автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование интенсивности теплоотдачи на торцевой стенке турбинной решетки малой высоты с целью уточнения методов расчета теплового состояния лопатки

Введение.

1. ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА НА ТОРЦЕВОЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕЖЛОПАТОЧНОГО КАНАЛА ТУРБИННОЙ РЕШЕТКИ ТУРБОМАШИН.

1.1. Тенденции изменения параметров рабочего процесса авиационных ГТД.

1.2. Проблема теплообмена в турбинах и методы охлаждения лопаток турбины.

1.2.1. Проблемы охлаждения лопаток турбин высокотемпературных двигателей.

1.2.2. Способы охлаждения лопаток турбин.

1.2.2.1. Краткое описание открытых систем охлаждения.

1.2.2.2. Краткое описание замкнутых систем охлаждения.

1.2.2.3. Эффективность охлаждения лопаток при различных способах охлаждения

1.3. Достижения в исследовании вторичных течений в каналах турбинных решеток.

1.3.1. Физическая природа и механика вторичных течений.

1.3.2. Явление смыкания вторичных течений.

1.3.3. Теплообмен в области вторичных течений.

1.4. Современные данные об исследовании теплообмена на торцевых стенках межлопаточных каналов турбинной решетки.

Выводы по главе 1.

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛООТДАЧИ НА ТОРЦЕВОЙ СТЕНКЕ МЕЖЛОПАТОЧНОГО КАНАЛА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

2.1.Методы, применяемые для определения коэффициентов теплоотдачи на поверхности деталей.

2.1.1. Применение термопар для определения температуры поверхности деталей.

2.1.2. Специальные датчики тепловых потоков.

2.1.3. Жидкокристаллические индикаторы.

2.2. Описание экспериментальной установки.

2.2.1. Регулируемая по высоте проточной части плоская сопловая решетка.

2.2.2. Электрическая часть установки.

2.3. Методика проведения экспериментов, базирующаяся на применении ЖКТ.

2.4. Тарировка ЖКТ и определение погрешности измерения.

Выводы по главе 2.

3. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МЕТОДИКИ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

3.1. Применение интерполяции сплайнами для обработки экспериментальных данных.

3.2. Оценка достаточности объема экспериментальных данных.

3.3. Отбрасывание данных с помощью критерия Шовене.

3.4. Статистическая обработка данных.

Выводы по главе 3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ.

Выводы по главе 4.

5. ВЛИЯНИЕ ТОРЦЕВЫХ ПОЛОК НА ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ ЛОПАТКИ.

Выводы по главе 5.

Повышение энергонасыщенности рабочего тела, вызванное ростом параметров ГТД, привело к уменьшению геометрических размеров проточной части турбины. Короткие лопатки турбины являются и особенностью ГТД для самолетов "малой авиации", пользующихся в настоящее время большим спросом на рынке. Поэтому сейчас повышается необходимость исследования процесса теплообмена на стенке межлопаточного канала в связи с ростом её роли в формировании теплового состояния лопатки.

Стеснение межлопаточных каналов приводит к взаимодействию возникающих в них вторичных вихрей. Этот факт оказывает существенное влияние на аэродинамические и теплообменные характеристики решеток. Между тем, относящиеся к этой проблеме известные данные носят частный характер и довольно противоречивы: с одной стороны, наличие вторичных вихрей практически не отражается на картине распределения коэффициентов теплоотдачи по поверхности торцевой стенки (Данн, Рей, Холт), с другой, - обнаруживается зависимость интенсивности теплоотдачи на этой поверхности от длины лопаток (Богомолов Е.Н., Ремизов А.Е., Халатов А.А.). Но имеющиеся обобщенные данные по теплообмену на торцевых стенках решеток турбомашин относятся в основном к случаю "длинных" решеток, в межлопаточных каналах которых вторичные вихри не взаимодействуют друг с другом.

