Введение к работе
Актуальность темы. Характерными особонностями турбин современных высокотемпературных ГШ являются малая относительная высота межлопаточных каналов решеток первых ступеней турбины и необходимость охлаждения полок лопаток, образующее проточную часть турбины, которое обычно организуется путем вдува охлалдаозего воздуха через дискретные отверстия в этих полках в пристенный слой основного потока рабочего тела.
Первач особенность обуславливает пошеэнный уровень газоди
намических потерь в раветках за счет вторичных точений, доля ко
торых в общей суше потерь молит достигать 30?2 и более. Вторая
особенность связана с дополнительными газодинамическими потерями
на смешение струй ;, охлакдающего воздуха с газовым потоком.
Вдув при этом является фактором воздействия копосріцстввнно на вторичные течения, которые в сбои очередь значительно адатт на эффективность завосного охлаждения полок.
Известны случаи снижения суммарных газодинамических потерь при соответствующей организации дискретного вдува за счет влияния ого на развитие пристеночного течения в реиетке. На сколько организация необходимой эффективности эавесного охлаждения полок совместима с сохранением газодинамической эффективности рэпоткл (или ее увеличением) может быть выяснено только экспериментально. Для получения максимального эффекта требуются дэталыше исследования развития вторичных течений в реаатке, взаимодействия их с вдуваемыми струями и образования эазесного охладдания полок.
Цель работы. Комплексное исследование эффективности завесно-го охлаздения торцевых стенок меклопаточных каналов л его влияние на.вторичные течения в реаетках авиационных газовых турбин.
Задачи работы. Исследование обменных процессов в области пристеночного течения вблизи ограничивающих поверхностей лопаточкой решетки при отсутствии и при наличии дискретного вдува через торцевые стенки путем визуализации течения, измерения распределения полных давлений на выходе из реиэткп, измерения температуры адиабатической стенки за местами завзеного вдува, исследования теплоотдачи на торцевой стенке с целью разработки рекомендаций по организации рационального завесного охлаждения торцевых стенок лопаточных решеток газовых турбин.
Научная новизна работы..
і I. Уточнена картина пристеночного течения в решетке,- в о(
ласти образования и распространения входных вихрей.
-
Предложены методы расчета относительных размеров зоны вкхреобразования у входных кромок лопаток и положения осей вет< вей вихре'/;, располагающихся в межлопаточном канале.
-
Предложена схема организации дискретного завесного вду-ва, при которой за счет струйного воздействия на структуру течі ния ШЭД реиетки остается практически на уровне случая без вдув;
-
Благодаря применению экидкокристаллических термоиндикаті ров получени наиболее подробные данные о распределении эффект ности завосного охлаждения торцевых стенок при дискретном вдув охладителя, раскрывающие взаимодействие вдуваемых аавесных стр; с пристеночным течением в решетке.
-
Выделено несколько режимов образования завесы на тооце вой стенке гои дискретном вдуве на входе в решетку при наличии входного погр.чничного слоя: смешение вдуваемого воздуха в пред лах входных еиххсй; промежуточный режим, когда часть вдуваемог воздуха прорывается через аону вихрей; режим, когда вдуваемый воздух проходит через зону вихрей и рвзносится внешним потоком практически по всей торцевой стенке.
ь. С прикенен'/.ем жидкокристаллических термоиндикаторов по лучены картиьы распределения коэффициентов теплоотдачи на торц вой стенке в решетке.
7. Предложен метод расчета средней по поперечнику межлопа точного канала эффективности завесного охлаждения торцевой сте ки при вдуье ни входе в межлопатечный канал для различных пара метров вдува.
Практическая ценность. Полученные экспериментальные данны используются при проектировании систем завесного охлаждения соплоеых аппаратов турбин. Имеется акт внедрения.
Автор занижает:
результаты визуального исследования пристеночного течения торцевых стенок турбинной решетки и параметрического исследова ния струйного воздействия на газодинамическую эффективность ту бинкой решетки при дискретном вдуве охладителя по торцу, данны по распределению эффективности завесного охлаждения торцевой с ки турбинной решетки для исследовенных схем вдува и распределе теплоотдачи на торцевой стенке, полученные с применением жидко
кристаллических тормолчдикаторов.
Аптюбапия работы. Материям дію серг жил утраяонм в отчете РАТИ по НЗСР (I9S5-IS90 'Г.), дололошь: на іреть&Я всесоюзної научно-технической конференции "Совретленныв проблеми двигателей л энергетических установок летательных аппаратов" (г. Москва, ИЛИ, I98S), Всесоюзной межвузовской коиЛренцтот по газотурбинным к комбинированном установкам (г. Москва, І.ПЛУ, 1937), Зсесоязном семинара направления 03 КНТД "Лолэт" (г. Казань, КЛІІ, 1989), Второ:! республиканской коп/ерэнцил "Совершенствование т?ор:п! п техники теплової: заняты энергетических устройств" (.%.їо;.*нр, 19ЭО), Зторор научно-технической конференции ".Троблога; мзово* динамики двигателей п сдлобкх установок" (г. Г.Ьсква, ЩІЛІ.І, 1090).
