Разработка и исследование топологии охлаждающих каналов лопаток осевых углекислотных турбин
DOI:
https://doi.org/10.31489/2022No2/48-57Ключевые слова:
охлаждаемые лопатки, сверхкритический диоксид углерода, кислородно-топливный энергетический цикл, углекислотная турбина, реберные турбулизаторы, теплообменАннотация
В настоящее время перспективным решением по сокращению выбросов диоксида углерода от энергетического сектора является ввод кислородно-топливных циклов. Наиболее кислородно-топливным циклом является цикл Аллама. В данном цикле рабочим телом является сверхкритический диоксид углерода. Температура СО2 перед турбиной равна 1150 °С, а давление 30 МПа. Вследствие высокой температуры рабочей среды появляется необходимость охлаждения первых ступеней углекислотной турбины. Особенностью системы охлаждения данной турбиной является то, что в роли хладогента применяется диоксид углерода. В данной работе проведено исследование двух топологий систем конвективного охлаждения сопловой лопатки углекислотной турбины, а также рассмотрен вариант увеличения интенсивности теплообмена благодаря применению винтового оребрения в цилиндрическом охлаждающем канале. Проведено математическое моделирование с помощью программного пакета ANSYS двух топологий расположения охлаждающих каналов в теле сопловой лопатки: конфигурация 1 – с 17 каналами диаметром 1мм, конфигурация 2 – с тремя каналами в форме профиля лопатки. Конфигурация 1 оказалась более эффективной: число Нуссельта имеет значение 117, а среднее значение коэффициента теплоотдачи со стороны хладагента равно 6413 Вт/м2∙К. Исследовано влияние применения винтового оребрения в охлаждающем цилиндрическом канале исследуемой лопатки, что позволило снизить температуру металла в среднем на 54 °С и увеличить коэффициент теплоотдачи в 2 раза.
Библиографические ссылки
Araujo G., Robalino-López A., Tapia N. Energy foresight: Exploration of CO2 reduction policy scenario for Ecuador during 2016–2030. Energetika. 2019. Vol. 65, No 1, pp. 51 – 70.
Bariss U., Laicane I., Blumberga D. Analysis of factors influencing energy efficiency in a Smart Metering Pilot. Energetika. 2014. Vol. 60, No 2, pp. 125 – 135.
Energy I. World Energy Outlook 2014. International Energy Agency (IEA). OECD. Paris. IEA Publications, 2014. Available at: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2014
Kádár P. Pros and cons of the renewable energy application. Acta Polytech. Hung. 2014. Vol. 11, No 4, pp.211–224.
Phuangpornpitak N., Tia S. Opportunities and challenges of integrating renewable energy in smart grid system. Energy Procedia. 2013. Vol. 34, pp. 282 – 290.
Adar E. The State of the Art of Nuclear Energy: Pros and Cons. EurAsia Waste Management Symposium. Istanbul, 2020. pp. 26 – 28.
Boot-Handford M.E., et al. Carbon capture and storage update. Energy Environ. Sci. Royal Society of Chemistry. 2014. Vol. 7, No 1, pp. 130 – 189.
Rogalev A., et al. Research and Development of the Oxy-Fuel Combustion Power Cycles with CO2 Recirculation. Energies. 2021. Vol. 14, No 10, pp. 2927.
Scaccabarozzi R., Gatti M., Martelli E. Thermodynamic Optimization and Part-load Analysis of the NET Power Cycle. Energy Procedia. 2017. Vol. 114, pp. 551 – 560.
Rogalev A. et al. The flow path characteristics analysis for supercritical carbon dioxide gas turbines. E3S Web of Conferences, 2019. Vol. 124, pp. 01006.
Iwai Y. et al. Development Approach to the Combustor of Gas Turbine for Oxy-Fuel, Supercritical CO2 Cycle. ASME Turbo Expo 2015. Montreal, 2015. Vol. 9, pp. 1–7.
Allam R.J. et al. The Oxy-Fuel, Supercritical CO2 Allam Cycle: New Cycle Developments to Produce Even Lower-Cost Electricity From Fossil Fuels Without Atmospheric Emissions. ASME Turbo EXPO 2014. Düsseldorf, 2014. Vol 3B, pp. 1 – 9.
Allam R. et al. Demonstration of the Allam Cycle: An Update on the Development Status of a High Efficiency Supercritical Carbon Dioxide Power Process Employing Full Carbon Capture. Energy Procedia. 2017. Vol. 114, pp.5948–5966.
Sasaki T. et al. Development of Turbine and Combustor for a Semi-Closed Recuperated Brayton Cycle of Supercritical Carbon Dioxide. ASME Turbo Expo 2017. Charlotte, 2017. Vol. 1, 8 p.
Kindra V. et al. An experimental and numerical study of flow and heat transfer in cooling channels with pin fin-dimple and pin fin-groove arrays. 13 th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics. Lausanne, 2018, pp. 1 – 10.
Ying Q. et al. Vortex Patterns Investigation and Enstrophy Analysis in a Small Scale S-CO2 Axial Turbine. Energies. 2021. Vol. 14, No 19, pp. 1 – 22.
Rahimi J., Poursaeidi E., Khavasi E. Stress analysis of a second stage gas turbine blade under asymmetric thermal gradient. Mech. Ind. EDP Sciences. 2019. Vol. 20, No 6, pp. 607.
Kim K.M. et al. Analysis of conjugated heat transfer, stress and failure in a gas turbine blade with circular cooling passages. Eng. Fail. Anal. 2011. Vol. 18, No 4, pp. 1212 – 1222.
Bohn D., Ren J., Kusterer K. Cooling Performance of the Steam-Cooled Vane in a Steam Turbine Cascade. Turbo Expo 2005. Reno, 2005. Vol 3, pp. 217 – 226.
Wróblewski W. Numerical evaluation of the blade cooling for the supercritical steam turbine. Appl. Therm. Eng. 2013. Vol. 51, No 1 – 2, pp. 953 – 962.
Kaewchoothong N. et al. Effect of inclined ribs on heat transfer coefficient in stationary square channel. Theor. Appl. Mech. Lett. 2017. Vol. 7, No 6, pp. 344–350.
Jin W. et al. Effect of shape and distribution of pin-fins on the flow and heat transfer characteristics in the rectangular cooling channel. Int. J. Therm. Sci. 2021. Vol. 161, 106758 p.
Gupta S., Chaube A., Verma P. Review on Heat Transfer Augmentation Techniques: Application in Gas Turbine Blade Internal Cooling. J. Eng. Sci. Technol. Rev. 2012. Vol. 5, No 1, pp. 57 – 62.
Aljibory M.W., Rashid F.L., Alais S.M.A. An Experimental and numerical investigation of heat transfer enhancement using annular ribs in a tube. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 433, No 1, pp. 012057.
Yousefi A., Nejat A., Sabour M.H. Ribbed channel heat transfer enhancement of an internally cooled turbine vane using cooling conjugate heat transfer simulation. Therm. Sci. Eng. Prog. 2020. Vol. 19, pp. 100641.
Zheng N. et al. Effects of rib arrangements on the flow pattern and heat transfer in an internally ribbed heat exchanger tube. Int. J. Therm. Sci. Elsevier. 2016. Vol. 101, pp. 93–105.