Таким образом возникает актуальная задача: провести систематическое исследование теплообмена на торцевой стенке турбинной лопатки при различных высотах с целью выявить влияние вихрей на теплоотдачу и предложить метод оценки этого влияния на эффективность охлаждения профильной части лопатки.

Цель работы:

1. Выявить зависимость процессов теплообмена на торцевой стенке от поведения вторичных течений в межлопаточном канале.

2. Экспериментально получить картины распределения коэффициента теплоотдачи на торцевых стенках межлопаточного канала при различных высотах лопаточного венца и различных режимах течения и на основе экспериментальных данных вывести уравнения подобия теплообмена на торцевых стенках для всех исследуемых высот венца.

3. Оценить влияние снижения высоты решетки на тепловое состояние охлаждаемой лопатки под действием теплового потока от полок лопаток.

Научная новизна работы:

Полученные в исследовании данные о зависимости интенсивности теплоотдачи на торцевой стенке межлопаточного канала решетки от взаимодействия в нем вторичных вихрей не имеют аналогов среди опубликованных данных. В частности, в обобщающей работе А.А. Халатова вихревая составляющая влияния вторичных течений вообще не рассматривается.

Полученные экспериментальные данные и выведенные на их основе уравнения подобия теплообмена впервые позволили:

- установить количественную зависимость интенсивности теплообмена на торцевой стенке от характера поведения вторичных вихрей в межлопаточном канале;

- оценить влияние теплового состояния торцевых полок на тепловое состояние пера лопатки в различных условиях ее работы;

- экспериментально подтвердить связь распределения интенсивности теплоотдачи на торцевой стенке межлопаточного канала с явлением отхода вихрей от спинки лопатки при стеснении канала.

- качественно описать поведение вторичных вихрей в межлопаточном канале в условиях смыкания зон вторичных течений.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные уравнения подобия дают возможность более строго рассчитать тепловое состояние лопатки с учетом влияния торцевой полки, что особенно актуально в отношении турбинных решеток, работающих в условиях смыкания зон вторичных течений. Картины распределения интенсивности теплоотдачи по торцевой стенке межлопаточного канала при различных режимах течения и высотах лопаток могут быть непосредственно использованы для оценки теплового состояния полок при проектировании турбин.

Результаты исследовательской работы внедрены на ОАО «НПО Сатурн» при проектировании малоразмерного газотурбинного двигателя.

На защиту выносится:

1. Отработанная и реализованная методика определения интенсивности теплоотдачи на торцевой стенке межлопаточного канала турбинной решетки с помощью применения гистерезисных жидкокристаллических термоиндикаторов.

2. Методика обобщения экспериментальных данных в виде уравнений подобия, базирующаяся на интерполяции сплайнами полученных экспериментальным путем изолиний интенсивности теплоотдачи на торцевой стенке межлопаточного канала сопловой турбинной лопатки.

3. Полученные в результате проведенных продувок обобщенные экспериментальные данные о распределении интенсивности теплоотдачи на торцевой стенке межлопаточного канала сопловой турбинной решетки малой высоты.

4. Сделанные в результате анализа экспериментальных данных выводы о характере взаимодействия вторичных течений в условиях стеснения в межлопаточном канале, имеющем место при малых высотах лопаточного венца.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

Обобщенные экспериментальные данные для больших высот решеток сопоставлены с аналогичными известными данными, полученными как отечественными учеными (М.Н. Бодунов, Э.Г. Нарежный), так и зарубежными (Данн, Рэй). Между полученными в настоящей работе и известными данными имеется хорошее согласие. Необходимая достоверность представленных в диссертации экспериментальных данных была достигнута обеспечением достаточно большого значения выборок экспериментальных точек по числу Рейнольдса и числу снимаемых изолиний.