Личны? игелэл автора.Состоит в разработке аксиеримзнт&ъышх установок и методов исследований, протезний всего объема экспериментальных работ, обработке и анализе опитних далии, лредло— мании методов оцзшиї огносптельних размеров зоны вихреобразопаігяя у передних кромок лопаток и расчета средней по поперэчнкку мзу-то-паточяого канала эффективности зазесного охлакдошя тордэшП стенки реазтки при дискретном вдува на входо и наличии входного пограничного слоя, разработке программы расчета положения проекция оси подковообразного вихря на торцовую стенку в мзжлопаточком канале и проведают всех расчетных работ.
Публпкагті. Содэр/катм диссертации опубликовано и 9 работас.
0б:>ем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка літератури из 80 найменований. Общи объем работа 232 а,. - включая 79 рисунковії II таблиц.
СОДЖлНИЗ РАБОТЫ
й>_ШДШШ. показана актуальность теки диссертации, перечислена цели выполненного исследования к положения, выносимые на запиту.
В иг-тоо? глава'пригоден обзор опублпког.апккх работ, посвя-'лешп-к нсследоьанше лаызского охла\тдеіс:я торт'ввш: стенок турбинных решето:: как при целогом, так и при дискретном в.дувэ охладпте-ля, в'іполі.'ошпіх на. плоских решетках. 3 работах о даюче по сильное влияние втордчніх течеш?, на растекакяо завес:ю пелени по торцевої; стз>пе в релзтко,. проявляемое. н скосе охладителя к стороне
t»
разрешения в иеглопаточиом канала, неравномерности распредэления эЭДектишссти запасы поперек канала, особенно при дискретном вду-ве. Сальная зависимость от вторичных течещй в. рештке имеет мести таете в для распре доле ния чисел Отантояа на торцевих стенках рештки.
Таким образом, при организации завесного охлаждения торцевых стонок турбинной решетки необходимо учитывать влияние вторичных течений на эК)вктивиость завэсного охлаждения и распределение чисел Стаятоиа на защпцаэмой завосой поверхности.
Для этого необходимо уточнить картину вторичных течений в решетке. Обзор исследовании вторичных течонпй в турбинных решетках показал, что эти течения в основном определяются двумя механизмами*, образованием у передних кромок лопаток входных (подковообразных) вихрен, вбиращих в себя входнор. пограничный слой и уходящих своими ветвями в ыежлопаточнне каналы, и поперечными перетеканиями подторможенного пристеночного слоя поперек криво-линейного межлопаточшэго канала под действием поперечного перепада давления. Оба механизма способствуй развитию сложного трехмерного точения в пристенном слое в решетке и ітздаются в дополнительных исследованиях.
Об' эр работ, поевши иных влияют завесного вдува на вторич-ные течения и на газодииамическуп э&Еектизяость рештки показал возможность 'уменьшния суммарных потерь кинетической энергии в рештке при соответствующей организации вдува, но неизвестно каково при этом будет распределение эффективности аавеоного охлаждения.
В соответствии с проведенным анализом литературных данных поставлены цель и задача настоящей работы.
Вторая глава содержит обоснование выбора методов экспериментальных исследований, описание экспериментальных установок и оценки погрешностей измерений.
Визуальные, и тепловые исследования виполнзны яа плоской со-плсвой репэтке, составленной из четырех лопаток, изготовленных в маситабе 3:1. Геоыэтрические параметры реіштки: шаг t =102,5мм, хорда профиля лопатки 6 = 165,5мм, циника горла кляала а * = 28,5мм, угол устаноыки провидя у =» 40, углы входа и вгасода из рвшвткп соответственно я« = 90 и d, =atcsin (a/t) =16,14. Нижняя торцевая отопка решетки наполнена съемкой, что позволяет для каждого эксперимента использовать специально.подготовлеішу»
торцевую стопку. Использовались торцевав сте ten о длшюп вино-еа вверх по потоку от переднего фронта решетки 36"Ллл к 767мм, что позволяло оЛэспечить различные услэпкя развития входного пограничного слоя.
