Введение к работе
Актуальность темы. Для интенсификации теплообмена в охлаждающих каналах турбинных лопаток ГТД и ГТУ на внутренние поверхности стенок профиля наносят различные по форме сферические, поперечные, наклонные выемки или выступы, сплошные или разрезные ребра и др.
Известно, что сферические выступы характеризуются более быстрым приростом гидравлического сопротивления по сравнению с теплоотдачей, чем выемки, при прочих равных условиях. Особенно – полусферические. В окрестностях выступов более интенсивно образуются и функционируют крупномасштабные вихревые структуры и рециркуляционные течения, на что затрачивается значительная кинетическая энергия. Известно, что использование полусферических выступов в каналах приводит к трех-пятикратному превышению прироста гидравлического сопротивления по сравнению с увеличением теплоотдачи.
В связи с этим многорядные матрицы из полусферических выступов могут быть неприменимы в охлаждающих каналах турбинных лопаток из-за ограничений по располагаемому перепаду давления охлаждающего воздуха. В то же время, в целях снижения неравномерности температурного поля деталей ГТД и ГТУ может потребоваться локальное интенсифицирующее воздействие на процесс охлаждения воздухом стенки лопатки - интенсификация теплообмена на коротких участках охлаждаемой поверхности.
Так, со стороны горячего газа на задней половине спинки профиля сопловой лопатки, примыкающей к выходной кромке (в области «косого среза»), тепловая завеса не используется ввиду опасности отрыва потока газа. В то же время, на этом участке профиля нередко переходный пограничный слой трансформируется в турбулентный. Это предопределяет резкое (в несколько раз) увеличение коэффициента теплоотдачи от горячего газа к лопатке. Для противодействия высоким коэффициентам теплоотдачи со стороны горячего газа и устранения возможного перегрева этого участка лопатки необходимо со стороны охлаждаемой поверхности увеличить теплоотдачу к охлаждающему воздуху. Например – за счет установки пояска из нескольких рядов полусферических выступов. При этом одновременно с гидродинамическим воздействием на поток возрастет и площадь теплообменной поверхности со стороны охладителя.
Количество публикаций по теплогидравлическим характеристикам каналов со сферическими выступами невелико, а с их односторонним расположением - носят единичный характер. Но в этих единичных публикациях рассмотрены результаты исследований специфических каналов, предназначенных для использования в пластинчатых теплообменниках. Они имеют выемки на противоположной от выступов стороне канала. Кроме этого, в таких каналах подвод (отвод) теплоты - двухсторонний. И то и другое не свойственно системам охлаждения дефлекторных сопловых лопаток, в которых используется одностороннее расположение выступов, выполненных литьем на охлаждаемой поверхности профильной части лопатки. Причем подвод теплоты к потоку воздуха – односторонний. По данным С.З. Копелева и др. в вариантах двухстороннего
и одностороннего подвода теплоты к воздуху в щелевых каналах теплоотдача на обтекаемых поверхностях различна.
В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной исследованию теплообмена и гидравлического сопротивления в плоском канале с односторонним расположением полусферических выступов и односторонним подводом к воздуху теплоты представляется актуальной.
Цель работы: разработать рекомендации по расчету теплоотдачи, гидравлического сопротивления и теплогидравлической эффективности плоского канала с односторонним расположением полусферических выступов в диапазоне изменения геометрических и режимных параметров, характерных для охлаждаемых турбинных лопаток газотурбинных двигателей и энергоустановок.
Задачи исследования:
1. На созданной экспериментальной установке провести исследование теплоотдачи и гидравлического сопротивления в канале с односторонним расположением полусферических выступов при варьировании плотностью их расположения, высотой канала и режимными параметрами.
2. На основе визуализации течений, анализа распределений местных коэффициентов теплоотдачи на выступах, а также проведенных с помощью программного пакета FlowVizion гидродинамических расчетов физически обосновать характер влияния на среднюю теплоотдачу геометрических параметров канала с выступами.
3. На основе полученных данных определить теплогидравлическую эффективность каналов с односторонним расположением полусферических выступов в исследованном диапазоне изменения их режимных и геометрических параметров.
4. Разработать рекомендации по расчету теплоотдачи и сопротивления
в канале с односторонним расположением полусферических выступов применительно к системам охлаждения сопловых лопаток турбины ГТД и ГТУ. Проиллюстрировать использование полученных данных результатами сравнительных расчетов охлаждаемых лопаток ГТД.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
1. Установлено, что в исследованном диапазоне изменения геометрических и режимных параметров средняя теплоотдача на стенке плоского канала с полусферическими выступами с учетом возрастания площади поверхности увеличивается на турбулентном режиме течения до 3,6 раз, а коэффициент гидравлического сопротивления - до 12 раз по сравнению с гладким каналом.