Экспериментальные данные сопоставлены с данными, рассчитанными с помощью аналогии Рейнольдса на основании параметров пограничного слоя в подобной решетке, измеренных ранее Н.Е. Богомоловым и А.Е. Ремизовым. В области больших высот экспериментальные данные и расчетные на основании аналогии Рейнольдса согласуются, а в области малых - нет, что говорит о том, что вторичные вихри влияют на теплоотдачу только при взаимодействия своими ядрами, которое и происходит при высоте решетки около 41мм.

Апробация работы:

Основные положения работы и ее отдельные разделы докладывались на конференциях:

-Российская научно-техническая конференция "Процессы горения и охрана окружающей среды". Рыбинск, 1994г.

- IX Российская научно-техническая конференция "Теплофизика технологических процессов". Рыбинск, 1996г.

-Российская научно-техническая конференция "Процессы горения и охрана окружающей среды". Рыбинск, 1997г.

-Молодежная научно-техническая конференция "Гагаринские чтения". Москва, 1995, 1996гг.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа изложена на 188 листах и включает в себя 144 страниц машинописного текста, иллюстрирована 127 рисунками (из них 42 в приложении) и 30 таблицами (из них 24 в приложении). Работа состоит из пяти глав, выводов, списка литературы из 89 наименований и приложения на 44 листах.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Экспериментально получены картины распределения интенсивности теплоотдачи по торцевой стенке межлопаточного канала на высотах лопаточного венца 20,28,35,37,40,43,52,70мм при различных числах Рейнольдса (изменяемых в диапазоне 1,0 105- 2,70 105).

2. Получены уравнения подобия теплообмена на торцевой стенке для различных высот лопаточного венца.

3. Установлено, что в условиях отсутствия взаимодействия вторичных вихрей ядрами, параметры уравнения подобия теплообмена на торцевой стенке разумно согласуются с параметрами пограничного слоя на спинке лопатки в рамках аналогии Рейнольдса.

4. Обнаружена и объяснена зависимость интенсивности теплоотдачи от характера смыкания вторичных течений в межлопаточном канале. Интенсивность теплоотдачи растет при снижении высоты лопаточного венца до "критической" величины (35мм), а затем, при дальнейшем снижении высоты, падает.

5. С использованием полученных данных создана методика количественной оценки влияния торцевых стенок лопатки на тепловое состояние профильной части.

1. Алабин М.А., Ройтман А.Б. Корреляционно-регрессионный анализ статистических данных в двигателестроении. -М.: Машиностроение. 1974.-122 с.

2. Богомолов Е.Н. Рабочие процессы в охлаждаемых турбинах газотурбинных двигателей с перфорированными лопатками. -М.: Машиностро-ение.1987.-160 с.

3. Быков Н.Н., Емин О.Н. Выбор параметров и расчет маломощных турбин для привода агрегатов. -М.: Машиностроение. 1972.-432 с.

4. Гостелоу Дж. Аэродинамика решеток турбомашин. -М.:Мир.1987.-320с.

5. Дейч М.Е., Самойлович Г.С. Основы турбодинамики осевых турбомашин. -М.: Машгиз. 1959.-428 с.

6. Жирицкий Г.С., Стрункин В.А. Конструкция и расчет на прочность деталей паровых и газовых турбин. -М.:Машиностроение.1968.7.3авьялов Ю.С., Jleyc В.А., Скороспелов В.А. Сплайн в инженерной геометрии. -М.: Машиностроение. 1985.-224 с.

7. Колде Я.К. Практикум по теории вероятностей и математической статистике. -М.: Высшая школа. 1991.-157 с.

8. Копелев С.З. Охлаждаемые лопатки газовых турбин. -М.: Наука. 1983,144 с.

9. Ю.Копелев С.З., Гуров С.В. Тепловое состояние элементов конструкции авиационных двигателей. -М.: Машиностроение. 1978.-205 с.11 .Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Теплообмен и трение в турбулентном пограничном слое. -М.: Машиностроение. 1972. -344с.

10. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия.

