автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование взаимовлияния завесного охлаждения торцевых стенок межлопаточных каналов и вторичных течений в решетках авиационных газовых турбин

ШБИНСКИЯ АВИАЦЙОНШЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЛЕБКДКВ Владимир Владимирович

УДК 621.436

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОВЛИЯНИЯ ЗАБЕСНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТОРЦЕВЫХ СТЕНОК ЫЕЖЛОПАТОЧШХ КАНАЛОВ И ВТОРИЧНЫХ ТЕЧЕНИЙ В РЕЖГКАХ АВИАЦИОННЫХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

Специальность 05.07.05 - "Тепловые двигатели

летательных аппаратов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск 1991

Работа выполнена в Рыбинском авиационном технологическом институте.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Е.Н.Богомолов

Официальные оппоненты: доктор технических наук А.И.Кириллов Кандидат технических наук Ю.Р.Миронов

Ведущая организация: Рыбинское моторостроительное производственно! объединение.

Защита состоится

»/г« ^СК-Сх^^-Р 1991г. в ^ часов на заседании специализированного совета К 0o4.42.QI при Рыбинском авиационном технологическом институте по адресу: 152934, Рыбинск, Ярославская обл, ул.Пушкина 53, ауд.237, главное знание'.

Отзывы о реферате в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу института.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " /¿¿Ь _1991г.

Ученый секретарь * >

специализированного /у /

совета К 064.42.01 ' Б.Ы.Конюхов

к.т.н. у '(

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Характерными особенностями турбин совро-ывннкх высокотемпературных ГШ являются малая относительная высота межлопаточных каналов решеток первых ступеней турСлни к необходимость охлаждения полок лопаток, образующее проточную часть турбины, которое обычно организуется путэм вдува охлаядаозего воздуха терез дискретные отверстия в этих полках в пристенный слой основного потока рабочего тела.

Первач особенность обуславливает повиданный уровень газодинамических потерь в решетках за счет вторичных течений, доля которых в обшей суше потерь молот достигать ЗС# и более. Вторая особенность связана с догкшктелышш газодинамическими потерями на смешение струй . охлаздамщего воздуха с газовым потоком.

Вдув при этом является фактором воздействия копоср'^ ¿стванно на вторичные течения, которые в свои очередь значительно адатт на эффективность завосного охлакдеш!я полок.

Известны случаи снижения суммарных газодинамических потерь при соогвотстиуюцой организации дискретного вдува за счет влияния ого на развитие пристеночного течения в реиетке. На сколько организация необходимой эф|ектшзности завесного охлаждения полок совместима с сохранением газодинамической эффективности рэпотки (или ее увеличением) может быть выяснено только экспериментально. Для получения максимального эффекта требуется детальные исследования развития вторичных течений в розетке, взаимодействия их с вдуваемыми струями и образования завесного охлавдения полок.

Цель работы. Комплексное исследование эффективности завесного охлаздения торцевых стенок меклопаточных каналов л его влияние на.вторичные течения в редетках авиационных газовых турбин.

Задачи работы. Исследование обменных процессов в области пристеночного течения вблизи ограяичиващас поверхностей лопаточной решетки при отсутствии и при наличии дискретного вдува через торцевые стенки путем визуализации течения, измерения распределения полных давлений на выходе из решетки, измерения температуры адиабатической стенки за местами завесного вдува, исследования теплоотдачи на торцевой стенке с целью разработки рекомендаций по организации рационального завесного охлаждения торцевых стенок лопаточных решеток газовых турбин.

Научная новизна работн.. I I. Уточнена картина пристеночного течения в решетке, - в о( ласти образования и распространения входных вихрей.

Z. Предложены методы расчета относительных размеров зоны вкхреобразования У входных кромок лопаток и положения осей вет< вей вихре'/;, располагающихся в межлопаточном кат-ал е.

3. Предложена схема организации дискретного заввсного аду-ва, при которой за счет струйного воздействия на структуру теч( ния КЩ реиетки остается практически на уровне случая без вдув;

4. Благодаря применению жидкокристаллических термоиндикат< ров получени наиболее подробные данные о распределении эффект ности завосного охлаждения торцевых стенок при дискретном вдув* охладителя, раскрывающие взаимодействие вдуваемых аавесных стр; с пристеночным течением в решетке.

о. Бцделено несколько режимов образования завесы на тооце вой стенке гои дискретном вдуве на входе в решетку при наличии входного погргшичного слоя: смешение вдуваемого воздуха в пред! лах входных еихгсй; промежуточный режим, когда часть вдуваемог воздуха прорывается через зону вихрей; режим, когда вдуваемый воздух проходит через зону вихрей и разносится внешним потоком практически по всей торцевой стенке.

ь. С применением жидкокристаллических термоицдикаторов по лучены картльы распределения коэффициентов теплоотдачи на торц вой стенке в решетке.

7. Предложен метод расчета средней по поперечнику межлопа точного канала эффективности завесного охлаждения торцевой сте ки при вдуье ни входе в межлопатечный канал для различных пара метров вдува.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные данны используются при проектировании систем завесного охлаждения соплоеых аппаратов турбин. Имеется акт внедрения.

Автор занижает:

результаты чизуапьного исследования пристеночного течения торцевых стенок турбинной решетки и параметрического исследова ния струйного воздействия на газодинамическую эффективность ту бинкой решетки при дискретном вдуве охладителя по торцу, данны по распределению эффективности завесного охлаждения торцевой с ки турбинной решетки для исследованных схем вдува и распределе теплоотдачи на торцевой стенке, полученные с применением жидко

крнс таллмческюс гормончдикатороз.

