автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Разработка методики теплогидравлического расчета системы охлаждения газотурбинных опаток смешанной схемы

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ им. И. И. ПОЛЗУНОВА (НПО ЦКТИ)

На правах рукописи УДК 621.488-2-71

СУДАРЕВ Владимир Борисович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ЛОПАТОК СМЕШАННОЙ СХЕ'аЫ

Специальность 05.04.12 — Турбомашинй и турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

л —

V \

Работа выполнена в Научно-производствепном объединении по исследов, нию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползуног (НПО ЦКТИ).

Научный руководитель—доктор технических наук, профессор Л. Л. Ку нсцоо.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Н. Н. Сунцов;

кандидат технических паук А. С. Лебедев.

Ведущее предприятие — Государственное предприятие «Невский завод».

Защита состоится „——" ;-¿¡*СНЯ- 1993 г_ в —-

на заседании специализированного совета НПО ЦКТИ Д 145.01.01 по адрес 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 24, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО ЦКТИ.

Автореферат разослан „—-¿2/^3 ¿'/У./?--- 1993

Отзыв па автореферат, заверенный печатью, в одном экземпляре проси направить в адрес специализированного совета НПО ЦКТИ: 193167, Санк Петербург, ул. Красных электриков, д.' 3/6.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

В, С. Назарет

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение начальной температуры газа ведет к увеличению экономичности ГТУ. Основной проблемой в освоении высоких температур является создание эффективных систем охлаждения тешюнап-ряженных элементов газовых турбин (ГТ), в первую очередь сопловых и рабочих лопаток.

Широкое применение в стационарном газотурбостроении находит открытое конвективное воздушное охлаждение. В рабочих венцах в основном используются литые лопатки со смешанным течением охладителя. Особенностью систем охлаждения этой схемы является наличие протяженных участков с интенсивным оттоком ( притоком) охладителя. Сетевые расчетные модели таких каналов не позволяют в необходимой степени отразить реальный процесс раздачи охлаждающего воздуха, что может привести в итоге к заметной погрешности при определении температуры профиля. Поэтому, учитывая возрастание требований к точности расчета с ростом температуры газа, представляется актуальным подробно рассмотреть задачи внутренней гидравлики лопаток смешанных схем. Кроме того, ограниченность экспериментальных данных по гидродинамике и отсутствие надежных рекомендаций по расчету граничных условий теплоотдачи на таких характерных для охлаждаемых лопаток участках тракта как щелевые каналы (ЩК) с интенсификаторами з виде цилиндрических перемычек-тур-булизаторов (ЦПТ) при изменении расхода охладителя и на участках с ускоренным течением, затрудняют оптимизацию системы охлаждения.

Таким образом, для дальнейшего совершенствования охлаждаемых лопаток смешанных схем необходимо детальное экспериментальное и теоретическое исследование гидродинамики и теплообмена во внутренних полостях, создание надежной методики теплогидравлического расчета системы охлаждения.

Повысить эффективность охлаждения венца можно не только путем усовершенствования внутренней системы охлаждения лопаток, но и за счет рационального выбора его геометрии. Известно, что изменение относительных размеров может приводить как к росту, так и снижению теп-лоподвода со стпроны газа отдельно для торцевой и профильной поверхностей. В настоящее время отсутствуют данные о влиянии относительных размеров лопаточного аппарата на суммарный теплоподвод к охлаждаемому венцу. Поэтому исследование этого вопроса представляет научный и практический интерес.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в разработке методики теплогидравлического расчета системы охлаждения газотурбинных лопаток смешанной схемы на основе коллекторной модели течения и получении критериальных уравнений, уточняющих граничные условия теплообмена во внутреннем тракте.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

- выполнить экспериментальные исследования течения охладителя в полости лопатки полупетлевого типа - конструкции, наиболее полно отражающей особенности смешанной схемы течения, с использованием поля-ризационно-оптического метода визуализации (ПОМВ) и метода лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА);