11. З.Нечаев Ю.Н., Кобельков В.Н., Полев А.С. Авиационные турбореактивные двигатели с изменяемым рабочим процессом для многорежимных самолетов. -М.: Машиностроение. 1988.-176 с.

12. Н.Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. -М.: Энергия. 1978. -704 с.

13. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет. М: Машиностроение. 1981.-550 с.

14. Стечин С.В., Субботин Ю.Н. Сплайн в вычислительной математике. М Наука. 1976. -248 с.

15. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. -М.:Мир. 1985.-272 с.

16. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. -М.:Мир. 1972.-380 с.

17. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.:Наука. 1969.-744 с.

18. Шульгин В.А., Гайсинский С.Я. Двухконтурные турбореактивные двигатели малошумных самолетов. -М.: Машиностроение. 1984.-168с.

19. Хорлок Дж.Х. Осевые турбины. -М.: Машиностроение,-1972.-210 с.

20. Жирицкий Г.С., Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. -М.: Машиностроение. 1971.-620 с.

21. Локай В.И., Бодунов М.Н., Жуйков В.В., Щукин А.В. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей. -М.: Машиностроение. 1993.-288с.

22. Теория воздушно-реактивных двигателей. Под. ред. С.М. Шляхтенко. -М.: Машиностроение. 1975.-568 с.

23. Теория двухконтурных турбореактивных двигателей. Под. ред. С.М. Шляхтенко и Б.А.Сосунова.-М.:МашиностроениеЛ979.

24. Уваров Б.А., Бекнев B.C., Грязнов Н.Д., Михальцев В.Е. и др. Локомотивные газотурбинные установки.-М.:Машгиз.1962.

25. Богомолов Е.Н. Газодинамическая эффективность авиационных турбин с воздушным охлаждением лопаток. Учебное пособие/РАТИ,-Рыбинск, 1993.-168 с.

26. Гречаниченко Ю.В., Нестеренко В.А. Вторичные течения в решетках турбомашин. -Харьков: Изд-во при ХГУ издательского объединения "Вища школа". 1983.-120 с.

27. Елисеева И.И. Статистические методы измерения связей. -Л. Изд-во Ленинградского Университета, 1982.-136с.

28. Новиков А.С., Буров Н.А. Тенденции развития авиационной техники. -Ярославль.: Изд-во ЯГПУ. 1994.31.0лейник Б.Н., Лаздина С.И., Лаздин В.П., Жагулло О.М. Приборы и методы температурных измерений. -М.: Изд-во сатандартов,1987. -296 с.

29. Бейди. Исследование полей осредненной и турбулентной скорости в крупномасштабном канале турбинных решеток.//Энергетические машины и установки.-1988.№1.

30. Блер. Экспериментальное исследование теплоотдачи пленочного охлаждения торцевых стенок крупномасштабной турбины.// Тепло-передача.-1974.№4.С.92.

31. Богомолов Е.Н. Определение концевых потерь в турбинной решетке с учетом влияния входного пограничного слоя//Изв. вузов. Авиационная техника.-1991 .-№2.С.54-60.

32. Богомолов Е.Н. О смыкании зон вторичных течений в турбинных решетках и его влияние на концевые потери //Изв. вузов. Авиационная техника. 1991 .-№3.0.25-31.

33. Богомолов Е.Н., Ежелин С.И., Ремизов А.Е., Шмаков А.В. Визуальное исследование отклонения потока при входе в турбинную решетку малой высоты.//Авиационная техника.-1994.№4.С.83-86.

34. Богомолов Е.Н., Лебедев В.В. Визуальное исследование пространственного пристеночного течения на входе в турбинную решетку// Изв. вузов. Энергетика. 1988.№4.С.68-72.

35. Богомолов Е.Н., Ремизов А.Е. Экспериментальное исследование влияния высоты лопаток на теплоотдачу на межпрофильной повер хности турбинной решетки// Изв.вузов. Энергетика. 1993.№7-8.1. С.51-56.

