Введение к работе
Актуальность темы. Создание эффективных систем охлаждения для перспективных ГТД и ГТУ требует проведения исследований и разработки мероприятий по снижению потерь энергии на прокачку теплоносителей. Использование пристенной интенсификации теплообмена является одним из путей создания экономичных и эффективных систем охлаждения. Анализ литературных источников показывает, что возможности пристенной интенсификации теплообмена еще не исчерпаны.
Судя по результатам исследований, опубликованным в последние
годы, имеется возможность дополнительного улучшения
теплогидравлических характеристик пристенных интенсификаторов теплообмена. Речь идет об активизации процессов разрушения образовавшегося пограничного слоя, турбулизации пристенного течения и генерирования крупномасштабных вихревых структур на поверхностях выступов или выемок различной конфигурации.
Эффективность охлаждения турбинных лопаток, дисков и других термонапряженных деталей может быть повышена созданием пульсирующего потока воздуха. Как известно, за счет пульсаций потока средняя теплоотдача в гладком канале, по сравнению со стационарным течением, возрастает.
Пульсации потока воздуха в каналах рабочих лопаток ГТД могут генерироваться, например, за счет кольцевой прерывистой струи охлаждающего воздуха, подаваемой через установленные дискретно лопаточные решетки или цилиндрические сопла. Они размещаются в статорной части турбины на радиусе расположения хвостовиков рабочих лопаток, где предусмотрены входные отверстия в охлаждающие каналы. Возникающие при этом пульсации потока способствуют более интенсивному отводу теплоты от стенок каналов лопатки к охлаждающему воздуху.
Воздействие пульсирующего потока на развитие пограничного слоя в гладком канале происходит, главным образом, через генерацию пристенных вихревых структур. Кроме этого, большую роль здесь играет и взаимодействие этих пульсаций с турбулентными пульсациями скорости.
Резонансные режимы течений, когда частота наложенных на поток пульсаций совпадает с собственной частотой акустических колебаний в канале, могут снизить ресурс детали или вызвать ее вибрацию и разрушение. Поэтому в практике авиадвигателестроения эти режимы исключают из эксплуатационного диапазона в процессе доводки узла на экспериментальном стенде. В связи с этим приведенные в диссертации результаты исследований не затрагивали резонансных режимов течения воздуха в канале.
Критический анализ состояния вопроса по исследуемой тематике показал, что данных по расчету систем воздушного охлаждения турбин и других горячих узлов двигателей и энергоустановок с интенсификацией
теплообмена сферическими выемками в условиях пульсирующего течения воздуха нет. Отметим патент Н.П. Кубанского, в котором предлагается интенсифицировать теплоотдачу системой выемок или выступов различной формы, каждые из которых являются резонаторами, рассчитанными на определенную частоту колебаний. Однако в данном патенте речь не идет о наложенных на поток пульсациях.
По литературным данным теплоотдача на поверхности сферических выемок в пульсирующем потоке не исследована. Однако, из опубликованных результатов исследований в отрывных течениях с наложенными на поток пульсациями следует, что теплоотдача в сферической выемке отрывного типа во многом определяется гидродинамическими процессами, происходящими в ее сдвиговом и рециркуляционном течениях. Поэтому в данном исследовании требовалось определить, как процесс взаимодействия вынужденных колебаний потока в канале и нестационарного отрывного течения в выемке сказывается на конвективном переносе теплоты в ней. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной исследованию теплоотдачи в полусферических выемках, в условиях наложенных на поток пульсаций представляется актуальной.
Цель работы: Сформулировать научно обоснованные
рекомендации по расчету интенсификации теплообмена
полусферическими выемками в условиях обтекания их пульсирующим турбулентным потоком. Задачи исследования:
На основе созданного экспериментального стенда выполнить исследование средней и местной теплоотдачи в одиночной полусферической выемке при варьировании числами Рейнольдса, Струхаля и одинаковой относительной амплитуде наложенных на поток пульсаций.
Обобщить опытные данные и получить расчетную формулу для учета влияния частоты наложенных на поток пульсаций на среднюю теплоотдачу в полусферической выемке.
3. Обосновать правомерность использования существующего
механизма интенсификации теплоотдачи пульсирующим потоком в
отрывных течениях для физической модели интенсификации
теплоотдачи в полусферической выемке наложенными на поток
пульсациями.
4. Исследовать влияние установки полусферической выемки в 1-й,
3-й и 5-й ряды матрицы на относительную среднюю теплоотдачу в ней
при обтекании ее пульсирующим потоком.
5. Установить влияние вынужденных пульсаций потока воздуха на
самоорганизацию крупномасштабных вихревых структур в
полусферической выемке.
6. Сформулировать рекомендации по расчету теплоотдачи при
использовании полусферических выемок в условиях пульсирующего
турбулентного течения. Выполнить сравнительные расчеты эффективности воздушного охлаждения турбинных лопаток в исследованных условиях. Научная новизна.
