Моделирование сопряженного теплообмена в проточных частях газотурбинных установок с секционированным пористым вдувом охладителя

• Автор: Гущин, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 05.04.12, 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 165 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Сопряженная задача тепломассообмена.

1.2 Внешняя задача

1.3 Внутренняя задача.

1.4 Объемный коэффициент теплоотдачи

1.5 Гидравлические характеристики пористых материалов.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОЙ ЗАДАЧИ ТЕПЛООБМЕНА НА СТЕНКАХ С

СЕКЦИОНИРОВАННЫМ ПОРИСТЫМ ВДУВОМ

2.1 Постановка задачи.
2.2 Основные уравнения и метод решения внешней задачи.
2.3 Основные уравнения и метод решения внутренней задачи
2.4 Условия сопряжения внешней и внутренней задачи
Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОЙ ЗАДАЧИ ТЕПЛООБМЕНА
3.1 Конечноэлементный метод и аппроксимация дифференциальных уравнений.
3.2 Алгоритм программы для ЭВМ
3.3 Результаты численного моделирования сопряженной задачи
теплообмена.
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛООБМЕНА И ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ СЕКЦИОВОИРОВАННОГО ПОРИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В ГТУ
4.1 Установка и оборудование.
4.2 Описание экспериментальной модели
4.3 Основные результаты экспериментальных исследований и
стр
их сравнение результатами расчетов.
4.4 Перспективы применения секционированного пористою охлаждения в
энергетических ГТУ.
ВЫВОДЫ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


К другим достоинствам следует отнести более равномерное распределение охладителя на поверхности защищаемой стенки, меньшее влияние на пристенную область проточной части (по сравнению со вдувом охладителя через перфорацию), более высокую температуру охлаждающего газа (жидкости) на горячей поверхности при малых интенсивностях вдува и как следствие меньшее переохлаждение основного потока. Также следует отметить, что при распределенном нерегулируемом вдуве по всей защищаемой поверхности с постоянной интенсивностью вдува, низком температурном факторе, использовании металлических материалов, и как следствие достаточно высокого уровня расхода охлаждающего газа структура пограничного слоя изменяется, увеличиваются профильные потери, что в основном связано с потерями энергии основного потока на разгон охлаждающего воздуха, и также возможен отрыв пограничного слоя. Несмотря на то, что уже созданы первые образцы лопаток с пористыми оболочками, в силу конструктивно-технологических причин применение секционированного вдува представляется более рациональным, так как позволяет обеспечить тепловую защиту стенок при регулировании интенсивности вдува по длине секционированной стенки. Вдув охладителя через пористые секции создает газовые завесы на последующих непроницаемых участках и, таким образом, в сочетании (или без) с другими способами тепловой защиты (например, конвективное охлаждение внутренней поверхности непроницаемой стенки воздухом) позволяет обеспечить приемлемый уровень температур непроницаемых участков. Условия практического применения распределенного вдува и газовых завес при секционированном вдуве характеризуются, как правило, воздействием на пограничный слой таких возмущающих факторов, как неизотермичность и сжимаемость газового потока, градиентность течения, шероховатость стенки, нестационарность пограничного слоя и др. АОз, зК4, вЮ, ТЮ и боридов (Т1В2). Использование таких материалов позволит существенно повысить температуру рабочих процессов энергетических установок без увеличения потерь на охлаждение. Для расчетов трения и теплообмена при течениях рабочей среды, теплового и термопрочностного расчетов компонентов проточной части газовых турбин с пористыми элементами необходимо располагать информацией об интенсивности теплопереноса, распределении температурных полей в пористых элементах, охладителе и непосредственно примыкающих к этим пористым элементам участкам из непроницаемых материалов. Эту информацию можно получить из решения задачи сопряженного теплообмена для стенки с пористыми секциями и секционированным вдувом охладителя в пограничный слой. Таким образом, исследование систем охлаждения посредством вдува охладителя в пограничный слой секционированной стенки через пористые секции является одной из актуальных научно-технических задач применительно к проточным частям ГТУ. Данная работа выполнялась на кафедре “Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки” МГТУ им. Н.Э. Баумана в соответствии с госбюджетными НИР по грантам РФФИ (4 и 3). Целью настоящей работы является дальнейшее развитие теоретического и экспериментального исследования комплексного сопряженного теплообмена, поставленного и проведенного на кафедре Э-3 МГТУ им. Н.Э Баумана, усовершенствование метода и разработка программы расчета сопряженной задачи теплообмена для секционированной стенки со вдувом охладителя в пограничный слой применительно к проточным частям газотурбинных и энергетических установок. Экспериментальные исследования сопряженного теплообмена при течении на стенках со вдувом через секции, изготовленные из высокотемпературных пористых материалов. Научная новизна. Показана немонотонность распределения теплового потока, разности температур матрицы и охладителя на наружной поверхности пористой стенки и распределения температуры в пористых и непроницаемых участках в зависимости от интенсивности вдува, теплофизических свойств материалов, толщины стенки, скорости внешнего потока (при ^согШ и Ух2 > Ум1), шероховатости поверхности и различных граничных условий. Достоверность результатов.