Моделирование теплозащитных свойств газовых завес при параметрах, типичных для организации пленочного охлаждения

• Автор: Измоденова, Татьяна Юрьевна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 147 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ПОДХОДОВ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХМЕРНЫХ ГАЗОВЫХ ЗАВЕС ПРИ ВЫДУВЕ ЧЕРЕЗ ПЕРФОРАЦИИ
1.1 Системы развитого пленочного охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин
1.2 Трехмерная структура газовой завесы при выдуве из перфорации. Безразмерные параметры, влияющие на теплозащитные свойства газовых завес

1.3 Методы расчета эффективности газовой завесы на пластине

1.3.1 Классификация методов расчета эффективности охлаждения

1.3.2 Методы расчета эффективности пленочного охлаждения при выдуве завесы через щель

1.3.3 Опыт численного моделирования трехмерных газовых завес

1.4 Теплозащитные свойства газовой завесы на криволинейной поверхности
1.4.1 Результаты экспериментальных исследований
1.4.2 Численные исследования
1.5 Численное моделирование теплового состояния лопаток газовых турбин при конвективно-пленочном охлаждении
1.5.1 Обзор экспериментальных исследований по влиянию различных факторов на эффективность пленочного охлаждения лопаток ГТД
1.5.2 Численное моделирование эффективности пленочного охлаждения лопаток ГТД
1.5.3 Численное моделирование теплового состояния лопаток ГТД
1.6 Цели и задачи диссертации
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОГО ТЕЧЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛЕНОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ВЫДУВЕ ГАЗОВОЙ ЗАВЕСЫ ИЗ ДВУХРЯДНОЙ ПЕРФОРАЦИИ НА ПЛАСТИНЕ
2.1 Газовая завеса за двухрядной перфорацией на пластине
2.2 Нестационарная газовая завеса при воздействии неоднородного колеблющегося потока
2.2.1 Постановка задачи и вычислительные аспекты
2.2.2 Результаты расчета и их анализ
2.3 Область влияния нестационарное на эффективность пленочного охлаждения
3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЛЕНОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ВЫДУВЕ ЗАВЕСЫ ИЗ ОДНОРЯДНОЙ ПЕРФОРАЦИИ НА КРИВОЛИНЕЙНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ
3.1 Анализ опытных данных
3.2 Вычислительные аспекты численного моделирования

3.3 Результаты расчета
4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОЭТАПНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН
4.1 Методика поэтапного расчета теплового состояния рабочей лопатки с развитой конвективно-пленочной системой охлаждения
4.2 Влияние кривизны на эффективность охлаждения при параметрах вдува, больших единицы
4.3 Апробация усовершенствованной методики расчета теплового расчета охлаждаемой лопатки перспективного ГТД
4.3.1 Рабочая лопатка модификации двигателя РД-
4.3.2 Рабочая лопатка с развитой системой конвективно-пленочного охлаждения
5. ТРЕХМЕРНОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ОХЛАЖДАЕМОЙ ЛОПАТКИ ГТД В СОПРЯЖЕННОЙ И ПОЛУСОПРЯЖЕННОЙ ПОСТАНОВКАХ
5.1 Объект исследования: лопатка турбины с развитой системой конвективно-пленочного охлаждения
5.1.1 Конструкция экспериментальной лопатки
5.1.2 Экспериментальная установка. Измеряемые параметры
5.1.3 Результаты эксперимента
5.2 Численное моделирование. Постановка и вычислительные аспекты задачи
5.2.1 Расчетная область и граничные условия
5.2.2 Расчетные сетки
5.3 Результаты расчета сопряженного теплообмена
5.3.1 Внешняя газодинамика и гидравлика
5.3.2 Выбор численной модели
5.3.3 Анализ трехмерного течения, теплообмена и эффективности пленочного охлаждения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕН НЕ Акт внедрения результатов работы в ОАО «Климов»

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
с* - динамическая скорость;
Ср - теплоемкость при постоянном давлении;
cv - удельная теплоемкость при постоянном объеме; d - диаметр отверстия;
Delta, б - толщина пограничного слоя;
Delta*, б* - толщина вытеснения;
Delta**, б** - толщина потери импульса;
DR = p2/pi — отношение плотностей охладителя и основного потока;
G - массовый расход;
DpiUi/pxUi2 - отношение потоков импульса; к - показатель адиабаты;
I - длина отверстия перфорации ;
М-параметр вдува (M=p2U2/pU{); число Маха;
Р - шаг отверстий перфорации (расстояние между осями соседних отверстий); R - радиус кривизны поверхности;
Rej, - число Рейнольдса, построенное по диаметру отверстий;
Re., - число Рейнольдса, построенное по ширине щели;
Res** - число Рейнольдса, построенное по толщине потери импульса; s — ширина щели; t - время;
Т - температура;

Тт - температура торможения газа;
Ту, - температура металла лопатки;

I охл - температура торможения охлаждающего воздуха;
* ♦ ( * * Л
Упл = Тт — Т) Тт —Уохл " температура плёнки;

мультипликативности, т.е. принципа независимости отдельных воздействий. Тогда коэффициенты теплоотдачи представляются в виде:
аг =агоЯК1> апл“аплоПФ/ (1-9)
Здесь аг, аил - коэффициенты теплоотдачи в рассматриваемых условиях,
агО’аплО ” коэФФРШ'Иенть1 теплоотдачи при базовых условиях, К-, |г, -
множители-поправки для учета влияния на коэффициенты теплообмена соответствующих воздействий, отсутствующих при базовых условиях. Эти поправки получают путем обобщения опытных данных или с помощью интегральных теорий.
Наиболее распространенными интегральными методами расчета коэффициента теплоотдачи в отечественном газотурбостроении являются метод Кутателадзе-Леонтьева [42] и метод Зысиной-Моложен [16, 42, 47]. Метод Зысиной-Моложен (называется также «метод ЦКТИ», разрабатывался в 1957-1959 годах), позволяет рассчитывать коэффициент теплоотдачи при ламинарном, переходном гг турбулентном пограничном слое. Метод Кутателадзе-Леонтьева [42] (предложен в 1963 - 1966 годах [8]) основан на гипотезе вырождения ламинарного подслоя при больших числах Рейнольдса и использовании предельных законов трения и теплообмена. Эти законы учитывают неизотермичность, сжимаемость, вдув, шероховатость проницаемой поверхности, внешнюю турбулентность при течении на поверхности со вдувом.
Теоретические исследования теплообмена и эффективности завесного охлаждения при выдуве через щель, последовательность щелей или пористые пояски (т.е. в случаях двумерного смешения струй охладителя с основным потоком) с применением интегральных методов проводились во многих работах. Например, в [7] при расчете теплообмена и эффективности тепловой завесы использовал физическую модель пристенного пограничного слоя с начальными параметрами, определяемыми условиями завесы. На основе асимптотической теории турбулентного пограничного слоя получены