- разработать математическую модель, описывающую распределение охлаждающего воздуха во внутренней полости лопатки в коллекторной постановке;

- проанализировать и обобщить имеющиеся данные по гидравлическому сопротивлению и теплоотдаче в каналах с пучками цилиндрических пе-ремычек-турбулизаторов (ЦПТ);

- выполнить опытное исследование локальной теплоотдачи в конфу-зорных каналах:

- апробировать разработанную методику теплогидравлического расчета системы охлаждения лопатки ГТ;

- оценить влияние относительных размеров охлаждаемого лопаточного венца на полный теплоподвод к нему;

- разработать рекомендации по совершенствовали) конструкции' внутреннего охлаждающего тракта лопатки.

Научную новизну представляют:

- результаты экспериментального исследования особенностей течения и потокораспределения охладителя во внутренней полости лопатки смешанной схемы, полученные ПОМВ и методом ЛДА;

- обобщающие зависимости по гидравлическому сопротивлению и теплоотдаче в ЩК с пучками ЦПТ и их применимость для расчета таких каналов при интенсивном оттоке охладителя;

- экспериментальные данные по локальной теплоотдаче и уравнения теплового подобия для каналов при малой конфузорности;

- методика определения относительной длины пера лопатки, соответствующей минимальному теплоподводу к охлаждаемому венцу;

- методика и программа теплогидравлического расчета лопаток с коллекторной раздачей на участках тракта охлаждения.

Достоверность полученных результатов и справедливость разрабо-

тайной методики подтверждаются, как оценкой точности измерений и. величин, полученных в ходе обобщения экспериментальных данных, так и совпадением результатов расчетов с экспериментом. Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования гидродинамики и теплообмена в полости охлаждаемой газотурбинной лопатки;

- математическую модель потокораспределения охлаждающей среды в лопатке смешанной схемы;

- результаты обобщения данных по гидравлическому сопротивлению и теплоотдаче в каналах с пучками ЦПТ;

- критериальные зависимости для расчета локального теплообмена в конфузорных каналах;

- методику определения геометрии охлаждаемого венца ГТ с минимальным теплоподводом;

- методику теплогидравлического расчета и рекомендации по экспериментальной отработке и конструктивному совершенствованию систем охлаждения смешанной схемы.

Практическая ценность. Примененные для исследования течения охладителя в газотурбинной лопатке поляризационно-оптический и ЛДА методы позволяют выявить и устранить уже на начальном этапе проектирг-вания существенные конструктивные недостатки внутренней полости. Разработанная методика теплогидравлического расчета системы охлаждения, включающая в себя полученные экспериментально и в результате обобщения критериальные зависимости, уточняющие граничные условия теплообмена на характерных для охлаждаемых лопаток ГТ участках тракта, способствует более точному определению теплового состояния пера лопатки смешанной схемы и может быть использована также при расчете отдельных участков лопаток других схем.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались: - на Международной конференции по современным методам измерений газовых потоков, Пекин,1989г.; на Всесоюзной научно-технической сессии "Состояние и перспективы газодинамических тепловых исследований б обеспечение повышения температуры газа в стационарных газотурбинных установках", Москва, 1989г.; на Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики", Новосибирск, 1930г.

• Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 статьях в открытой печати. По теме диссертации получено 4 авторских свидетельства.

Внедрение. Результаты работы использованы при техническом и рабочем проектировании охлаждаемых лопаток на ПО НЗЛ и ПО ЛМЗ. Исследо-

ванная лопатка использована в качестве варианта бездефлекторного исполнения рабочей лопатки 2 ступени газоперекачивающего агрегата ГТН-25А ПО НЗЛ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 102 наименования. Работа изложена на 98 страницах машинописного текста, иллюстрирована 55 рисунками. Содержит приложение на 46 листах.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы общая цель и предмет исследования..