Дія виэуальннх исследования вдорнчннх течения использован метод дчшвдей проволоки (Smoke -Vine iriet hod), шроко применяема d исследованиях тонких структур тэчошй!» п частности в прк-стеночних, слоях. "ютод заключается do внесошш я вибраннио точки потока токуих полги дыма, образующихся при ислпрэяяк vntroiimcro масла с поверхности тонкой тхроыот;оП піююлокп (диаметром О.Іми), нагребаемо? элит;тркчоскям током. Проголока парод нагретом смазывается малинним маслом, которое под дийствием гговехяностного натяжения собирается отдельными каплдаж - примерно &-І0 тсапель на Ісм ДЛПІШ. Поэтому при ьагревв от проволоки тянутся отдельные поносы дыма, Метод обладает хорошей рмзрвващвЯ способностью и .позволяет вести исследования в потоке у торцчьой стенки. Система регистрации шзуалкзиропашоЗ картины течения віслзчает.^отоппларат г (Тотовстшку, используемую для-подсветки.
Исследования структур" течения » зоне тормо.тдккя приотепоч-ioro пограничного слоя у сходных. кромок лопаток велись по ноля зтатнчоского давления на ограпичивдапзЯ поверхности, состоящей із препарированного диска большого диаметра ( d - 564и.і) с уо-галавлизаомими на ного попеременно таїлиидргми, голешпэв: диаметры 44, 60, 90'мм,' иштируюотми входнукз кромку лопоткп. Диск моют поворачиваться вокруг ci;oafl оси, что позволяет использовать ум подробные измеренил поля статического давления минимум ітре-гаргщии.
Дта.исследования струйного воздействия вдува на течение в' 7і>бі;}іноГ' рзевтке использовала плс;:.<ая сопловая решетка, геомет-тчеекп подобная ролеткз для вкзуальнмх исследований, но ушкь-іониая б 3 раза. Изотермический вдув осуществлялся через два ря-;я дискретних oi-nopci'ufi в торцевой стенка {по 4 отверстия ДЛЙМЄТ-юм 1мл в х:а:;'рм ргду) - к.ч входе в рзілзтку н в ме.т.лолаточном катите на диагонально." лчнзш, идуї'йй от кої-^тца одно,'' лопатки :« . пккке другої! г. являючу" ел касательно*, к этом лопаткам. Оси от-ерстиЯ для вдува образовывали с торцогои стенкой углы f » 45, ричем на входа в роев тку вдуэ осуществлялся в направлении оонов-ого потока ( fi = 0), а в ;.тогагопаточиом канале - нормально-лини расположения отверстий п сторону коритца лопагмі (_/»=5оТ. .70
Суккарішй расход вдува задавался зі контролировался рота-ьатроы KJ-4 173, оастома вдува тарировалась по расходу, что поз-бо...ію раздэллть расход вдуваемого воздуха по отверстиям для , вдува. 11з.".эрзинл полного давления на выходе из решетки велись II -точечно': гр.бл;кр;і полного давления, устанавливаемой в коо'рдина шж, перикощамщи-1.' ео і двух направлениях, показания снимались »:а батарее ыдяних пьезометров.
*'зі.іерок:ш тешаратуры адиабатической станки за местами вдува для получения рхнродолонля объективное ти завосіюго охлаждения на торцеьоа стонке, турбинной рештки производились с ксполь-зованпаи узконнторвальнья цветовых гвдкокрпсталлических терыоин-докаторсв (*К) хо.. истерического типа о шириной рабочєго диапазона теїлтератур в ї. КК - это органические соединония, имею'дие как бы дое точки шт&тсиия п три агрегатных состояния, до первой точки'плавлення они явлшотся прозрачными твердими кристаллами. Ери переходе через первую точку плавления эти соединения плавятся в '.іРідкие кристаллы и существуют в таком состояівш вплоть до температури второй точки плавления, после чего переходрт в изотропную жидкость. Е-гадкокристаллическом состоянии ( в рабочэм диапазон-* тзипоратур) ыолэкули соединений холэстерического типа облада-от способность» селективно рассеивать свет, поэтому при .росте т9>пгаратуры они нагреривно изменяют свой цвет от красного до с[долатового, визуализируя теипоратуркоэ поле на исследуемой поверхности. .Адиабатическая стенка располагалась по всей торцеве поверхности канала и представляла собой многослойную стенку, име ющую малую теплопроводность и позволяющую получить на ней достаточно большие продольные градиенты температуры. Отверстия для вдува (диаметрами 1,5мм) располагались,: аналогично случаю исследования струйного воздействия на структуру течения в решетке,, в два ряда, по і отворстий в каждом ряду. Б опытах использовался подогрев вдуваемого воздуха, визуализированные картины температурного поля Фотографировались через оранжевый светофильтр 0 -- 2,8х на фотопленку 250 ГОСТ пли ШКРА.Т-300. Узкий интервал тв! ператур v 0,35 градуса), при котором У", имели 'красний, ораняоші и явлтай цвета, па негативе получался в виде'тонких линий, приш ыаемкх в даяьнейыеы за изотерш. .
