Экспериментальное исследование тепловых характеристик охлаждаемых рабочих лопаток газовой турбины SGT‑600

Abstract

Статья посвящена экспериментальным исследованиям тепловых и гидравлических характеристик охлаждаемых лопаток газотурбинной энергоустановки. Проанализированы основные факторы, определяющие термонапряженное состояние лопаток, а также их теплогидравлическую эффективность. В качестве объектов рассматривались два варианта конструкции охлаждаемых рабочих лопаток первой ступени газовой турбины Siemens SGT600. По результатам гидравлических исследований установлено, что второй вариант лопатки имеет на 15 % большую пропускную способность в сравнении с первым. По результатам тепловых испытаний с использованием метода калориметрирования в жидкометаллическом термостате определены тепловые характеристики систем охлаждения лопаток. Установлено, что за счет наличия наклонных ребер в канале охлаждения входной кромки лопатки второй конфигурации и изменения соотношения радиусов интенсивность теплообмена увеличивается на 50–60 % в сравнении с первой. Сравнение тепловых потоков в сходственных сечениях лопаток показало, что интенсивность отвода тепла в каналах лопатки второй конфигурации на участке выходной кромки выше, чем в каналах первой лопатки в среднем на 25–40 %. С целью обобщения полученных экспериментальных данных были сформированы критериальные зависимости для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи в каналах охлаждения лопаток, которые могут быть использованы для расчетов тепловых полей лопаток и определения запасов прочности в условиях эксплуатации

This article is dedicated to the experimental studies of the thermal and hydraulic characteristics of cooled blades in a gas turbine power plant. The review analyzed the main factors determining the thermally stressed state of the blades, as well as their thermal-hydraulic efficiency. Two design variants of cooled working blades of the first stage of the Siemens SGT600 gas turbine were considered as study objects. Hydraulic studies revealed that the second blade variant has 15 % higher throughput compared to the first. Thermal tests using the calorimetry method in a liquid- metal thermostat determined the thermal characteristics of the blade cooling systems. It was found that, due to the presence of inclined fins in the cooling channel of the leading edge of the blade in the second configuration and a change in the radius ratio, the heat exchange intensity increases by 50–60 % compared to the first variant. A comparison of heat flows in similar sections of the blades showed that the heat removal intensity in the channels of the blade’s trailing edge in the second configuration is on average 25–40 % higher than in the first blade’s channels. To generalize the obtained experimental data, criterion dependencies were formed for calculating local heat transfer coefficients in the blade cooling channels, which can be used to calculate the thermal fields of the blades and determine safety margins under operating conditions