В главе 1 представлены результаты экспериментальных исследований течения охладителя в моделях лопатки полупетлевого типа (рис.1). Визуализация течения во внутренней полости модели выполнена поляризаци-онно-оптическим методом на стенде (рис. 2), спроектированном и налаженном автором. Рабочим телом при проведении опытов служит оптически активная жидкость (ОАЖ), омывающая элементы тракта охлаждения, имитирующие внутреннюю полость лопатки.-В качестве ОАЖ использован водный раствор пятиокиси ванадия, коллоидные частицы которого становятся видимыми в поляризованном свете. Исследование проведено на модели охлаждаемой лопатки, выполненной из органического стекла, в диапазоне чисел Рейнольдса от 3-10 до 2-104. В опытах определены застойные, слабовентилируемые и вихревые зоны тракта охлаждения, выявлены особенности течения (возвратные токи, снос струй) и потокораспределения, влияние вносимых в систему охлаждения конструктивных изменений. По результатам визуализационных исследований сделаны выводы о необходимости дискретной раздачи охладителя при выдуве на входную кромку, подпитки прикорневого сечения со стороны выходной кромки, а также оптимизации формы и расположения Z-образных перемычек выходной кромки, в частности, устранение входных горизонтальных ребер (рис.1).

Качественный анализ картин течения охладителя дополнен количественным исследованием гидродинамики потока, выполненным лазерным, доп-леровским анемометром, построенным по классической дифференциальной схеме. Используя, полученные экспериментально эпюры скоростей в поперечных сечениях и по высоте коллекторов лопатки, определены коэффици-

учитывающие сответственно неравномерность распределения скорости по

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

енты:

(1)

ОАЖ

Рис.1. Картина течения в модели лопатки смешанной схемы:

1-раздаточный коллектор (РК), 2- щель РК, 3-сборный коллектор (СК), 4-ребра, 5-задняя стенка Р1{, 6-перемычки, 7-каналы выходной кромки, Р-подпитывающие отверстия.

ческим методом: 1-исследуемая модель, 2-плоская пластина, 3-рабочпй участок, 4-поляризатор, 5-лампа (ПСВт), 6-матовое стекло, 7-сборннй коллектор, 8-полиэтиленовые трубы, 9-бак с оптичеста активной "-.ллкостью, 10-вентиль, П-вакуум-насос, Т?-'т,отоаппярат. ГЗ-пчплизатор, Т4-кдяпан.

ширине сечения (ось х) и изменение скоростей_по высоте (ось г) рассматриваемого коллектора. Здесь: V/ -локальная, средняя по ширине сечения и средняя по высоте коллектора продольные составляющие скорости потока; ~ локальная и средняя поперечные составляющие скорости по высоте щели раздаточного коллектора (РК). Экспериментальные значения А и У* близки к указанным другими авторами для подобных систем. "

С целью исследования гидравлики внутреннего тракта в широком диапазоне чисел Ие и получения дополнительных данных о влиянии на систему охлаждения конструктивных изменений , проведены эксперименты на объемной модели лопатки, с использованием в качестве рабочей среды .воздуха. Показано, что введение таких изменений , как дискретный выдув, направляющие элементы, отверстия в глухой стенке РК не оказывают существенного влияния на суммарные потери давления в лопатке, но позволяют эффективно управлять раздачей охладителя по внутреннему тракту. Результаты исследования способствовали также уточнению картин течения, полученных в визуализационных опытах.

Информация, полученная в ходе проведенных исследований, позволила грамотно сконструировать на начальном этапе проектирования внутреннюю полость лопатки и в дальнейшем была использована при разработке физической и математической моделей ее тракта охлаждения.

В главе 2 дано описание разработанной математической модели гидродинамики потока во внутреннем тракте лопатки, основанной на уравнениях сохранения массы и количества движения.

Задача о распределении охладителя решается в коллекторной постановке. При таком подходе внутренняя полость полупетлевой лопатки рассматривается как две последовательно соединенные коллекторные системы (КС), находящиеся в поле действия центробежных сил. Первая КС построена по 1- схеме и включает в себя раздаточный (РК) и сборный (СК) коллекторы, соединенные друг с другом узкой продольной щелью. Вторая КС - это одиночный РК, сообщающийся с проточной частью через щели выходной кромки (течение с оттоком).