ЫэнЕя температуру вдуваемого воздуха Т, и' контролируя те! пературу основного потока Тг , шжно наблюдать сшшэтта изотер]
л»
Тет по поверхности торцевой стенки п таким образом получать подробиш картины распрэдэлзния эуТокитности аанесного охла-адския .0 , расочитываемиэ ло формуло:
9-(Тгг-Тг)/(Тл-ъ).
При исследовании распределения коэ^мцкентов теплоотдачи на торцэвоЗ стенке использовалось задание однородного теплового потока от стенки в поток воздуха. Длл его получения прга.юнона прямоугольная плаотина кз тонкой іїольги из неряавэюцзй стали (толщиной'60 мкм), нагреваемой элэктричеепш током, помещаемая непосредственно на исследуемую поверхность торцевой стопки и тщательно теплоизолируемая со стороны, прллоганщай к стойка.'Задавая плотность теплового потока а. <> козіИюдаент тзплоотдачі І на поверхности, обращенной к потоку воздуха, определяется путем измерения разницы температур на поверхности {[ольги п в потоке1 по формуле*.
Для визуализации положения линий изотерм ла поверхности .Тольгц использовались гисгерезиенке кидкокристалличесгао термоии-дика'горк о температурой проовоглония 33 и 45 С и с порогом срабатывания но болзе.0,1 градуса, начоспмые тонким слоем.на поъерх-ность фольги. Граница медпу участками просветлзниого и непросветленного, те рмоиндакаторов приншлалаоь за лини» изотермы,,в следовательно»." за линия.равного значения коэффициентов теплоотдачи.
Максимальпыо относитолышв погрешности измеряемых волпчин составляли: поліпів и статические давлеїшя - 55&,: расходы_вуу-ва - .10 ,. температуры,- 10$ для'жидюйс кристаллов-и 3% для тормопар. Максимальные относительные погрешности определи ния скорости осповдого потока- 2 ., эффективности завесногоохлая-дэняя - 15 ксэйяциэнтов теплоотдачи - 10$...Большие погрешности величин, определяемых о использованием ЇЖ, искупается подробностью картин'распределения исолядуемых-параметров. .
В тплтъей главе представлены результаты визуальных исследований течения в решетке и измерений статического давления на ограничивающей поверхности перед цилиндром, на основании которых . про- іведено уточюние картины вторцчнчх течений в.турбинных решетках и проглоданы катоды оценки относительных размеров зоны вихреобразовання у передних кромок лопаток, приведено раопределе-нив коэсКацнантов тепло ітдачи на торцевой стенке решетки и пока-аана связь этого распредолзшш ,с картиной течения в пристенной зоне.
Визуализация течения методой дымящей прополоки позволила поду чить картины иолоавния-лшш."! тока б'моменты съемок к, слодрва- . телъно, проследить траектории движения-масс воздуха от входа в реаотку вплоть до выхода кз і.аклопаточного канала,: "
Полоси дама'от дымящей проволоки, располагаемой у торцовой стенки, увлокайтся потоком и, не доходя до входных крокок лопаток, огибают.их, сворачиваясь в подковообразные вихри, которые, обеим:; свонш ветоши уходят в кеялопаточныо каналы (рис. I). Одна из ветвей распространяется вдоль спинки лопатки, другая se- . пересекает неждопаточний канат: от корытца одной лопатки к спинке другой, пріішкая к неіі.в районе горла канала. В мзкдопаточноы канале движение дыма сосредоточено в ветвях вихрей и мекду ниш. Четко видны зоны, в которые дым при движении от входа в решетку но попадает. При углублении дымяцеИ проволоки в поток зоны, недоступные для дама, сокращаются и практически не набдодаются при смещении проволоки на расстояние от торцевой стойки, примерно равное толдане входного пограничного слоя на ней. '
Наблюдения позволили установить количественную связь ызвду . длиной зон оттеснения дыма от поверхности лопаток! и координатой п располозшния дымящей проволоки над торцевой стенкой.во входном пограничной слое, набегающем .на входную'кромку лопатки и предложить схеї ;, поясняющую механизм образования пристеночного течения у породней кромки лопатки на входа в турбшшую роиетку (рис. 2). Поскольку полное давлепие в низких слоях пограничного, слоя меньше, чем'в верхних'слоях и в. ядре потока, вдоль-, кромки лопатки в*. ^нш:ает градиент давления, направленный от торцевой стенки. Это приводит к тому, что воздух кэ-верхних слоев пограничного слоя устремляется вдоль передней кромки лопатки к торцевой стенка, вдоль которой поворачивается навстречу потоку и, взаимодействуя
с ним, сворачивается в впхрь. Так как рассмо і'решшй процесс идет налрэрйЕно, пахрь как би расширяется вдоль свое!! оси, образуя протяженный подковообразной вихрь, уходящий в, ' шклоцаточнне ??ана-лні совершая винтовое движение. Натекающий на рассмотренный "прн-крошчный" вихрь воздух из слоев', более близких к стенка и обладающих пониханноП энергией, тормозится на вихре, кед? яг. пронятат-вии, ан'тогичдоы входной кроше лопатки,и такая сворачивается в вихрь. Это и обуславливает 'эффект оттеснения дама. Таких дополнительных вихрей по мерз удаления от входное кремкп исорх по потоку шкят быть несколько.