36. Богомолов Е.Н., Ремизов А.Е., Ежелин С.И. Исследование поведения вторичных вихрей в коротких турбинных решетках и их влияние на пристеночное течение на профиле//Изв. вузов. Машиностроение. 1996.№1-3.C.35-41.

37. Бодунов М.Н., Закиров М.У. Экспериментальное исследование теплоотдачи на торцевой поверхности рабочих лопаток осевой турбины.// Высокотемпературные охлаждаемые турбины двигателей ЛА. Кзань.КАИ. 1986.

38. Бодунов М.Н., Закиров М.У., Фахрутдинов Р.Д. Исследование теплоотдачи на рабочих лопатках осевой турбины методом регулярного теплового режима.// Высокотемпературные охлаждаемые турбины двигателей JIA. Кзань. КАИ. 1986.

39. Бурлако В,В., Ереков И.В. Исследование концевых потерь с учетом условий на входе.// Энергетические машины и установки, 1984.-Вып.37.С.З-5

40. Венедиктов В.Д. Еазодинамическое исследование турбин с открытым воздушным охлаждением сопловых лопаток//Изв.вузов. Авиационная техника. 1972. №°2. С.84-91.

41. Гордиевских JI.A., Халатов С.А. Газовая завеса на торцевой поверхности криволинейного канала./УПромышленная теплотехника. 1989.№5.С.21-27.

42. Грациани, Блэр, Тейлор, Мэйл. Экспериментальное исследование теплообмена на торцевых поверхностях и лопатках в крупномасштабной турбинной решетке.// Энергетические машины и установки. 1980.№2.

43. Данн М.Г., Рей В. Дж., Холт Дж. JI. Измерение и расчет тепловых потоков в ступени турбины.//Труды америк. об-ва инж.-механиков.Энергетические машины и установки.1984.т.106.№1.С.138-146.

44. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Повышение эффективности турбинных активных решеток малой высоты./ЛГеплоэнергетика. 1960.№8.-с. 51

45. Дыбан Е.П., Попович Е.Г., Репухов В.М. Эффективность тепловой защиты плоской стенки при вдувании воздуха через щели под углом к защищаемой поверхности.//Инж.-физич.журнал. 1971.т.20.№2.С.294-298.

46. Копелев С.З., Гуров С.В., Авилова-Шульгина М.В. Обобщающая зависимость теплообмена в лопатках поперечной схемы.// Энергомашиностроение. 1973 .№4.С.31 -33.

47. Копелев С.З., Тихонов Н.Д. Расчет турбин авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1974. 268с.

48. Копелев С.З., Гуров С.В., Авилова-Шульгина М.В. Повышение эффективности охлаждения входной кромки турбинных лопаток.//Теп лоэнергетика, 1971 .№ 12 .С. 3 8-41.

49. Ленгстон. Поперечное течение в канале турбинной решетки Энергетические машины и установки, 1980.№4С. 111.

50. Ленгстон, Найк, Хупер. Трехмерное течение в канале турбинных решеток.// Энергетические машины и установки, 1977.№1.

51. Локай В.И. Сравнение турбины v=const и p=const. Изв. АН СССР, ОТН. 1957. №11.С.14-18.63.

52. Локай В.И., Щукин А.В., Хайрутдинов P.M. Экспериментальное исследование эффективности пленочного охлаждения криволинейных по верхностей.//Авиационная техника. 1979.№ З.С.150-153

53. Мур, Рансмайер. Течение в турбинной решетке. Часть1. Потери и явления у передней кромки// Труды америк. об-ва инж.-мех. Энергетические машины и установки. 1984.Т.106.№2.С.58-66

54. Плетчер Р.Г. Достижения в области исследования турбулентной конвекции.// Труды америк. об-ва инж.-мех. Современное машиностроение. 1989.№6.С .12-21.