Лптюбапия работы.Материалы диссертация утрплонм в отчето РАТИ по НЗЕР (1985-1390 'г.), дололашк на Тр.зть&Я шее низкой научно-технической конференции "Современные про б лз от дог/гаталей л энергетических установок летательных аппаратов" (г. Москва, МАЙ, 1985), Всесоюзно!: лмжпузовской конкуренции по газотурбинным к комбинированном установкам (г. Москва, ГЛЛУ, 1937), Зсесоязном семинара направления 03 КНТЛ "Яолэт" (г. Казань, КД11, 1989), Второ:! республиканской кон^еренцип "Соиеризнстюванно т?ор:а! ¡: техники теплого!: заняты энергетических уст1.о!!с?в" (Идтомнр, 19ЭО), Второ* научно-техннчэской конференции "Лробломи гпзовой динамики двигателей л сдлобызс установок" (г. Г.Ьсква, фьАМ, 1990).

Лични? г,кл?л автора.Состоит V разработке аксиеригзнт&ъыгих установок и методов исследований, проведении всего объема экспериментальных работ, обработка и анализа онитиых далии, лредло-ялнии нэтодов оцашш относительных размеров зоны вихреобразопазгля у передних кромок лопаток и расчета средней по поиерзчнику 'поуло-паточяого канала эффективности завесного охлаждения торцевой стенки реаэтки при дискретном вдува на входо и наличии входного пограничного слоя, разработка програи.ш расчета положения проекции оси подковообразного етхря на торцовую стенку в мзжлогтаточком канале и проведают всех расчатних работ.

Публикации. Содэртадае днееортшцш опубликовано р 9 работос.

Об:>ем работу. Д'.ссерта'Цюкная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 80 наименований. 06-щй объем работ« 232 а,. ■- включая 79 рисунков и II таблиц. •

СОД2Р£ЛНИЗ РАБОТЫ

Но цветении" показана актуальность теки диссертации, перечле-лзг-ш цели выполненного исследования к положения, вылоскиые на за-:титу.

В пг-тао;' гутапа' ятоседзн обзор опубллког.апкгк работ, посвя-'лэшшх нссло доьаншо паьеского охла\тде*с;:я торцевых стенок турбинных реп-}то:: как при лором, так и при дискретном пдуве охладителя, жшлодишх па.плоских решэтхах. В работах отпочепо сильное влияние иорг'.чтх течений на растеканию загястй пелзни по торцз-вой стенке в релзтке,, проявляемое. в сносе охладителя к сторона

разрежения в ивглопаточном канала, неравномерности распределения эЭДектишссти запасы поперек канала, особенно при дискретном вду-ве. Сильная зависимость от вторичных течений в. решэтке имеет место таете и для распределения чисел Отантояа на торцевых стенках решетки.

Таким образом, при организации заносного охлаждения торцевых стонок турбшшой решетки необходимо учитывать влияние вторичных течений на э^екшшюсть завэсного охлаждения и распределений чисел Стаятэна на зацвдоэмэй завесой поверхности.

Дня этого необходимо уточнить картину вторичных течений в решетке. ООзор исследований вторичных течонпй в турбинных решетках показал, что эти течения в основном определяются двумя механизмами*. образованием у передних кромок лопаток входных (подковообразных) вихре!!, вбиращих в себя шоднор пограничный слой и уходящих свопш ветвями в ыежлопаточнне каналы, и попорочннт перетеканиями подторможенного пристеночного слоя поперек криволинейного межлопаточного канала под действием поперечного перепада давления. Оба механизма способствуют развитию сложного трехмерного точения в пристенном слое в решетке и гувдаются в дополнительных исследованиях.

Об' эр работ, посьш:онньос влкянш завесного вдува на вторич-_ ныв течения и на газодинамическую эффективность реыотки показал возможность 'ушпымния суммарных потерь кинетической энергии в рештке при соответствующей организация вдува, но неизвестно каково при этом будет распределение э^иективноотн аавеоного ОХЛаЖ-

ДОИМ.

В соответствии с проведенным анализом литературных данных поставлены цель и задача настоящей работы.

Вторая глава содержит обоснование выбора ьв годов эксиори-ыентальнйе исследований, описание экспериментальных установок и оценки погрешностей измерений.

Визуальные, и тепловые исследования випо.чнзны да плоской со-плсвой реготке, составленной из четырех лопаток, изготовленных в маситабе 3:1. Геометрические параметры реаиткк: шаг 4 =102,5ш, хорда профиля лопатки 6 = 165,5мм, идейна горла канала а » = 28,5ш, угол устгдошш профиля =< 40°, углы Eto.ua и г.ыхода из рэметкп соответственно .и = 90° и =сисзсп (а/1) =16,14°. Нижняя торцевая отэнка решетки выполнена съемкой, что позволяет для каждого экспвримонта использовать специально подтоюсменную

торцевую отопку. Использовались торцевав ere tai о дтшюП вино-еа вверх по потоку от парэдного фронта решетки 36*Ллл к 7671л», что позволяло 0(1оспечлть различные услэшя разга'тил нходного пограничного сдоя.

Для визуальных исследования вдоричннх течений использован метод проволоки (Smoke-Vine ¡riel hod), шроко арлменя-

емиП d исследованиях тонких структур тэчешй!, п частности в пристеночных; слоях. "ютод заключается do янесошш п вибряннио точки потока то ж'их полос дыма, образующихся при пег ортит vniroiiuicro масла с поверхности тонкой ткроюгяй проволоки (диаметром 0,1>лл), нагребавно? элит;тркчаскям током. Проголока парод нагретом смязч-вяется машнним маслом, которое под диКствиэм поверхностного натяжения собирается отдельными каллдаа! - примерно 8-10 капель на 1см длшш. Поэтому при ьагревэ от проволоки тянутся отдельные поносы дама, Метод обладают хорошей разресаэде!! способностью и позволяет вести исследования в потоке у торцчьой стенки. Система регистрации визуализированной картины течения вшгачг.ет ^отоаятрлт J (Тотогспипку, ИСЛОЛЬЗуОМуЮ для подсветки.