гезультатн обработки получонных снимков (рис. 3) показали, что по мере перестройки входного пограничного слоя от лаганарногс к турбулентному в диапазоне полученных значений «'юрмп.чраштра пограничного слоя, происходит уменьда.чие относительных размеров внх-ровой зоны, что мо;г.ет быть объяснено вое большей наполненностью профиля скорости в пограничном слое. Шлучешгае экспэришнталышэ данные удовлетворительно описываются эютгрической формулой
Предложен ?агс«е аналитически! способ оценки размеров вихревой
зоны в области тортакеная пограничного слоя перед входными кромка
ми лопаток, исхода из условия, что в область пихреобразования воз
дух штат попадать только из тех слоев потока, в которых полной
давление прзвшіаот статическое давлению в близлежащем слое, тор.чо-
зя!цэь;ся при обтекании входноі; кромки, с использованием известного
реие'ия тидродшіашчвской задачи обтекания круглого цилиндра иде
альной лэдкостью, дающей результаты, близкие к э?.этирнческой эага-
спмости (I). .' - '.
Дальнз'іике визуальные исследования непосредственно б зоне вїссреобразораіаія у входной прогної лопатки и построения гго.чв'ї статического дагисі;.ия на ограничивающей поверхности перз'д адлиндрами различного дчам^гра, кштируялзм: входную ".роі.гку лопатки, показали, что в зона в:.-хреобразова;'ля существенным образом проявляют себя два міхря.
iipjrs-.ен г-гзуалький оксперіг.шіт с использованием нескольких димлрэс проволок, іюдтіярлдазщий, что при наличии толстого пегра-
ничлого слоя на торцевых стенках на входе в рештку из двух механизмов В031ШКНОП9НИЯ вторичных течений: торшжения набегающего потока на породних кромках лопаток о образованней подковообразных тихреН, вклочолщшс в себя большую часть входного пограничного слоями в пограничной олоа на торцевої! етэнке в канале -. развития поперечного течения от стороны давления к стороне разрежения о образованней канального вихря, превалирующее влияние ишет пор- . внй механизм. Так„при входном пограничном слое толщиной ,8мм и распэллланиоы димгацих проволок на высоте 2мм от торцевой стенки' наблюдалось практически отсутствие движения визуализированного потока е сторону зшшкя лопатки за проволокой, установленной не-цосрэдетвенно в менлопаточноы канале (рио. 4) і Вторичные течения, особенно при наличш: толстого пограничного слоя :на. торцевой стен-; ' кв ьавходе в реша тку; приводят к образования препятствия.для оо*-новііого течения в пристенной слое в виде перебекающихоя ветвей '.. подковообразных вихрей, образующих '«» образный выступ; обравднг н&1 шршиной вниз го потоку; Пространство перед выогупом - уступ заполняется подтордоїіешюй сродой из входного пограничного олоя. Основной поток, натекая на V-образный таотуи, огибает его и 8«ь полняет затем область, прииикавдуо к корытцу лопатки, образуя .' адооь новий тонкий пограничные слой, '
С пошііцд) отдкокриогаллическсго метода Исследования было показано, что сложная картина пристеночного течения отображается на ороцеооы тзплообшна между потоком и торцевой стенкой. Оказалось,' что изолинии коэйвцпентов теплоотдача JL оряонтированн вдоль рарполодания вэтвой подковообразных вихрей, причем большие з качения U шедт место там,' где вращательное движение в вихре направлено к торцевой стенке и меньшие там, где врашатольноо движение ;;" яалравлоно от торцевой отенки. В месте уступа,, образуемого ветвями зкхрей; располагается зона самих низких. / .Самые высокие значения «<. paom юявны в области входных кромок лопаток (рпо. 5).
В четвертой главе раосштрено воздействие на зторичнке тече
ния'в турбинной решетке дискретных струй, вдуваемых через торцевую
' отеяку рештки. "'-.' ." .
При ^отпдаяии элективного подавання вдуваемши струями механизмов возникновения вторичных потерь, неизбезшые при. струйном охлаждении потери смешения вдуваемых струй с основным потоком могут бить частично либо полностью кошедсироваян уменьшением вто-
п..
рнчных потерь в решетке.