2. Выявлен неодинаковый характер изменения средней теплоотдачи на полусферических выступах в условиях варьирования относительной высоты канала H/h. При уменьшении H/h от 2,86 до 1,28 теплоотдача на выступах не изменяется. Дальнейшее уменьшение H/h приводит к снижению теплоотдачи на их поверхности. При максимальной стесненности канала, когда H/h = 1, теплоотдача на выступах на 15...20% меньше, чем в нестесненном канале.
3. Установлено немонотонное влияние относительной плотности f расположения выступов в канале на теплоотдачу от выступов для различных значений относительной высоты канала. Максимальное значение теплоотдачи на выступах наблюдается при f = 0,25...0,30. При этом средняя теплоотдача примерно на 20% превышает теплоотдачу на одиночном выступе при прочих одинаковых условиях.
4. Полученные опытные данные по местной теплоотдаче, результаты визуализации пристенных течений, а также проведенные с помощью программного пакета FlowVizion гидродинамические расчеты позволили физически обосновать характер влияния на среднюю теплоотдачу геометрических параметров канала с выступами.
5. Выявлено, что полученные опытные данные по энергетической эффективности исследованных плоских каналов с односторонним расположением полусферических выступов перекрывают область поверхностной шероховатости, ограниченную линиями Нуннера.
6. На основе полученных опытных данных разработаны рекомендации по расчету гидравлического сопротивления и средней теплоотдачи в канале
с полусферическими выступами. Они использованы в сравнительных расчетах температурного состояния участков охлаждаемой дефлекторной сопловой лопатки турбины, требующих интенсивного внутреннего охлаждения.
Автор защищает:
1. Опытные данные по средней и местной теплоотдаче на полусферических выступах, установленных в плоском канале при варьировании относительной плотностью их расположения, режимными параметрами и высотой канала.
2. Результаты опытного исследования коэффициента гидравлического сопротивления в плоском канале с полусферическими выступами при изменении его геометрических и режимных параметров.
3. Данные по теплогидравлической эффективности плоских каналов с односторонним расположением полусферических выступов в исследованных условиях.
4. Рекомендации по расчету средней теплоотдачи, гидравлического сопротивления в плоских каналах с полусферическими выступами и их теплогидравлической эффективности, разработанные на основе выполненного исследования.
Практическая значимость. Выработанные на основе анализа и обобщения полученных опытных данных рекомендации по расчету теплообменных каналов получены в широком диапазоне изменения геометрических и режимных параметров. Направление теплового потока в опытах, геометрические и режимные параметры, а также представленные в числах подобия результаты выполненных исследований соответствовали условиям работы систем охлаждения ГТД и ГТУ.
Эти рекомендации позволяют рассчитать и спроектировать каналы систем охлаждения сопловых лопаток высокотемпературных газотурбинных двигателей и установок с односторонним расположением полусферических выступов на заданные теплогидравлические характеристики. Кроме этого, полученные в диссертации опытные данные могут быть использованы для верификации соответствующих математических моделей. Полученные результаты позволят более глубоко понять теплогидравлические процессы, происходящие в плоском канале с односторонним расположением полусферических выступов и односторонним отводом теплоты от стенки.
Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (ГК№14.740.11.0320).
Достоверность и обоснованность полученных научных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и аттестованных средств измерения теплогидравлических параметров, многократным повторением выполненных измерений, расчетом погрешности полученных опытных данных, удовлетворительным согласованием результатов, полученных в стандартных условиях, с данными других авторов.
Личный вклад автора. Соискатель участвовала в создании опытной установки, лично выполнила основную программу экспериментов, обработку, анализ и обобщение полученных опытных данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и получили одобрение на XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях” 23-27 мая 2011 г., г.Звенигород Московской обл.; на XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции КВВКУ “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология”, г.Казань, 2011г.; на XIX Туполевских чтениях, г.Казань, КГТУ-КАИ, 2011г.; на VI международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики ИАНТЭ - 2011», на юбилейной конференции «Давыдовские чтения» в Национальной Академии прикладных наук РФ, г.Москва, 2012 г.; на научных семинарах кафедры “Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели”, КГТУ-КАИ, г.Казань, 2010-2012 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ. Одна работа опубликована в рекомендуемом ВАК журнале.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунков, 3 таблиц. Список использованной литературы включает 102 наименований.