Исследования структур" течения » зоне торможоккя пристеночного пограничного слоя у входных, кромок лопаток велись по ноли зтатнчоского дапллшя на ограничившей поверхности, состоящей ¡з препарированного диска большого диаметра ( d - 564mm) с уо-галавлизаемол! на него попернганко гдлиидрают, имешрм: диаметры 44, 60, 90'ш, ишткрутедап входнукз 1сромку лопатки. Диск моют поворачиваться вокруг ci;oefl оси, что позволяет использовать ум подробтэс измерет-ц"! поля статического давления минтлум ¡тре-гаргщии.

Л-ч ксслодолаиш струйного воздействия вдува на течение в" ■yptoiHoi' рзевткп использовала плс;:.<ая сопловая рошетка, теомат-тчеекп подобная рюлчткв для визуальных исследований, но ушнь-:ониая б 3 раза. Пзоторшчески?! вдув осунзетвлялся через два ря-;я дискретных огворегчй в торцевой стои;э (по 4 отверстия даатт-кзм 1мл л ргду) - Ra входе в р-зиотку и и молигапаточном ка-

тите на диагонально." лчяип, идудей от кощ^тпа одно,'' лопат'/я :« . пкнке ,i®yro!¡ г. лвяиюп',ч"сл касательно*. к этим лопаткам. Оси от-ерсти.'! для вдува образовывали с торцою!< стенкой углы f » 45°, ричем на их оде в роев тку вдуэ осуществлялся в п;шраплоетл оонов-ого потока ( р = 0°), а в ¡логлопаточном канале - нормально-ли-ira расположения отверстий п сторону корнтца лопагкп (/=50Г. .70^

й

Сумларний расход вдува задавался и контролировался рота-ьатром К.1-4 173, оастома вдува тарировалась по расходу, что поз-бо...ло раздэ.члть расход вдуваемого воздуха по отверстиям для , вдува. Пзг.з^зшя пс;шого давленая па выходе из решетки велись II -точечно*,: гр.бл;крП полного давления, устанавливав;.»!! в координа юж, пэрг)кав;пздк£' ее 1 двух направлениях, показания снимались ■ яа батарао иодшшх пьезометров.

1!з1.1еро1::ш тзшаратуры адиабатической сташа: за местами вдува для получения рхнродолс-ния эйоктизнооти здвойного охлаждения на торцевой стенке, турбилной решятхн производились с ксполь-зоваяпзц узконш'орвальнья цветовых гвдкокристаллических терменш-докаторсв (ЗЛО хо.: исторического типа с шириной рабочего диапазона теглператур в 1°. КК - это органические соединония, имевдие как Си две то та! плавления п три агрегатных состояния. Дэ первой точки'плавления они являются прозрачными твердыми кристаллами. При пароходе пороз первую точку плавления эти соединения плавятся в '.кчдкпе кристаллы к существуют в таком состоя1ВШ вплоть до температуры второй точки плавления, после чего переходрг в изотропную жздкость. В-гадкокристаллическом состоянии ( в рабочзм диапазон температур) молекулы соединений холэстерического типа обладает способностью селективно рассеивать свет, поэтому при .росте татературы они непрерывно изменяют свой цвет от красного до (¡лолатопого, виэуалчзируя температурное поле яп исследуемой поверхности. Адиабатическая стенка располагалась по всей торце вс поверхности канала и представляла собой многослойную стеклу, име юцую малую теплопроводность и позволяющую получить на нэй достаточно большие продольные градиенты температуры. Отверстия для вдува (диаметрами 1,5мм) -располагались,: аналогично случаю исследования струйного воздействия на структуру течения в репютке,. в два ряда, по ч отверстий в каждом ряду. Б опытах использовался подогрев вдуваемого воздуха,' визуализированные картины температурного поля (фотографировались через орэяжзвнй светофильтр 0 -- 2,8х на фотопленку 250 ГОСТ пли ШКРА.Т-300. Узкий интервал те! ператур ч 0,35 градуса), при котором Г', имели''красный, ораняода! и палтый цвета, па негативе' получался в щде тош:их линий, приш ыаамкх в дальнейшем за изотерш. .

Уэняя температуру вдуваемого воздуха Т, я' контролируя те! пературу основного потока Тг , шжно наблюдать емвшэтта изотер!

л»

Тет по поверхности тоэдевой с те шеи и таким образом получать по-дробныа картины распрэдолзния эуТоктивносц'и занесного охлаждения 0 , расочитываэшэ по формула:

е- (Тгг-Тг)/(ТЛ -тг).

При исследовании распределения коэффициентов теплоотдачи на торцавоЗ станка использовалось задание Ьднороднэго теплового потока от стенки в поток воздуха. Дня его получения пргаяэнана прямоугольная плаотина кз тонкой фольги из норяавэюцай стали (толщиной'60 нкм), нагреваемой злэктричвепш током, помещаемая нвпо-средствоино на исслодуамую поверхность торцавоЯ стопки и тщательно теплоизолируемая со стороны, прхтоганщай к стенка.'Задавая плотность теплового потока ц. « коэ-Ииционт тэплоотдаЧ! I на поверхности, обращенной я потоку воздуха, о про до ляэ тс я путам измерения разницы температур на поверхности {[олъги п в потока1 по формула:

Для визуализации положншя линий изотерм на поверхности ■Тольги использовались гкогерездоные кидкокристалличасгао тзрмоии-дака'горк о тзмлературой прооштлания 33 и 45 °С и с порогом срабатывания но болэе 0,1 градуса, начоспмые тошш сдоам на поьарх-ность фольги. Граница медпу участками просветленного п напросБат-лонного.тзршикдчкаторов принималась за лини» изотермы,,в следовательно, г за шш,равного значения коэффициентов теплоотдачи.

