Исследование теплового состояния сопловой лопатки с циклонно-вихревой системой охлаждения

УДК 621.1.65: 621.438

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СОПЛОВОЙ ЛОПАТКИ С ЦИКЛОННО-ВИХРЕВОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ

© 2011 С. В. Веретенников, С. М. Хасанов Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьёва

Анализируются результаты экспериментального исследования интенсификации теплоотдачи в каналах охлаждения сопловой лопатки с циклонно-вихревой системой охлаждения. Установлены закономерности изменения температурных полей и интенсивности теплоотдачи на поверхности охлаждающих каналов в зависимости от числа тангенциальных подводов при различных перепадах давления. Получены критериальные зависимости для определения коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности охлаждающего канала сопловой лопатки с циклонно-вихревой системой охлаждения.

Повышение эффективности, циклонно-вихревая система охлаждения, теплообмен, сопловая лопатка.

Введение. Проблема создания перспективных методов внутреннего охлаждения лопаток турбин неразрывно связана с поиском новых высокоэффективных схем охлаждения, обеспечивающих требуемый уровень теплообмена. Анализ литературных данных показал, что закрутка потока является эффективным средством воздействия на структуру потока с целью интенсификации процессов переноса теплоты [1, 2]. Она характеризуется значительными радиальными градиентами скорости и давления, высоким уровнем турбулентных пульсаций, активным и консервативным воздействием центробежных сил на структуру потока. Эти специфические свойства закрученного потока позволили предложить в качестве альтернативных схем охлаждения лопаток турбин циклонно-вихревые (с закруткой потока) системы охлаждения.

При проектировании циклонной системы одним из важнейших является вопрос правильной организации закрутки потока в канале охлаждения, которая обеспечивает максимальную интенсификацию теплообмена при определенных ограничениях по расходу охладителя и потерям полного давления. Это достигается выбором формы и размера канала, количеством тангенциальных подводов охладителя и их размещением по длине канала. При варьировании этих параметров в канале формируется различная структура закрученного потока с разным уровнем интенсификации теплообмена [1, 2].

Исследование теплового состояния сопловой лопатки. С целью решения задачи оптимизации конструкции при проектировании системы охлаждения сопловой лопатки с циклонно-вихревой (с закруткой потока) системой охлаждения для обеспечения требуемой равномерности температуры по контуру и по высоте с достижением высокой интенсивности охлаждения как входной кромки, так и основной части пера лопатки проведено исследование теплообмена в циклонном канале во входной кромке и в каналах, расположенных в основной части пера лопатки, численным и экспериментальным методами.

Схема охлаждения лопатки представляет собой систему циклонных труб с подводами от центрального канала и вихревую матрицу, расположенную в задней части пера. Течение охладителя организуется следующим образом: а) от торцевого входа воздух подводится к центральному каналу; б) через отверстия, соединяющие центральный канал с боковыми производится подвод и закрутка для организации «циклонного» течения охладителя; в) в канале охлаждения входной кромки воздух выпускается в проточную часть через 4 ряда перфораций; г) в коллекторе, расположенном над лопаткой, организуется сбор охладителя из боковых отверстий и его подвод к «вихревой» матрице; д) после прохождения охладителя через «вихревую» матрицу он сбрасывается в проточную часть через щель в выходной кромке лопатки.

Схема охлаждения лопатки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема охлаждения лопатки

Работа по исследованию теплового состояния лопатки подразделялась на два этапа:

1 - определение теплового состояния входной кромки, выбор числа тангенциальных подводов и поиск эффективного режима работы;

2 - исследование теплообмена в циклонных каналах в теле пера лопатки.

Исследования проведены для различного числа тангенциальных каналов п = 1; 2; 4; 6; 8 при изменении величины перепада давления р о*хл = 1,2; 1,4; 1,6; 1,8.

ОЛЛ •' у ; у ; у

Анализ результатов численного моделирования и экспериментальных данных показал, что для лопатки с охлаждаемой входной кромкой при использовании тангенциальных подводов с относительной

площадью соплового ввода fc = 0,1 оптимальный результат достигается при использовании восьми тангенциальных подводов. При перепаде давления рхл =1,8 на этом

режиме достигается макимальная хладо-производительность - эффективность охлаждения имеет самые высокие значения 0 =

0,68, максимальная неравномерность температурного поля не превышает АТ = 10 К, при этом относительный расход охладителя составляет G = 4,1%. Среднее значение коэффициента теплоотдачи для рекомендуемого режима составляет 3600 Вт /(м2 К), что говорит о достаточно высокой интенсивности теплообмена.

Экспериментальное исследование теплообмена в циклонном канале во входной кромке. Для входной кромки течение охладителя осуществлялось следующим образом (рис. 2): воздух из патрубка поступал в центральную полость а, из которой через тангенциальные подводящие каналы б поступал в канал входной кромки в и сбрасывался в атмосферу.

