном случае в диапазоне температур от –15 до +45 0С.

Для реализации 2D-модели течения потока газа в межлопаточном канале на различных режимах эксплуатации газотурбинного привода АЛ-31СТ в условиях КС МГ рассчитаны и приведены в таблице основные параметры потока на входе и выходе турбины высокого давления:

  • окружная скорость вращения рабочей решетки UТСР,
  • абсолютные скорости потока на входе  С1 и выходе С2,
  • относительные скорости обтекания лопатки на входе W1 и выходе W2,
  • углы входа α1 и выхода α2 абсолютной скорости,
  • углы входа β1 и выхода β2 относительной скорости, которые приведены в таблице 1.

Параметры потока газа, обтекающего рабочую лопатку ТВД, при различных температурах наружного воздуха, представленные в таблице 1, приняты в качестве исходных данных при расчете силового воздействия рабочего потока на лопатки ТВД. Как видно, на режимах, отличных от номинального по температуре наружного воздуха, отличие параметров от номинальных достигает 5%.

Для наглядной оценки параметров потока газа используются треугольники скоростей, которые дают представление о векторных направлениях скорости потока газа, обтекающего рабочую лопатку ТВД (рис. 2). Построение планов скоростей выполнено согласно [11].

Для сравнения входных и выходных параметров потока газа на разных режимах работы построены совмещенные треугольники скоростей на номинальном режиме и режиме при граничных температурах наружного воздуха (рис. 3 и 4).

На рисунке 3 видно, что при переходе газотурбинного привода АЛ-31СТ с работы на номинальном режиме на нерасчетный режим при граничной температуре воздуха +45 0С происходит резкое смещение выходных параметров потока газа. Такое изменение свидетельствует о сильном влиянии на обтекание потоком газа рабочей лопатки ТВД повышения температуры атмосферного воздуха tа до +45 0С.

О снижении эффективности работы ГПА с газотурбинным приводом в летний период, которая выражается в повышении удельных затрат и снижении КПД, свидетельствуют промышленные данные и многочисленные публикации [15–17 и др.]

74-80_r5.pngНельзя не отметить и тот факт, что при повышении температуры наружного воздуха цикловой воздух, сжатый в компрессорах КНД и КВД, имеет более высокую температуру, чем при номинальном режиме, и, следовательно, охлаждение рабочей лопатки ТВД происходит менее интенсивно. Возникает дополнительная тепловая нагрузка, которая перегревает рабочую лопатку ТВД. Это приводит к еще большему снижению мощности газотурбинного привода АЛ-31СТ, более выраженными становятся неблагоприятные условия обтекания рабочей лопатки ТВД. Причина – в изменении кинематики потока газа, обтекающего рабочую лопатку ТВД.

Так, для нормальных (благоприятных) условий обтекания профиля рабочей лопатки ТВД необходимо, чтобы при изменении скорости натекания потока газа на рабочую лопатку треугольники скоростей оставались бы подобными между собой. Сохранить подобие треугольников на нерасчетных режимах при изменении температуры наружного воздуха в условиях компрессорных станций не представляется возможным [18].

На рисунке 4 видно, что при переходе с номинального режима работы на нерасчетный режим при граничной температуре –15 0С происходит изменение в параметрах потока газа. Входной треугольник скоростей примерно подобен треугольнику скоростей на номинальном режиме работы, а выходные треугольники скоростей различаются по вектору направления и значению скорости. Однако тот факт, что угол входа потока подобен углу входа на номинальном режиме работы лопатки, а угол выхода потока продуктов сгорания изменяется, приводит к увеличению нагрузки на лопатку дополнительными изгибающими моментами, которые приводят к перераспределению сил давления.

Известно и рассматривается как положительный факт, что на данном режиме, при низких температурах, наружный воздух легче сжимается компрессорами КНД и КВД [16]. Воздух сжимается легче из-за понижения наружной температуры и после сжатия в компрессоре имеет температуру ниже номинальной, поскольку небольшая часть сжатого воздуха отбирается на охлаждение лопаток турбин. Это позволяет сделать вывод, что на данном режиме рабочая лопатка ТВД охлаждается лучше. Таким образом, в зимний период рабочая лопатка ТВД эксплуатируется в щадящем режиме.

На основе полученных исходных данных и треугольников скоростей для каждого режима в программе Comsol Multiphisics 4.3b с помощью созданной 2D-модели обтекания рабочей лопатки ТВД потоком газа выполнен расчет параметров потока газа в межлопаточном канале рабочей решетки (2D-модель).

Для расчета обтекания рабочей лопатки строится сетка элементов, изображенная на рисунке 5. Сетка элементов распределена таким образом, что на входных, выходных кромках, а также на границе «поток газа – рабочая лопатка» имеет большую концентрацию расчетных элементов, что повышает точность расчетов 2D-модели.74-80_r6.png

Произведенный расчет, включающий 10 450 итераций, выполнен с уменьшением ошибки расчета до минимально возможной на каждом режиме эксплуатации.