Машгаальпко относктольша погрешности измеряемых величин составляли: полные и статические давления - 535;' расхода__вуу-ва - .1056",. •ташвра5урк.- 103? • для'жидюпе кристаллов-и для тормопар. Максимальна относитольпкв погрешности определения скорости оспошрго потока - 2$ -» эффективности завзеного. охлая-дэння - 15%' тоэйяциэнтов теплоотдачи - 10$...-Большие погрешности величин, определяемых о использованием Ж, искупается подробностью картин распрэдолэнил иоождуе.'.г^х параметров. .

В тплтъей главе представлены результаты визуальных исследований течения в решетке и измерений статического давления на ограничивающей поверхности перед цилиндром, на основании которых . про- )ведено уточшнме картины вторично тачаний в. турбинных решетках и проглоданы методы оценки относительных размеров зоны вихраобразования у передних кромок лопаток, приведено распределе-нив коэффициентов тепло )тдачи на торцевой стенке решетки и показана связь этого распределения,с картиной тачания в пристенной зоне •

Визуаа;заид1Я течения методом дымящей припоям® позволила получить картины поломмния лшц'Л тока в'моменты съемок к, слодова- . телъно, проследить траектории двшкешш масс воздуха от входа в реаатку вплоть до выхода кз 1.аклопаточного канала,: ■ "

Полосы дима от дымящей проволоки, располагаемо!! у торцзвой стоил, увлокаътся потоком и, не доходя до входных кромок лопаток, огибают.юс, сворачиваясь в подковообразные вихри, которые, обеим; с во игл ветоши уходят в меялопаточныо каналы (рис. I). Одна из вътвоЯ распространяется вдоль спинки лопатки, другая «е- . пересекает неждопаточный канал от корытца одной лопатки к сцинка другой, прншкая к не!; , в районе горла канала. В мекдопаточноы канале движение дыма сосредоточено в ветвях вихрей и мекду ниш. • Четко видны зоны, в которые дым при движении от входа в решетку но попадает. При углублении дамяцеН проволоки в поток зоны, недоступные для дама, сокращаются и практически не набдодаются при смещении проволоки яа расстояние от торцевой стенки, примерно равное толдапе входного пограничного слоя на ней. , '

Наблюдения позволили установить количественную связь швду; . дайной зон оттеснения дома от поверхности лопаток! и координатой К располозшния дкмящей проволоки ¿¿ад торцевой стенкой, во входном пограничном слое, наббгамщеа .на входную крошу лопатки и предложить схз1 покешамцуя механизм образования пристеночного точения у породней кромки лопатки на входа в турбшшую решетку (рис. 2). Поскольку полной давление в низких слоях пограничного, слоя меньше, чем'в верхних'слоях и в ;:дпэ потока, вдоль, крошеи лопатки вс ^никает градиент давления,кап~авлзнный от торцевой стенки. Это приводит к тому, что воздух кэ-верхних слоев пограничного слоя устремляется вдоль передней кромки лопатки к торцевой стенка, вдоль которой поворачивается навстречу потоку и, взаимодействуя

с ним, сворачивается в впхръ. Так как расстжл-рэшшй процесс идет непрерйЕно, вихрь как бы расширяется вдоль свое!! оси, образуя протяженный подксвообразтй вихрь, уходицкЯ в, шклоцаточнне .ч г. налы, совершая винтовое движение. Натекающий ка рассмотренный "прл-кромочньй" шхрь воздух из слоев, более близких к стенке и обладающих поштанноП энергией, тормозится на виг.ре, кчк яг. пронятат-вии, ан- тогичдом входной кромке лопатки,к такаэ сворачивается в вихрь. Это и обуславливает эффект оттеснения дама. Таких дополнительных вихрвЯ по мере удало шш от входной крсмжг вверх по потоку может быть нчс;:олько.

гезультатн обработки по^'чонных снимков (рис. 3) показали, что по мере перестройки входного пограничного слоя от ламинарного к турбулентному в диапазоне порченных значений <Торш.'тпмэтра пограничного сло§ происходит умзнызение относительных разшров внх-ровой зоны, что штат быть об'ьяснено вое больше!] наполненностью профиля скорости в пограничном слое. Шлучетгае экспериментальные данные удовлетворительно описываются эмпирической (формулой '

i' ЫН-IY". 1 ' ">

о

Предложен такхе аналитический способ оценки р;-дыэров вихревой зоны в области тормокеная пограничного слоя перед входными кромками лопаток, исхода из условия, что в область киреобразованад воздух попадать только из тех слоев потока, в которых полное давление лрзвшкиэт статическое давлондо в блкзлэжлцем слое, тормо-зя1цз1.:ся при обтекании ктадно;; кромки, с использованием известного рзит'сш тидродшамичвекой задачи обтекания круглого цилиндра иде-.■зльно:! лэдкостыэ, дшадей результаты, близко к эмпирической зависимости (I). ' - '.

ДальнзЧико визуальные псслэдовшкя непосредственно б зоне внхреобразорптя у входной громки лопатки и построения полол статического дагисютя на ограничивающей поверхности перзд цилиндрами ргзлгаюто дезльтра, шктпяуоздглк вхэдду» ''.ро;.тку лопатки, показали, что в зонз вгхреобразова;,ля супестЕвнншл образом проявляют себя два i-ихря.