. Исходя из известных основных механизмов возникновения вторичных течений в реіоетке, уменьшение потерь от вторичных течений может быть достигнуто уменьшением.толідинн пограничного слоя ка торцевой поверхности (на входа в решетку и в меюкшаточном капала) и воздействие!* на канальный вихрь о целью оттеснения его от опинки лопатки для предотвращения отрывных явлений.
Схема расположения отверстий для дискретного вдува выбиралась на .основе результатов визуальных исследований вторичных течений в решетке. Огвэротия, предназначенные для воздействия на входной пограничный слой располагались на входа в решетку - по четыре отверстия напротив кавдого межлопаточного канала, другая часть отверстий - по четыре.отверстия, располагалась непосредственно в данлопаточных каналах решетки на диагональных линиях, близких по направлении с осями канальных вихрей,и предназначалась для воздействия на положение этих вихрей.
Исоледовалиоь случаи вдува только через первый ряд отверстий,
через второй ряд отверстий и случай совмеот-ого вдува через оба
ряда отверогий одновременно. Теоретическая приведенная скорооть
на выходе из рештки лежала в интервала 0,455 - 0,467, числа
Рейнольдса для рештки приблизительно равнялись 3-Ю5, толгаяна
входного пограничного олоя па торцевой стенке оценивалась в Змм.
Этиосвгельвдв расхода вдува S ;в опытах изменялись в пределах
3,01. - 0,04, параметры вдува, m при ртом для -первого ряда от
верстий при вдуве^только через первый ряд отверстий менялись в
тределах от 1,6 до.4,4 и от 0,5 до 2,6 при совместном вдуве; При
»том параметры, вдува для отруй в маялопаточном канале были суце-
зтвенно разными и зависели от условий в меотах вдува.
., , Газодинашіческая зфїектідаіостьвешетки оценивалась по терио-
динамическому коэффициенту потер* кинетической энергии ^д , учи-
сывавщвму располагаемую энергии основного и вдуваемого потоков.
Із условия смешения прп постоянном давлении расочитнвались коэф
фициенты потери кинетичеокой энергии на смешение основного и в.пу-
заемого потоков qS"w . Разница между теріюдииамическпм коэуфтщон-
сом потерь и расчетным коэйтициеятом потерь на Смешение ,, =*
* vw " ?« бшіа использована для оценки эсйективкости струй-
;ого воздействия на течение о целью улучшения газодинамической !<«нтивяости реойткп. ;
Оказалось, что при вдуве на входа з решетку юзэйициент потерь ?t/j с увеличением G , а следовательно и щ монотонно растет, при этом-величина ^,- j . - ^ остается почти неизменно?; (рис. 6). Таким образом, изменение суммарных потерь в решетке при такой организации вдува почти строго соответствует потерям на смешение вдуваемых струй о основным потоком.
При вдуве через отверстия в межло'паточннх каналах наблюдает оя рост потерь с увеличением 5 , при этом характер этого роста, изменяется для различных диапазонов относительного расхода. вдува. Расчетные потери на смешение растут быстрее суммарных потерь в решетке. В итоге величина ?# утжэньшается, шлея локальній шт"чум и максимум (рис. 6).
Комбинация обоих вдувов оказалась наиболее удачной. Здесь с ростом суммарного относительного расхода вдува & сначала идет рост суммарных потерь в решэтке, достигая максимального эш чения при б- = 0,012, затем потери падают, достигая мишилума при S s 0,03, причем суммарные потери в решетке при этом незначительно вышэ случая без вдува, при дальнейшем росте относительного расхода вдува суммарные потори опять растут (рис. 6). Э- от рост обусловлен превалирующим влиянием потерь на стечение.