На рисунке 6 изображен сегмент рабочей решетки ТВД в среднем сечении, состоящий из трех рабочих лопаток. Две боковые рабочие лопатки обеспечивают правильное направление потока продуктов сгорания, натекающего на среднюю лопатку, что позволяет произвести анализ результатов с минимальной погрешностью отклонения вектора направления потока от проектного на номинальном режиме работы.

Течение газа характеризуется неравномерностью обтекания пера рабочей лопатки. Отчетливо видны зоны образования вихрей. При появлении вихрей теряется часть энергии потока, что существенно уменьшает мощность привода, что характерно для летнего периода.

Выполненные таким образом расчеты показали значительные отличия кинематики и динамики потока газа при граничных значениях температур наружного воздуха –15 и +45 0С и составили основу для определения силового воздействия потока газа на рабочую лопатку.

Рабочая лопатка ТВД под воздействием потока газа, натекающего с определенной скоростью, приводится в движение за счет импульса потока газа. Используя полученные данные и зная, какая масса газа проходит через межлопаточный канал, можно определить приближенно импульс силы, действующей на рабочую лопатку на разных эксплуатационных режимах на основании закона сохранения импульса:

F\cdot dt=m\cdot a\cdot dt=m\cdot \frac{dv}{dt}\cdot dt=m\cdot dv.             (5)

Из уравнения (5) видно, что при изменении скорости потока dv, обтекающего рабочую лопатку ТВД, при неизменной массе m протекающего газа меняется и импульс силы F*dt, действующий на нее. Соответственно, при изменении режима лопатка испытывает силовое воздействие, которое заставляет ее гнуться из стороны в сторону, тем самым вызывая усталость материала. Для оценки изменения изгибающего момента рабочей лопатки ТВД при переходе с одного режима на другой приведена таблица 2.

Из таблицы 2 видно, что изгибающие моменты при переходе с одного режима на другой меняются примерно на 5%. Такие изменения изгибающего момента для рабочей лопатки ТВД значительны. Кроме того, нагрузка на рабочую лопатку ТВД привода АЛ-31СТ, которая по размерам мала, увеличивается за счет тепловых нагрузок и центробежных сил. Такое воздействие происходит в ходе всего срока эксплуатации. Дополнительная тепловая нагрузка имеет наибольшее влияние в летнее время.

Периодический изгиб рабочей лопатки ТВД приводит к слому пера лопатки ТВД в корневом сечении от усталости материала лопатки, что и подтверждается на практике. Поддержание на проектном уровне среднесуточной температуры не обеспечивает стабильную силовую нагрузку рабочих лопаток ТВД.

Дело в том, что колебания температуры в трассовых условиях максимально проявляются в районах с континентальным и резко континентальным климатом. Например, в условиях Башкортостана суточные колебания температуры воздуха достигают 18 0С [19]. Именно кратковременные и суточные колебания температуры, соизмеримые со временем релаксации аппаратов воздушного охлаждения (АВО), не позволяют выполнять качественное регулирование режимов работы КС МГ [1–5]. Становится очевидной необходимость качественного отслеживающего регулирования, подобно тому, как это предлагается в [3].

 Выводы:

  1. Перерасчет газогенератора привода АЛ-31СТ к условиям наземного применения позволил установить пульсирующий режим силовых нагрузок на рабочие лопатки ТВД, определяемый климатическими и суточными колебаниями температуры воздуха с максимальным отклонением от номинального по амплитуде, достигающим 5%.
  2. Для повышения работоспособности рабочих лопаток ТВД рекомендуется отслеживающее регулирование, основанное на контроле температурного режима в нескольких характерных сечениях газовоздушного тракта ГТУ, обеспечивающее стабильные параметры рабочего потока на входе в первую ступень ТВД.

 

Таблица 1. Параметры потока газа, обтекающего рабочую лопатку ТВД, при различных температурах наружного воздуха
Table 1. Gas flow parameters flowing around the HPT rotor blade at different ambient air temperatures

Параметр

Parameter, m/s

–15 °С

+15 °С

+45 °С

UTCP, м/с

454,408

480,089

504,46

C1, м/с

667,052

704,751

740,526

α1, °

17,069

16,978

16,998

W1, м/с

268,177

282,781

297,265

 β1, °

46,893

46,697

46,741

W2, м/с

499,721

527,696

554,546

 β2, °

26,509

29,078

35,423

C2, м/с

223,165

257,157

325,689

α2, °

91,857

94,217

99,287

 

Таблица 2. Значения изгибающих моментов
Table 2. Bending moments values

Обозначение
Designation

–15 °С

+15 °С

+45 °С

Mx, H.м

53,47

56,181

59,102

My, H.м

50,031

52,949

55,615

M, H.м

73,227

77,2

81,154

∆М, % от номинального
∆М, % of rated

–5,146

0

+4,872



← Назад к списку


im - научные статьи.