¡Грогэден гл'зу^г-.ькы^ оксперп'.ши с использованием нескольких дют^эс проволок, гюдтверлдалпиЯ, что при наличии толстого пегра-

ничного слоя на торцевых стенках на входе в решетку. из двух механизмов возникновения вторичных течений: торшжешш набегающего потока на передних кромках лопаток о образованней подковообразных шхрей, вклочовдк в себя большую часть входного пограничного слоями в пограничном слое па торцевой етэнкэ в канале развития поперечного течения от стороны давления к сторона разрежения о образованием канального всхря, превалирующее влияние имвет пор- . вей механизм. Так „при входном погршшчяом слое толщиной ,8мм и распэлоланиоы димгацих проволок на высоте 2мм от торцевой стенки' наблюдалось практически отсутствие дешшния визуализированного потока в сторону зпянки лопатки за проволокой, установленной непосредственно в менлопаточноы канале (рио. 4) ¿ Вторичные течения, . особенно прк налита: толотого пограничного слоя :на. торцевой стен-; ' ке ьа входе в реи»тку; приводят к образованию препятствия.для основного течения в пристенной олое в виде перебекавщюсоя ветвей •'.. подковообразных вихрей, образующих V - образный выступ,1 обраце»-ний шршиной вниз го потоку; Пространство перед выотупом - уступ заполняется подтордамшюй сродой из входного пограничного олоя. Основной поток, натекая на V-образный шотуп, огибает его и 8«ь • лолндат затем область, пряиыкаадуо к корытцу лопатки, образуя а дооь новий тонкий пограничный, слой, '

С помэиид) нидкокриогалличэсксго иэтода Исследования было показано, что сложная картина пристеночного течения отображается на , процеооы теплообмена меддо потоком и торцевой стенкой. Оказалось, что изолинии коэ;Ксцпентов теплоотдачи Л оряонтированн вдоль ■ рарполодания вэтвой подковообразны* вихрей, причем большпез качения Л тер? место том, где вращательное двикеют в вахре ншра?> лэно к торп.евой стенке и меньшие там, где вращательное движение ; ■ яаправлоно от торцевой о тонки. В изо те уступа,, образуемого ветвями вкхрей; располагается зона самых низких / , Саше высокие значения Л. раса юхвны в облаоти входных 1фошк лоиаток (рпс. 5) .

В четвэтууой главе рассштрено воздействие на вторичные течения'в турбинной решетка дискретных свди, вдуваемых через торцевую стенку решетки. - .. " ■•

При ^отшюяии эйТектпвного подавг^шя вдуваемиыиструями ш-ханиЕг/ов возникновения вторичных потерь, неизбежные при. струйном охлаждении потери смешения вдуваемых струй с основным потоком могут бить частично либо полностью комцепсированн уменьшением вто-

ричных потерь в решетке.

. Исходя из известных основных механизмов возникновения вторичных течений в решетка, уменьшение потерь от вторичных течений мояат быть достигнуто уменьшением, толдины пограничного слоя ка торцевой поверхности (на входе в решетку и в меююпаточном канала) и воздействием на канальный вихрь о целью оттеснения его от спинки лопатки для прэдотвращения отрывных явлений.

Схема расположения отверстий для дискретного вдува выбиралась на .основе результатов визуальных исследований вторичных течений в рошотке. Отверстия, предназначенные для воздействия на входной пограничный слой располагались на входа в решетку - по четыре отверстия напротив каждого межлопаточного канала. Другая часть отверстий - по четыре , отверстия, располагалась непосредственно в дашюпаточных каналах решетки на диагональных линиях, близких по направленны с осями канальных вихрей »и предназначалась для воздействия на положение этих вихрей.

• Исоледоваллоь случаи вдува только через первый ряд отверстий, через второй ряд отверстий и случай совмаот-ого вдува через оба ряда отверотий одновременно. Теоретическая приведенная скорость яа выходе из решетки лежала в интервала 0,455 - 0,467, числа Рей но льде а для решетки приблизительно равнялись 3-105. толщина входного пограничного олоя па торцевой стенке оценивалась в Зш. Этиосигельше расхода вдува 5 "в опытах изменялись в пределах 3,01. - 0,04, параметры вдува т при р;гом для -первого ряда отверстий при вдувэ _только через первый ряд отверстий менялись в тределах от 1,6 до 4,4 и от 0,5 до 2,6 при совместном вдуве. При »том параиетры.вдува для струй в маялопаточном канале были суце-зтвенно разными и зависали от условий в га с тазе вдува. ч . Газодинамическая эсКактивностьвешатки оценивалась по терио-. динамическому коэффициенту потерь кинетической энергии ^д , учи-сывавщвцу располагаемую энергии основного и вдуваемого потоков. 1з условия смешения при постоянном давлении расочитывались коэффициенты потери кинетичеокой энергии на смешанна основного и зду-заемого потоков . Разница между термодинамическим коэуфнциен-сом потерь и расчетным коэффициентом потерь на ¿мешениэ ^

* ~ била использована для оценки эффективности струй-

;ого воздействия на тэчэняе о целью улучшения газодинамической ¡Активности реовткп, ;

Оказалось, что при вдувэ на входа з решетку коэффициент потерь с увеличением G , а следовательно и щ монотонно растет, при этом-величина fy ■ - остается почти неизменной (рис. 6). Таким образом, изменение суммарных потерь в решетке при такой организации вдува почти строго соответствует потерям на смешение вдуваемых струй о основным потоком.

При вдуве через отверстия в малшо'паточных каналах наблюдает оя рост потерь с увеличением 5 , при этом характер этого роста. изменяется для различных диапазонов относительного расхода, вдува. Расчетные потери на смешение растут быстрее суммарных потерь в решетке. В итоге величина уменьшается, шлея локальный шга"чум и максимум (рис. 6).