Анализ полученных результатов прочзЕодился по распределешп относительного падения кинетической энергии основного потока в сечении за решеткой. Оказалось, что вдув на входе в решетку изменяет картину распределения потерь на выходе из решетки, но не уменьшает размеров зоп больших потерь, связанных с положение] .канальных вихрей'. Зоны больших потерь лига смещаются от торцевої стенки вглубь потока. Небольшой выигрыш имеет место лишь у торці вой стенки. Вдув через отверстия,в каналах решетки приводит в ъ< которых случаях к разбивке зон больших потерь, прнкыкавдгас к ел даі.і за лопатками, что вызывает изменение темпов роста потерь с увеличенном Q . Но лишь при совместном вдуве (рис. 6) реализуется реши (при от сравнительно сильных струй, способных повлиять на развитие горичных течений. Так параметры вдува для первого ряда отвергни содержатся в этом случае в пределах 1,86- 2,06, а для вто-эго ряда отверстий (в межлопаточном канале) - от 1,06 до 1,7Х Р пятой главе приведеira результаты исследования завесного слаздения торцевой стенки плоской сопловой решетки для раесмот-. энных схем вдува и анализ полученных результатов. Количество гюрстпй для вдура в каждом ряду было доведено до 0. Ре-ультатн. получены с использованием визуализации температурного эля шідкокристалличоскгаяі термоиндикатораш, позволяющими непо-родственно наблюдать.изотергм на торцевой стенке, совпадащие о своему положении с линиями равных зфїективностей завесы. Опыты проводились при скорости основного потока на входе в ешетку 8--9 м/с, число Ройнольдса для решетки равнялось 270000. олщина пограничного слоя на входе в рештку' равнялась 7мм, тол-ина вытеонения - 0,6мл, формпараыотр равнялся 1,52. Завесное охлаждение при вдуве на входе в решетку ксслздова-ось в диапазоне относительных расходов вдуті S = 0,007...0,56 то соответствовало диапазону параметров'вдува w = 0,3...1,6. шгаы показали сильное злияние вторичных течений на растекание авасноп пелены по торцевой ст-знке и на значения эфрзктивностей авесн О . Параметры основного потока в окрестности отверстий ля вдува различны. Поэтому общее значение параметра вдува для лддого из опытов определялось осреднением параметров вдува для :аддо8 из струй.. Обмечено,' что в зависимости от параметра вдува п картина распределения эффективности заварного охлаждения уцествонво различна, п реализуется три вида распределения эффек-ивности завесного охлаждения О . При малых т (рис. 7, ггх = 0,395) завеса располагается в треугольной области, ограничен-юй"рядом отверстий 'для вдува и ветвиш входных подковообразных ііисрей, .располагающихся в менлопаточном капало. Характерна силь-іая неравномерность О поперек канала. При т>0,6 часть струй, іас'по'лагапиціхся ближе к корытцу лопатгл глубоко проникает в поток г. огибает вэтвь входного вихря, пероходящую в канальный вихрь. Гря-'этом на торцевой стенке у корытца лопатки (рис. О, m =: 0,726 ) появляются отдельные участки завесы. При тп > і іавеса практпнески присутствует на всей торцевой стенке и как бы узлитс'я па, дав области: притязающая к спинке одной лопаткк треу- *v голъкая область со сравнительно равномерным изменением : 3 и Для анатаза результатов опытов били взяти значения вдоль проекций осей струй на торцевую стенку - осевке эффективно сти. Получено, что влияние вторичных течений'на эффективность за весы проявллотся для параметров вдува лг<0,8 п заключается в рассловрчи зависимости 9 ~ $("*> : для струй, истекашіих из отверстий, расположенных ближе к средней линии канала значения в максимальны и очи уменьшаются по мере перехода к струям, располагающимся все бляхе к образующим меклопаточиый канал спинке и, корытцу лонаток. По параметру вдува осевые эффективности завесы имеют максимумы при 71 = 0,5, что указывает на наличие-двух ге-яимов завесы для т<0,8.\ Сравнение данных об особой эффективности завесы в мелела ато чном канале с аналогичными данными на плоской пластине показало, что в случае наличия решетки для малых т. значения Q выше . и лить для т > 0,8 данные для рояэтки и для'пластины сходятся. Такое поведение зависимостей в*^т^связано с сильным загро ыоздзгашм течения у торцевой стенки входными вихрями. При малых гл Г<0,5)' вся вдуваемая среда остается в пределах входных-вихрей, участвует ё их образовании и развитии. При этом в процессе смэюения с вдуваемо!; средой участвует лишь та среда из основного потока, которая попадает во входные вихри, поэтому здесь с роото: m растет эффективность завесного охлаждения. Поскольку .глубина проникновения вдуваемых струй в основной поток в этом случае ограничена размерами вихрей,' тоучем мельче вихри (ча|.і дальше от входных кромок лопаток), гзм вьше эффективность завесы, что и наблюдается в окрестности схвднеї; линии'канала. При дальнейшем росте № ( т> 0,5) уменьшение эффективности завесного охлаждения связано с частичным выходом вдуваемой среды за.прадэлы входных вихрей, что редат к участки'в процессе.смешения все большего количества среда из основного лотокаі,', ' '' При m >0,8 независимо от ггаложшгя.сгруй ..:.в-.^(/л").