а б

Рис. 2. Модель входной кромки: а - модель сопловой лопатки; б - входная кромка лопатки; в - система охлаждения модели и схема течения охладителя в исследуемом участке

Препарированная охлаждаемая лопатка устанавливалась в середину пакета из трех лопаток и испытывалась на экспериментальном стенде при параметрах газа Гг*= 800 К,

(£/70=0,36, Яг, = 0,7, Яегі = 0,48 • 105. Основные характеристики лопаточного пакета: эффективный угол 16°, степень конфузорности 3,4, шаг 35 мм, угол установки лопаток 45°.

В качестве основных параметров, характеризующих эффективность рассматриваемой системы охлаждения, используются: -расход охладителя Оохл ; -эффективность охлаждения 0= (Т* - Тст )/(Тг - Т^).

Распределение полного давления по высоте межлопаточного канала и температурное поле газа в горизонтальной плоскости перед пакетом лопаток представлены на рис. 3,а,б.

Т/Тер 1.01

0.99

0.98

А О я

$ о

§ а

0.00

0.02 1,

0 04 2. А -

її. м

Рис.3. Распределение полного давления по высоте межлопаточного канала

Результаты экспериментов показывают, что зависимость относительного расхода (рис. 4,а) обратно пропорционально зависит от числа подводящих каналов и перепада давления. Расходные характеристики максимальны (0=3,8%) при числе тангенциальных подводов п = 8 и рхл = 1,8;

минимальны (О =1%)- при п = 1 и р(*хл = 1,2. Расходные характеристики системы охлаждения, полученные при п = 8; 7тСхл = 1,8, являются приемлемыми для практики и не приведут к снижению КПД двигателя.

Температурная неравномерность на модели сопловой лопатки с одним и двумя тангенциальными подводами для всех перепадов давления достаточно высокая и составляет порядка АТ = 60...70 К соответственно для =1,8 и р*хл =1,2. С увеличением количества тангенциальных подводов до четырех и шести температурная неравномерность снижается до АТ = 23.48 К соответственно для р* =1,8 и р* =1,2.

Ил

3.2

2.2 1,2 0,2

о  А О

о  д О

то

1,

12

2, Д

18 ДТ, К 3, О - 4

Рис. 4. Расходные характеристики (а) и абсолютный подогрев воздуха в канале входной кромки (б) модели: О = Овх • 100%/0г; Ог = 0,0756 кг/с;

1- р* =1,2; 2 - р* =1,4; 3 - р* =1,6; 4 - р* =1,8;

Илоп = И/1

Стах. Стах =11,8 ^ П = 8

Сравнительно высокие значения температурной неравномерности при количестве тангенциальных подводов п = 1; 2; 4, по-видимому, связаны с разрушением закрутки и прогревом охлажденного закрученного потока при движении по высоте охлаждающего канала лопатки. При дальнейшем увеличении числа подводящих тангенциальных каналов до восьми наблюдается выравнивание температуры по высоте входной кромки АТ = 11...21 К соответственно для ро*т =1,8 и рл =1,2 (см. рис. 4,б).

Количество подводящих каналов более восьми в конструкции сопловой лопатки из геометрических и практических соображений является нецелесообразным.

Из анализа экспериментальных данных следует, что эффективность охлаждения входной кромки снижается по высоте пера лопатки от корневого к верхнему сечению, это объясняется подогревом охлаждающего потока и снижением коэффициента теплоотдачи от разрушения закрутки при движении по каналу входной кромки (рис. 5).

а

а

0

О 5

0.3

о

О ф >  0 ] л і

*

1

4

Исследование коэффициента теплоотдачи во входной кромке осуществлялось по методике регулярного режима с граничными условиями первого рода.

а,

2 3

О - 1,  - 2, Д - 3

Рис. 5. Эффективность охлаждения входной кромки модели:

0 = Овх • 100%/0г; 0 = (Тг* - Тст)/(Тг* - Тв*х);

клоп = Щсшж, Стах = 11,8

1 - к лоп = 3,81; 2 - к лоп = 2,12; 3 - клоп = 0,42;

Р*хл = Ро*хл/Рв*х = 1,8 п = 8

Наиболее низкие значения эффективности охлаждения наблюдаются при количестве подводящих каналов п = 1 и п = 2 и составляют при относительном расходе О = 3...4%, 9= 0,47; 0,43; 0,4 соответственно

для клоп = 3,81; клоп = 2,12; клоп = 0,42. При увеличении числа подводящих каналов до п = 4; 6; 8 эффективность охлаждения возрастает и составляет при О = 3...4% для п = 4, 9 = 0,65; 0,56; 0,5 для п = 6, 9 = 0,65; 0,6; 0,56 для п = 8, 9 = 0,68; 0,64; 0,52, соответственно для клоп = 3,81; клоп = 2,12; клоп = 0,42. Из

указанных значений видно, что

эффективность охлаждения при п = 4; 6; 8 находится приблизительно на одном уровне. Повышение теплосъема с увеличе-нием количества подводящих тангенциаль-ных каналов связано с меньшим прогревом охладителя из-за его дополнительного подвода по высоте канала, а также с стабилизацией закрутки потока.