Комбинация обоих: вдувов оказалась наиболее удачной. Здесь с ростом суммарного относительного расхода вдува & сначала идет рост суммарных потерь в решетке, достигая максимального эш чепия при б- = 0,012, затем потери падают, достигая шни.мума при S s 0,03, причем суммарные потери в решетке при этом незначительно выше случая без вдува, при дальнейшем росте относительного расхода вдува суммарные потори опять растут (рис. 6). Э- от рост обусловлен превалируй!®!?! влиянием потерь на смедание.

Анализ полученных результатов протаю лился по распределении относительного падения юшатической эшргии основного потока в сечении за решеткой. Оказалось, что вдув на входе в решетку изменяет картину распределения потерь на выходе из решетки, но не уменьшает размеров зон. больших потерь, связзлнкх с положение! .кпналышх вихрей. Зоны больших потзрь лшь сме^датся от торцево: стенки вглубь потока. Небольшой выигрыш имеет место лишь у тори вой стенки. Вдув чорез отверстия в каналах решотки пригодит в ь которых случаях к разбивке зон больших потерь, пршлукшипх к сл дам за лопатками, что вызывает изменение тзмпов роста потерь с увеличенном G . Но лишь при ссвыостпом вдуве (рис. 6) реализу ется решм (при Ç = 0,03), при котором происходит как дроблен зон больших потерь, с.вязашта: с положением канчлъянх вихрей на выходе из решетки, на несколько болэе мелких зон, ргХполЕГашрпс ск по всей висоте в следах лопаток, так и уиэ.'Ц>мш:е размеров этих зон, что обуславливает пояалетю локального минимума торио динамического коэ'^Тшдеита потерь практически на уровне су:,мари потерь в j-вяюткв при отсутствии вдува-« Этот ;c:;i:;:.ryn реализуется

от сравнительно сильных струй, способных повлиять на развитие горичных течений. Так параметры вдува для первого ряда отвергай содержатся в этом случае в пределах 1,86 - 2,06, а для вто-эго ряда отверстий (в межлопаточном канале) - от 1,06 до 1,7Х

Р пятой главе приведены результаты исследования завесного слаздения торцевой стенки плоской сопловой решетки дом рассмот-эшгсх схем вдува и анализ полученных результатов. Количество гшрстпй для вдура в каждом ряду было доведено до 0. Ре-ультатн. получены с использованием визуализации температурного оля шдкокристаллическил! термоиндикаторами, позволяющими непо-редственно набладать.изотермы на торцевой стенке, совпадавшее о своему положению с линиями равных эф!ектквностей завесы.

Опыты проводились при скорости основного потока на входе в ещетку 8— 9 м/с, число Ройнольдса для решетки равнялось 270000. олщина пограничного слоя на входе в решетку'равнялась 7мм, тол-ина вытэонения - 0,6мм, фэрмпарамотр равнялся 1,52.

Завесное охлаждение при вдуве на входе в решетку исслздова-ось в диапазоне относительных расходов вдуп 3 = 0,007...О,56^ то соответствовало диапазону параметров'вдува т = 0,3...1,6. шгаы показали сильное злияние вторичных течений на растекание авасной пелены по торца вой стзнке и на значения эф|юктивностей авеон 0 . Параметры основного потока в окрестности отверстий да вдува различны. Поэтому общ&е значение параметра вдува для ;аддого из опытов определялось осреднением параметров вдува для :аддо8 из струй.. Отмечено, что в зависимости от параметра вдува п картина расп^долвшш эффективности завесного охлаждения уцествонво разлила.! п реализуется три вида распределения эффек-•ивности завесного охлакдения О . При малых т (рис. 7, ТО = ■ 0,395) завеса располагается в треугольной области, ограничен-юй"рядом отверстий для вдува и ветвпш входных подковообразных етрей, располагающихся в мешгапаточпом капало. Характерна силь-[ая неравномерность О поперек канала. При т > 0,6 часть струй, ¡асиолага'ощгеся бдикэ к керытцу лопатки глубоко проникает в поток г. огибает ветвь входного вихря, пероходящую в канальный вихрь. Гри-'зтом на торцевой стзнке у корытца лопатки (рис. О, т =: 0725 ) появляются отдельные участки завесы. При т » I ¡авеса практически присутствует на всей торцевой стенке и как бы ;илитс'я на, .две области: примыкающая к спинке одной лопаткк треу-

голъкая область со сравнительно равномерным изменением 1 3 и область вдоль корытца лопатки, которая создается, расположенными ' блювд к корытцу струями (рис, 9, т п 1,47) , где эффективность завесы убывает по направлению от корытца лопатки.- Меяду двумя этими областями располагается зона низких . О , лелащая. примерно на линии расположения ветви входного вихря, переходящей в капельный вихрь. ■ ' - . -

Для анатаза результатов опытов были взятн значения © вдоль проекций осей струй на торцевую стенку - осэвне эффективно; сти. Получено, что влияние вторичных течений'на эффективность за весы проявляется для параметров вдува гя< 0,0 и заключается в раословячи зависимости 9 ~ $(гп> : для струй, истэкашдах из отверстий, расположенных ближе к средней линии канала значения в максимальны и очи уменьшается по мере перехода к струям, располагающимся все ближе к образующим меклопаточиыД задал спинка и, корытцу лонаток. По пар шив тру вдува осевке эффективности засеаы имеют максимумы при ш - 0,5, что указывает на наличие двух режимов завесы для т < 0,8. .

Сравнение данных об особой эффективности зазесы в межло ато чном канале о аналогичными данными на плоской пластина показало, что в случае наличия решетки док малых т. значения & выше . и .тать для т > 0,8 данные для ролегки и для'пластины сходятся.