щю-.:. теказт одинаково, а при т.-»І значения 0 практически на зависят от га . По картинам распределения Q на торцовой стенке лолучеш средние поперек можлопаточного каната эффективности завесы. Исходя из того, что при слабых здувах вдуваемая среда консервируется в пределах входных вихрей, где происходит процесс смешения основного и вдуваемого потоков, предотен расчэткый метод определэ- :ш (сродней по поперечішку канала) эффективности завесы, базнругорй-ся на результатах, обобщающих визуальные исследования. Предпотіа-гаатся, что входные вихри огибают входные кромки лопаток по дугам окружностей, образуя на входе в. рекетку упорядоченные последовательности вихрей (рис. 2), убывающих по размену в направлении от входных кромок лопаток. До входа в решетку эти последовательности нэ нарушаются, а с попаданием непосредственно в мялопоточный канал вихри переплетаются и на выходе из него образуют единый вихревой кгут. Для оценки глубины проникновения вдуваемых ртруй А. в основной поток используется эмпирическая зависимость (I), описывающая зону вгосреобразования у входной кромки лопатки. Расчет оі>-^ектпвности завесы (оредней по шрине струи) идет по формуле 9- J2- _ т+ % - 1 > полученной из уело.'.чя баланса энергии основного и вдуваемого потоков в прэделах й-'ря смешения высотой А и толігіине эквивалентной -дели вдува, определяемой с учетом сужения под действием вторичных течений области, занимаемой.заззеой, Средняя по поперечнику Э'йвктиЕкость завесы' определяется как среднее арифметическое по д для каждой из струй. В мажлопаточном канале происходит процеси дальнейшего персмашЕваоия основного п вдуваемого потоков з пределах ветвей входных вихрей за счет воздуха из вихрей, который нэ учаотвует в перемешивании до входа з решетку в оилу особенностей расположения отверстий дня вдута. Он удовлетворительно описывается линейным законом. Учет сужения области, занимаемой завесой произведен с использованием эмпирических данных. Для завершения расчетного метода необходимо уметь оценить положение области, занимаемой завесой, что можно сделать, рассчитав положение ветвей входных вихрей на входо ь рештку и в мэялопаточном канапе в про- екции на торцевую стенку, с учетом влияния на их положение ^ отвесного вдува. Зная очертание области, занимаемой завесой, сужение ее можно учесть как уменьшоята расстояния мелщу струями как будто бы оіш эквидистантно распространяются вниз по течению. Поведение вихрей напоминает распространение струя в поперечном потоке. Использовав подход, аналогичный случаю струи в поперечной потоке и учтя, что ветвь вихря находится в криволинейном канале в ускоряющемся потоке, получим следующую систему обыкновенных дифференциальных'уравнений! Г^, - ір. .((і*??)**-&*»'» ІФ»'Sine - -cos»)-^] { WW) f » позволяющую с помощью стандартной цЪртран-программы метода Рунге Кутта получать координаты расположения проокция осей ветвей под-> ковообразшос вихрей на торцевой стенке. Причем член Р* , вводимый как внешняя сила, позволяет участь влияние загзсного вдува на полоаониа вихря. Расчеты выполнены на ЭВМ Мера-бБС. Предложен ный метод удовлетворительно описывает область, занимаемую запэ-соїі.и может быть использован при выборе схемы завесного вдува при охлазвдршш торцовоГ, стопки рапитіш. . Для случаев параметров вдува, при /которых часть ЕдуваемоЕ струи выходит за прэделы вихрей ( " ГП > 0,5) .построить расчетный метод опроделвшія средней по поперечнику канала э.ТгТоктпвности завесы не удается в силу вероятностного поведения струй охладителя. Для tn > І хороше результаты при расчете средних в дает 'Гюрмула Богошлова З.Н., осот учэсть сужение канала вниз по потоку. Оно учитывается как уменьшение расстояния мэгду струями аналогично случаю малых т . Результаты расчета удовлетворительно описывают эмпирические данные. Комоянироваїшіій вдув через отверстия на входе в рчизтігу и в ызжлопаточдам канале производился пз единого ресивера, располагающегося под торцевой стенкой. Так в случае рисунка 10 параметры вдува m на входе в реиетку приблизительно разня 1,7 — 2,7, а в мэйлопаточиоы'канале - 0,35-1,28 , что приблизительно соответствует рзяш.іу, близкому к. оптимпльноі-у по газа- ~va динамической эффективности решетка. Видно, что при таком вдува товеряность торцевой стенки практически полностью покрывается заменой пеленой. Снижение параметров вдува т. для отверстие в шалэпаточнэм (анале гашз едпішци делает вдув в канала неэффективным, поскольку іри этом вдуваемая полона полностью сносится к сшшкэ лопатки на іащшдая торцевую стенку у корытца лопатки,
область вдоль корытца лопатки, которая создается.расположенными *
блюю к корытцу струями (рис, 9, то- я 1,47), где эффективность
завесы убывает по направлению от корытца лопатки. Меяду двумя'
этими областями располагается зона низких .* , лелащая.при
мерно на линии расположения ветви входного вихря, переходящей в
канальный вихрь. '- * - . - \Похожие диссертации на Исследование взаимовлияния завесного охлаждения торцевых стенок межлопаточных каналов и вторичных течений в решетках авиационных газовых турбин