Из характера зависимостей рис. 5

наблюдается плавное изменение эффективности охлаждения при возрастании относительного расхода О = 1...4%, что объясняется прогревом охлаждаемой входной кромки в результате теплообмена с неохлаждаемым телом модельной сопловой лопатки. Так до О = 1...3% эффективность охлаждения нарастает монотонно (линия прямая), при О =3...4% она начинает интенсивно повышаться (линия выпуклая) за счет увеличения скорости закрутки при повышении расхода охладителя.

Рис. 6. Распределение коэффициента теплоотдачи в канале системы охлаждения по высоте входной кромки:

— — /7 лоп

Р*хл = Р'хл/Р'х =1Д кл°" = к/Стах > Сшх =1 1,8 I,С = /с ' П/4 • Е = 0,:

Е = 1,83-10-5 м2; п = 8; Ов = 0,0027 кг/с Наблюдается падение величины коэффициента теплоотдачи по высоте входной кромки (рис. 6). Это связано как с прогревом охладителя в центральной полости лопатки, так и закрученного потока во входной кромке. Экстремальные значения коэффициентов теплоотдачи возникают в области тангенциального подвода охлаждающего воздуха, что объясняется меньшей температурой охлаждающего потока и большей скоростью закрутки охладителя.

Результаты экспериментального исследования позволили получить критериальную зависимость для расчета среднего теплообмена в области ±90° от лобовой точки натекания коэффициента теплоотдачи:

-0,524 / ч-0,224

№в = 0,212-Яе(

0,628

Ґ т \

___л

Т Vі  0

Ґ 7- \

п • К

К

V Гк 0

• Рг1

.0,11

где Евх, Е - площадь тангенциальной щели и циклонной камеры охлаждения; Тл, Твх -температура поверхности входной кромки и охлаждающего воздуха; п - число тангенциальных подводов охладителя.

Экспериментальное исследование теплообмена в циклонных каналах в теле пера лопатки. На втором этапе экспериментального исследования в работе проводилось моделирование теплового состояния поверхности пластины с тремя тангенциальными подводами, расположенными по высоте каналов (рис. 7).

Основной задачей численного моделирования являлось получение распределения коэффициентов теплоотдачи с помощью нерегулярного режима с граничными условиями первого рода. Система охлаждения

модели и схема течения охладителя следующая (рис. 7,б): «охладитель», подогретый до температуры 378 К, поступает в патрубок а, из него газ попадает в полость б, откуда по тангенциальным закручивающим устройствам в, г, д попадает в каналы охлаждения, далее газ собирается в ресивере е и через патрубок ж сбрасывается в атмосферу.

м2 К

3050 2600 2150 1 700

О < < > 1 > > АЛ > ч

п и   С

1 8 8 « т о ° ° ^ О о

1 о о

0.00 0.02 0.03

- 1,  - 2. 0-3.

- Л

_|' <лоп

Рис. 8. Распределение коэффициента теплоотдачи в каналах системы охлаждения:

1-ж! = 1,2; 2- ж! =1,4; 3 - ^ =1,6; 4- ^ =1,8;

йлоп = Н/о^, =11,8 мм; X = X • П/4• ^ = 0,1;1 = 7о;

При снижении перепада давления можно наблюдать практически эквидистантное падение коэффициентов теплоотдачи - это свидетельствует о том, что закрутка потока в канале поддерживается, а снижение связано

с падением радиальной компоненты скорости закрученного потока.

Модель для экспериментального исследования теплового состояния пластины и экспериментальный стенд представлены на рис. 9,а,б.

Рис. 7. Расчетная модель каналов, расположенных в основной части пера лопатки

Результаты численного моделирования распределения коэффициентов теплоотдачи в канале системы охлаждения

выявили неравномерности по высоте охлаждающего канала - экстремальные значения коэффициентов теплоотдачи аналогично коэффициентам теплоотдачи в канале системы охлаждения по высоте входной кромки возникают в области тангенциальных подводов охладителя.