Такое поведение зависимостей 6'£Г«т»^связано с сильным загро ыолсдэнием течения у торцевой стенки входными вихрями. При малых т (<0,5У вся вдуваемая' среда остается в пределах вводных-вихрей, участвует ё их образовании и развитии. При этом в процессе смешения с вдуваемо!; средой участвует лишь та среда из основного потока, которая попадает во входные вихри, поэтому здесь с росто: т растет эффективность завесного охлаждения. Поскольку .глубина проникновения вдуваемых струй в основной поток в этом случае ограничена размерена вихрей, тоучем мельче вихри (че|,1 дальше от входных кромок лопаток), гзм выше эффективность завесн, что н наблюдается в окрестности средне}: .танип канала. При дадьнемшем росте т ( т> 0,5) уменьшение эффективности завесногоохлак-дения связано с частичным выходом вдуваемой среды за.пределы входных вихрей, что веда? к "участки-в процессе.смешения все большего количества -среда - из оспошюго потока,', ' V

При т .>0,8 независимо от ггаложния;.струй ® ("О про-

теказт одинаково, а при т.-»! значения 0 практически на зависят от пи .

По картинам распределения 0 на торцевой стенке получены средние поперек меяслопаточного канала эффективности завесы. Исходя из того, т1то при слабых з.пувах вдуваемая среда консервируется в пределах входных вихрей, где происходит процесс смешения основного и вдуваемого потоков, предложен расчетный катод определа- :ш (сродней по поперечнику канала) эффективности завесы, йазирутрй-ся на результатах, обобщающих визуальные исследования. Цредпоиа-гается, что входные вихри огибают входные кромки лопаток по дугям окружностей, образуя на входе в.решетку упорядоченные последовательности вихрей (рис. 2), убывающих по размену в направлении от входных кромок лопаток. Дэ входа в решетку эти последовательности нэ нарушаются, а с попаданием непосредственно в мялопоточный канал вихри переплетаются и на выходе из него образуют единый вихревой кгут. Для оценки глубины проникновения вдуваемых ртруй А. в основной поток используется эмпирическая зависимость (I), описывающая зону впхреобразованкя у входной кромки лопатки. Расчет эф>-фектпвности завесы (оредней по ширине струи) идет по формуле

9--7Г2—Г

т * 4? - 1

проченной из уелокчя баланса энергии основного и вдуваемого потоков в пределах с ря смешения высотой А и тол!пине эквивалентной щели вдува, определяемой с учетом сужения под действием вторичных течений области, занимаемой зазэсой, Средняя по поперечнику эффективность завесы'определяется как среднее арифметическое по д душ каждой из струй. В межлопаточном канале происходит про-цес'о дальнейшего перемешивания основного п вдуваемого потоков з пределах ветвей входных вихрей за счет воздуха из вихрей, который нэ участвует в перемешивании до входа в решетку в оилу особенностей расположения отверстий для вдута. Он удовлетворительно описывается линейным законом. Учет сужения области, занимаемой завесой произведен с использованием эмпирических данных. Для завершения расчетного метода необходимо уметь оценить положение области, занимаемой завесой, что можно сделать, рассчитав толоженио ветвей входапк вихрей на входо ь решзтку и в межлопаточном канале в про-

екции на торцевую стенку, с учетом влияния на га положение : >• веского вдува. Зная очертание области, занимаемой завесой, сужение ее mojkho учесть как уменьшение расстояния ^ааду струями как будто бы они эквидистантно распространяются вниз по течению.

Поведение вихрей напоминает распространение струя в поперечном потоке. Использовав подход, аналогичный случаю струи в поперечной потоке и учтя, что ветвь вихря находится в криволинейном канале в ускоряющемся потоке, получим следующую систему обыкновенных дифференциальных'уравнений!

Г^¿¿^ . iSLSfc ♦ i<F* 'Si»B-F* -cog&y^]

im-*.

позволяющую с помощью стандартной 'Тортрг ш-программы метода Рунгв' Кутта получать координаты расположения проокций осей ветвей под-ковообразтос вихрей на торцевой стенке. Причем член Îi , вводимый как внешняя сила, позволяет учесть влияние завзсного вдува на полояоние вихря. Расчеты выполнены на ЭВМ Lfepa-66C. Предложе» huî; метод удовлетворительно описиваот область, занимаемую запэ-с.ой,и молит быть использован при выборе схемы заьосного вдува при охлазвдршш торцовой стопки ре пи тки. .

Для случаев параметров вдува, при,которых часть в;суваетЕ струи выходит за прэделы вихрей ( " № > 0,5) .построить расчетный метод определения средней по поперечнику канала эффективности завесы не удается в силу вероятностного поведения струй охладителя. Для tn > I хорошие рззультатн при расчете средних в дает формула Богошлова З.Н., ослч учесть сужение канала г.нпз по потоку. Оно учитывается как уменьшение расстояния г.эг„пу струями аналогично случаю малых m . Результаты расчета удовлетворительно описывают эмпирические данные.

Комбинированной вдув через отверстия на входе в рчмз'лгу и в ызжлопаточдам канале производился из единого ресивера, располагающегося под торцевой стенкой. Так в с .ту чая р::сунка 10 параметры вдува m на йходэ в репетку приблизительно разни 1,7 — 2,7, a в мэйлопаточиоы'канале - 0,35 -1,28 , что приблизительно соответствует реяиму, близкоцу к опталлдъног-у по газо-

¡щнашческой эффективности решетка. Видно, что при током здува юверхность торцевой стенки практически полностью покрывается заменой пеленой.