1. Впервые установлены закономерности влияния пульсирующего
турбулентного потока на среднюю теплоотдачу в полусферических
выемках. Показано, что изменение относительных значений
(Nuf/Nuf=o)Re в зависимости от числа Струхаля на автомодельных
режимах течения подчиняется единой закономерности, полученной
для теплообменной модели одиночной выемки или выемки,
установленной в 1-м, 3-м или 5-м рядах матрицы.
Получена обобщающая формула для расчета интенсификации теплоотдачи в исследованных условиях обтекания выемок. Определен и обоснован диапазон рекомендуемых значений числа Струхаля, в котором в условиях работы охлаждающих каналов турбинных лопаток можно получить максимальную дополнительную интенсификацию теплоотдачи.
Термоанемометрическими исследованиями обоснована правомерность использования существующего механизма интенсификации теплоотдачи пульсирующим потоком в отрывных течениях в качестве физической модели интенсификации теплоотдачи пульсирующим потоком в выемках отрывного типа.
Установлено, что представленная в относительном виде (Nuf/Nuf=o)Re средняя теплоотдача в выемках первого ряда в исследованном диапазоне параметров консервативна к изменению длины предвключенного участка.
Получено, что наложенные на поток пульсации подавляют известный процесс самоорганизации крупномасштабных вихревых структур в выемках отрывного типа, который наблюдается при обтекании их стационарным турбулентным потоком.
Автор защищает:
1. Результаты экспериментального исследования средней и местной
теплоотдачи в одиночной полусферической выемке и выемках,
установленных в 1-м, 3-м и 5-м рядах матрицы при обтекании их
турбулентным пульсирующим потоком.
Правомерность распространения существующего механизма влияния пульсирующего потока на процессы теплоотдачи в отрывных турбулентных течениях, на теплоотдачу в полусферических выемках, обтекаемых турбулентным пульсирующим потоком.
Расчетную формулу для определения дополнительной интенсификации теплоотдачи в выемках в условиях пульсирующего турбулентного потока, а также результаты термоанемометрических исследований в них. Установленный факт консервативности зависимости относительной теплоотдачи (Nuf/Nuf=o) от числа Струхаля в первом ряду выемок к изменению длины предвключенного участка.
4. Рекомендации по выбору режимных параметров для эффективной интенсификации теплообмена полусферическими выемками в условиях наложенных на поток пульсаций и результаты сравнительных расчетов интенсификации теплообмена в исследованных условиях.
Практическая значимость. Полученные результаты позволяют более глубоко понять особенности взаимодействия вынужденных колебаний турбулентного потока в канале с нестационарным отрывным течением в одиночной выемке и в их системе. Выработанные на основе результатов экспериментального исследования рекомендации по расчету охлаждающих каналов с полусферическими выемками в пульсирующем потоке получены в реальном диапазоне изменения геометрических и режимных параметров систем охлаждения двигателей и энергоустановок.
Эти рекомендации позволяют рассчитать и спроектировать формованные сферическими выемками каналы систем воздушного охлаждения высокотемпературных ГТД и ГТУ, наиболее эффективно использующие наложенные на поток пульсации расхода охладителя.
Полученные данные позволяют верифицировать математические модели, разрабатываемые для расчетов такого рода сложных процессов комбинированной интенсификации теплообмена.
Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» ГК№14.740.11.0320. Кроме этого, результаты диссертационной работы использованы в отчетах по гранту Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития технологического комплекса России на 2007-2012 гг. №16.518.11.7015 от 12.05.2011г.»
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и аттестованных средств измерения параметров, расчетом погрешности измерений, удовлетворительным согласованием полученных на установке данных с каноническими данными, опубликованными в литературе, а также с опытными данными, полученными для других типов отрывных течений в условиях наложенных на поток пульсаций.
Личный вклад автора. Соискатель участвовал в создании опытной установки, выполнил основную программу экспериментов, обработку опытных данных и выработку рекомендаций для расчета и проектирования охлаждаемых лопаток турбины. Анализ полученных опытных данных выполнен совместно с научными руководителями.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и получили одобрение на XVIII Всероссийской молодежной научной конференции "Туполевские чтения", КГТУ-КАИ, г.Казань, 24-26 мая 2011г.; на XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции КВВКУ "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология" КВВКУ, г.Казань, 2011 г.; на
Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики -ИАНТЭ». КГТУ-КАИ, г.Казань, 2011г.; на научном семинаре Исследовательском центре проблем энергетики Казанского научного центра РАН, 2012 г; в Национальной Академии прикладных наук РФ на юбилейной конференции «Давыдовские чтения», г.Москва 2012 г.; на научных семинарах кафедры "Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели" КГТУ-КАИ, г.Казань, 2009 - 2012 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 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 75 рисунков, 2 таблицы. Список использованной литературы включает 83 наименования.