Вт 3500

а б

Рис. 9. Экспериментальное исследование теплового состояния пластины: а - пластина с тремя

тангенциальными подводами охладителя, б - стенд для исследования теплообмена

По результатам экспериментального исследования получена критериальная зависимость для расчета среднего теплообмена по поверхности пластины коэффициента теплоотдачи:

Ыив = 0,243 • Яе

0,58

п • Г

________вх

Г,

-0,126

Рг

0,101

где ¥вх, ^ - площадь тангенциальной щели и циклонной камеры охлаждения; п - число тангенциальных подводов охладителя.

Заключение. По результатам экспериментального исследования коэффициентов теплоотдачи получены критериальные зависимости для определения коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности охлаждающего канала сопловой лопатки с циклонновихревой системой охлаждения.

Закрутка потока обеспечивает высокий уровень теплообмена, средняя эффективность охлаждения составила 0ср = 0,59 при относительном расходе охладителя 6=3,2%, а минимальная эффективность охлаждения -0Ш1П= 0,36.

Представленные результаты показывают высокий потенциал концепции закрученного потока при ее использовании в системе внутреннего охлаждения перспективных лопаток турбин.

Работа выполнена под руководством д-ра техн. наук, проф. Ш.А. Пиралишвили и при финансовой поддержке гранта Президента РФ МК-6371.2010.8.

Библиографический список

1. Халатов, А. А. Теплообмен и гидродинамика в полях центробежных массовых сил. Т. 5: Тепломассообмен и теплогидравлическая эффективность вихревых и закрученных потоков [Текст] / А. А. Халатов, И.И. Борисов, С.В. Шевцов. - Киев: Ин-т технической теплофизики НАН Украины, 2005. - 500 с.

2. Козлов, А.П. Гидродинамические эффекты от сферических углублений на поверхности поперечно обтекаемого цилиндра [Текст] / А.П. Козлов, А.В. Щукин, Р.С. Агачев // Изв. высш.учеб. заведений. - Сер. Авиационная техника, 1994. №2. - С. 27-34.

3. Арсеньев, Л.В. Результаты исследования эффективности охлаждения рабочих лопаток газовых турбин воздухом и паром [Текст] / Л.В. Арсенев, Ю.Г. Корсов, И.Б. Митяев // Тр. ЦКТИ. - 1978. - Вып. 165. -С.3 - 9.

5. Арсеньев, Л.В. Экспериментальная установка для исследования теплообмена в

рабочих лопатках [Текст] / Л.В. Арсеньев, И.Б. Митяев, В.Г. Полищук // Изв. вузов. Энергетика. - 1975. - С.151 - 152.

6. Веретенников, С.В. Исследование интенсификации теплообмена в охлаждаемых лопатках высокотемпературных паровых и газовых турбин закруткой потока [Текст] / С.В. Веретенников, С.М. Хасанов, С.А. Смирнов // Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: сб. тр. 3-й Междунар. конф. - М.: Изд-во МЭИ, 2008. - С. 1 - 8.

8. Горелов, Ю.Г. Эффективные способы охлаждения лопаток турбин ГТУ и АГТД [Текст] / Ю.Г Горелов.- Рыбинск: Изд-во РГАТА, 2004. -100с.

9. А.с. 248177 СССР. Способ определения локального коэффициента теплоотдачи и устройство для его осуществления [Текст] / А.А. Халатов, К.И. Капитанчук, А.С. Коваленко. - № 3123416; заявл. 2.09.85

INVESTIGATION OF THERMAL CONDITIONS NOZZLE BLADES WITH A CYCLONE-VORTEX COOLING SYSTEM

© 2011 S. V. Veretennikov, S. M. Khasanov Rybinsk State Academy of Aviation Technology named after P.A. Solovyev

The results of an experimental study of heat transfer enhancement in channels of the cooling nozzle blade with cyclone-vortex cooling system are analyzed. The regularities of change of temperature fields and heat transfer coefficient on the surface of the cooling channels, depending on the number of the leads at different tangential pressure drops is established. Obtained criteria function for determining the heat transfer coefficient on the inner surface of the cooling channel nozzle blade with cyclone-vortex cooling system.

Improved efficiency, cyclone-vortex cooling system, heat transfer, nozzle blade.

Информация об авторах

Веретенников Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент Рыбинской государственной авиационной технологической академии. E-mail: serveret@yandex.ru. Область научных интересов: теплообмен, газовая динамика.

Хасанов Салават Маратович, кандидат технических наук, старший преподаватель Рыбинской государственной авиационной технологической академии. E-mail: khasanov-

salavat@rambler.ru. Область научных интересов: теплообмен, газовая динамика.

Veretennikov Sergey Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, docent of Rybinsk State Academy of Aviation Technology. E-mail: serveret@yandex.ru. Area of research: transfer, gas dynamics.

Khasanov Salavat Maratovich, Candidate of Technical Sciences, senior lecturer of Rybinsk State Academy of Aviation Technology. E-mail: khasanov-salavat@rambler.ru. Area of research: heat transfer, gas dynamics.