Снижение параметров иду на т. д ля отверстий в ызмопаточном (анале нижа единицы делает вдув в канале неэффективным, поскольку 1ри этом вдуваемая полена полностью сносится к спинке лопатки на »ащгацая торцевую стоику у корытца лопатки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И Ш30Д1

1. На основе визуальных исследований и измерений полей статических давлений уточнена картина вторичных течений в турбинной юшетка, предложены метода оценки размеров зс 1 вяхрэобразовання 1а входа в решетку.

2. Предложена и испытана схема дискретного завесного вдува ;ерез торцевую отенку решетки, позволяющая шесте о охлаждением фактически сохранить КПД решетки при смешения охладителя с ос-.оишм потоком за счет струйного воздействия на Структуру течения ■ торцевой стенки.

3» Показано, что элективное противодействие вторичным те-:аниям в решетке достигается при параметрах вдува больших едичн-М.

4, Показано, что картина распределения коэффициентов теплоот-дчп яа торцевой отейко меялопаточного канала определяется половинам вихрей в пристенном слое.

б. Показана .¡рспективность методов, использующих зддаокри-таллических термо:.ндикатори в исследовании теплового состояния орцевой стенки ре нитки в лабораторных условиях.

6. На основе полученных подробных картин распределения з'авео-эго охлаждения на торцовой стенкэ г^.и вдуве на входе в решетку иделено три возможных варианта завесы: при малых параметрах вду-а т завеса локализуется в области, занимаемой подаовообразны-

й вихрями, Прп этом в процессе си©тения основного и вдуваемого этоков участвует только среда, содержащаяся в подковообразны;: к рях, при т. "»0,6 наблюдается прорыв вдувавших отруй через сие— )му вихрей и появление локальных зон завесы у корытца лопатки, ?и ту I завэса присутствует практически на всей повершооти )рцезой стенки.

7, Длч случаев малых т и для гп ~?1 предложен метод расчета

сродней, по перо к потока, эффективности завесы о учетом сужения межлопаточного 'канала. .

8. Предложена математическая модель, позволяющая приблизительно рассчитать положение оои подковообразного вихря в проекции на торцевую стенку с учетом влияния дискретного завесного вдува и следовательно оценить положение области образования завесы при малых параметрах вдува.

9. Экспериментально и с помощью расчета показана возможность управления положением вихря с пошщью дискретного вдува.

10. Полученные результаты использованы' при проектировании системы завесного охлаждения CA турбины.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Богомолов E.H., Лебедев В,В., Дэхшнко З.А. Экспериментальная установка для визуального изучения движения газа в турбинной решетке // Рабочие процессы в охлаждаемых турбомэшнах газо- . тур&шных двигателей. - Казань: КАИ, 1988.-С.'58-61.

2. Богомолов H.H., Лебодез В.В. Визуальные исследования пространственного пристеночного течения на входе в турбинную решетку // Кзв. вузов. Энергети-:а.-1Э88.-Г; 4.-Q. 68-72.

3. Богомолов 2.Н., Лебедев В.В. Газодинамические потери в турбинной решетке при вдуво через перфорации торцевых стенок // Изв. вузов. Авиационная техника.-1938.-л' 4.-С. 85-8?.

4. Богомолов E.H.,- Лебедев В.В. К исследованию отрубного воз-дейотлия кг. структуру течения в турбинных 'решетках // Изв. вузов . Машиностроение.-1989,-I.-C. 79-83.

5. Богошлов E.H., Лебедев В.В., Дзхнэнко З.А., Тутов С.Н. Некоторые результаты визуального исслздованля пристеночного те чеши в мезиопаточном канале турбинной решетки // Рабочие процессы в охладдаемых турбомашинах газотурбинных двигателей.-.Казань: KAII, 1989,—;С. 106-109.

6. Богомолов З.Н., Лебедев В.В., Тугов С.Н. 0 структура течения в зоне тормояония пристеночного пограшг-шого слоя в патоке, набегающем па входные щюмхи турбшших решеток // Изв. вузов. Энергетика.-1930 - В 6.-С. 90-93.

7. Богомолов З.Н., Лебедев В.В. Прклошнге язудак кристаллов для исследования завесного охлаждения торцавчх стенок турбинных решеток. // Промышленная теплотехника._1990.-гЗ.-С. 7-12. ■

8. Богомолов E.H., Лебодев В.З. Тддаркрпстгиишчзскцй' датод'

измерения теплоотдачи при зрвесном охлаждении торцевых стенок ' турбинных решеток // Совершенствование теории и техники тепловой защиты энергетических устройств: Тез. докл. респ. конф., Житомир, сент. IÖ90 г. - Киев, 1У90. - С. 41-42.

9. Богомолов E.H., Лебедев В.В. Об особенностях процесса смешения в турбинной решетке при дискретном вдувэ через торцевую стенку. // Охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов. - Казань: КАИ, 1990. - С. 5(3-60.

Ш///11ГМ III» ' 1 hl IlllLllii'lllll 1)1,1 II1ПШ

чл mumme ^¡¿ша&а« I v ^'JSÊF/Â

Puc.l

M

ftS ftí w Í.1 0,1

\

-ч

\ is.

-V] i s

Tf

O-V" 1filM/c,S-Swt,H-/,9S7

a-[/4,1l>f/c,S- 16ни, H èft68S Л- V4ßSn/c, S-гамм,H4.S1 *-V*Í¡l8/^4; ¿ « Kfmifl ",'.«<

Рис. i

16

A

Ш

' . ¿ ' ' '

Pue.Z

Pu.A-

МО# «м

\

Л )j

Чч

S - ; 7-H2,i,6~m,1\S-M-t 10-16711-112^ Рис.5

/7/>U JK} £/>/•

wtmnq; 2-при в/hjte ¿ие.клО-патечгн* i i-ярч ">i мгепнон Sâyte.

Рис: 6