55. Поволоцкий Л.В., Левин Я.А. Воздушно-водяное охлаждение высокотемпературных газовых турбин. //Энергомашиностроение, 1965,

56. Рей У.Д., Талби Д.В., Свинская К.К. Данн М. Г. Тепловые потоки на лопатках турбины: сравнение результатов расчетов с данными импульсных измерений.//Аэрокосмическая техника. -М.1989.№5.С.31-41.

57. Сивердинг К. Современные достижения в исследовании основных особенностей вторичных течений в каналах турбинных решеток.// Труды америк.об-ва инж.- механиков. Энергетические машины и установки. 1985.Т. 107.№ 2.С. 1-13.

58. Сивер динг К, Вилпут Дж. Влияние числа Маха и охлаждения торцевой стенки в прямой сопловой решетке.//Труды америк.об-ва инж.-меха ников. Энергетические машины и установки.-1981.ТЮЗ.№2.

59. Уваров Б.А. Приближенный метод моделирования тепловых про цессов на лопатках газовых турбин.//Изв. АН СССР,ОТН. 1956.№7.

60. Фаворский О.Н., Копелев С.З. Охлаждаемые воздухом лопатки газовых турбин.//Теплоэнергетика, 1981 .№8.С.7-11.

61. Халатов А.А., Кащенко А.А., Халатов С.А. Теплообмен и гидродинамика на торцевой поверхности криволинейных каналов и сопловых аппаратов турбин.//Промышленная теплотехника.-1990.Т. 12.№ 4.С.30-38.

62. Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика на торцевых поверхностях сопловых аппаратов газовых турбин с интенсивными вторичными ивихревыми течениями.//Промышленная теплотехника. 1993.Т.15.№ 4.С.З-18.

63. Хаус А., Данн М.Г. Измерение тепловых потоков и давления в ступени турбины.// Труды америк. об-ва инж.-механиков. Энергетические машины и установки. 1982.№ 1.С. 152-159.

64. Эвен,Хубер,Митчелл. Исследование аэродинамических характеристик небольших осевых турбин.//Труды америк. об-ва инженеров-механиков. Энергетические машины и установки. 1973.№4. С.50-58.

65. Ainley D.G. Research on Internally Air-Cooled Turbine Blades,The Enineer, 1953, Vol. 195,№5078.

66. Joins J.F. Heat Transfer in Turbines. Air Force Aero-Propulsion Laboratory TR-75- 107.№15.

67. Halls G.A. Air Cooling of Turbine Blades and Vanes. Aircraft Eng.,1967.Vol.39.№8.

68. Leist K. Abgasturbinen mit Kuhlluftbeaufschlagung, MTZ, 1940.Bd.3.№5.

69. Mc Bride J.W., Norris R.H., Pewgi A.H. Some Factors in high144temperature Gas Turbine Design Size, working Fluid and Operation. AIAA Paper.l966.№ 66-614. 86.Smith, Pearson. The Cooled gas Turbine, Proc.Inst.Mech.Eng. 1950.№60.

70. Trefethen L.Actes IX Congr.Internat.Mechan.Appl.v.2,Bruxelles,1957.

71. Weatherwax W.F. Design and Development of a Convective Air-Cooled Turbine and Test Facility, Jourval of Engineering for Power, 1961 .№ 1.

72. Witting S., Scheres V. Turbulence Measurements Related to Heat Transfer in an Axisimmetric Contained Jet With Laser Doppler Anemomefer.// Procuring of the 4th Symposium on Turbulent Shears How.1. Germany, September, 1983.

73. УТВЕРЖДАЮ генеральный конструктор -технический директор ОАО "Рыбинские моторы" д.т.н.,академик AT

74. В целом работа Беловой С.Е. имеет практическую ценность при решении широкого круга задач, связанных с оценкой теплового состояния охлаждаемых турбинных решеток.1. Заместитель Генерального1998г.

75. Начальник отдела турбин,к.т.н1.1998г.

76. Начальник бригады КО турбин3» 1998г.6