Разработка метода расчета внешнего теплообмена лопаток газовых турбин, основанного на решении осредненных уравнений Навье-Стокса и модели ламинарно-турбулентного течения газа

• Автор: Чупин, Павел Владимирович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Рыбинск
• Количество страниц: 142 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения

ВВЕДЕНИЕ

Цель исследования

Метод исследования

Научная новизна результатов

Практическая ценность

Достоверность результатов работы

Внедрение результатов

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Обобщенные экспериментальные данные о теплоотдаче к профилям турбинных лопаток. Критериальные уравнения
1.2 Интегральные методы расчета теплообмена
1.3 Методы расчета теплообмена на основе уравнений пограничного слоя
1.4 Методы расчета теплообмена на основе осредненных уравнений Навье-Стокса(уравнений Рейнольдса)
Выводы
2. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПИСАНИЯ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА НА ПОВЕРХНОСТИ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ
2.1 Физическая модель
2.2 Математическая модель
2.2.1 Система осредненных уравнений Навье-Стокса
2.2.2 Моделирование турбулентности
2.2.3 Модель турбулентности
2.2.4 Моделирование ламинарно-турбулентного перехода
2.2.5 Дискретизация системы уравнений
2.2.6 Решение системы уравнений

Выводы
3. ВЕРИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И МЕТОД РАСЧЕТА ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН
ЗЛ Предсказание газодинамических параметров в плоских решетках профилей
3.2 Предсказание газодинамических параметров в пространственных решетках профилей
3.3 Предсказание параметров внешнего теплообмена в плоских решетках профилей
3.4 Метод расчета внешнего теплообмена лопаток газовых турбин
Выводы
4. ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИН В ПРОЦЕССЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
4.1 Тепловое состояние рабочей лопатки 1ой ступени турбины высокого давления промышленного ГТД
4.2 Тепловое состояние рабочей лопатки турбины низкого давления авиационного ГТД
Выводы
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
р-давление, [Па]; р - плотность, [кг/м3];
Т-температура, [К];
Ь - статическая удельная энтальпия, [Дж/кг];
Н - полная удельная энтальпия, [Дж/кг]; и - осевая составляющая скорости, [м/с];
V - окружная составляющая скорости, [м/с];
XV — радиальная составляющая скорости, [м/с]; и - скорость, [м/с];
к - показатель адиабаты; у - перемежаемость;
а - коэффициент теплоотдачи, [Вт/(м2 К)];
Ке - число Рейнольдса;
N4 - число Нуссельта;
Рг - число Прандтля;
М - число Маха;
X - теплопроводность, [Вт/(м К)];
I — шаг решетки, [м];
Ъ - хорда решетки, [м];
б - ширина решетки, [м];
р - динамическая вязкость, [кг/(м с)];
V - кинематическая вязкость, [м2/с]; р - угол набегающего потока, [”];
1 - угол атаки, [*];
Ти - интенсивность турбулентности потока, [%]; Ь - линейный масштаб турбулентности, [м]; г-радиус, [м];

Одним из важнейших условий достоверного определения условий внешнего теплообмена, с точки зрения описания особенностей теплообмена в пограничных слоях на лопатках турбин, является, как и при решении уравнений пограничного слоя, правильное описание процессов ламинарно-турбулентного перехода. При этом нет необходимости предварительно определять граничные условия на внешней границе пограничного слоя, так как решение ищется одновременно как в области пристенных слоев, так и в основном потоке. Решение КАЫ5> в трехмерной постановке по сравнению с решением уравнений пограничного слоя в 2Б постановке позволяет определять условия внешнего теплообмена на лопатках турбин с учетом таких особенностей как вторичные и отрывные течения, радиальная и окружная неравномерность газодинамических параметров.
За несколько последних десятилетий исследования по расчетному определению условий внешнего теплообмена на лопатках турбин на основе ЛАИБ были выполнены многими учеными-исследователями.
В работе [33] выполнено тестирование различных алгебраических моделей турбулентности для определения условий внешнего теплообмена на сопловых лопатках турбины при высоких значениях чисел Маха и Рейнольдса. Результаты расчетных исследований хорошо согласуются с экспериментальными данными во всей области за исключением входной кромки и зоны ламинарно-турбулентного перехода, где имеется существенное завышение величины коэффициента теплоотдачи.
В [34] выполнено экспериментальное исследование теплообмена в сопловом венце и приведена численная оценка влияния алгебраической модели турбулентности на основе пути перемешивания Прандтля и различных реализаций «пристеночных» функций для описания теплообмена в ПС. В результате получено расхождение с экспериментом по определению коэффициента теплоотдачи на торцевой поверхности лопатки в 20 %.
В [35, 36, 37, 38] выполнены численные исследования по оценке