Течение охладителя в коллекторах принято одномерным с осредненны-ми по сечению параметрами . Уравнение материального баланса применительно к элементарному участку коллектора длиной dZ (рис.3) может быть записано в виде:

& (¡>-\>6 П]эт\л/с=0 (2)

где Б, П - площадь и периметр поперечного сечения коллектора, п^Бо/Б^

-проницаемость перегородки ( Бд- площадь щели, 3Б- полная площадь боковой поверхности). Уравнение

к*-(кг+с1к,.)± ^х=(Р^Р)-5-Р5^Ртр1с!ГЦБС (3)

выражает закон сохранения импульса сил и количества движения,применительно к установившемуся движению воздуха с путевым расходом (оттоком). Здесь:

К^РРЛ^Ъ и Кг*-]Г;р V/* [Ш "(4) соответственно, секундное количество движения воздуха, протекающего через поперечное сечение коллектора и проницаемую перегородку, разделяющую РК и СК; р^г

дБр-гп-аг-^^гИ! (5)

- сила трения;

о)2 Г Р Б 41 (6)

- центробежная сила.

Используя (2-6), уравнение (3) приводится к виду, применимому для Ьтого коллектора:

1*\г А

1X3 Г + А'1 =0' (7)

где •

1=1,2 соответственно для РК и СК. В качестве коэффициентов, учитывающих неодномерность потока У] ), использованы величины, полученные экспериментально в главе 1.

Уравнения (?) позволяют получить зависимость для расчета изменения перепада давлений между коллекторами по высоте лопатки

Перепад между коллекторами может быть определен как:

= = (Э)

где Р* , Р2 -статическое давление в РК и СК, лРуск - перепад давления из-за ускорения потока, вследствие нагрева или сужения, ££ - коэффициент местного--сопротивления перфорированного участка (щели), соединяющего коллекторы. Решение системы уравнений (8,9), при граничных условиях:

2-0. \4-Чю>Т»-Т,„ Р4-Р<,„, ^ = Зг-Б,*, (10)

г-к , ЧУм^О.ооб, = (И)

осуществляется методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Выполнение условия (11) реализуется способом "пристрелки" за счет подбора такого начального перепада давлений между коллекторами, при котором относительная скорость воздуха у "глухого" торца РК близка к нулю.

В главе 3 проведено обобщение опубликованных данных по гидравлическому сопротивлению и теплоотдаче в каналах с ЦПТ, выполнено экспериментальное исследование локальной теплоотдачи в,конфузорных каналах с целью уточнения условий теплообмена в каналах выходной кромки.

В первом параграфе проанализировано влияние на гидравлическое сопротивление и теплоотдачу в пучках ЦПТ геометрических и режимных параметров. Коэффициент местного сопротивления пучка ЦПТ, имеющего а рядов, представлен как:

, (12)

где коэффициент местного сопротивления одного ряда

в пучке ЦПТ, определяется произведением двух функций:

Г* - Р . 7~ (13)

¿НО

одна из которых С4» -|-(Ее)=9,2/!Зе +20/Ие зависит только от числа Рей-нольдса, а вторая ^ (чП=(Аг1к(^)/а^)аг-от пористости и строе-

ния пучка ЦПТ (здесь:Ее=У0с)г,ор/|1 - число Рейнольдса "пустого" канала;

Т-О'^/БО ~ пористость пучка; (1 - диаметр ЦПТ; $л- поперечный шаг в пучке ЦПТ ; с!г,о- гидравлический диаметр "пустого" канала;Д|И-- плотность и динамическая вязкость воздуха, определяемые в зависимости от средней температуры воздуха 1б в пучке; опытные коэффициенты. Расчеты , выполненные по (13) удовлетворительно согласуются с многочисленными опытными данными (рис.4).

При расчете средней теплоотдачи в чучке ЦПТ также в качестве определяющих величин приняты а, "Ц . Влияние на теплоотдачу относительной высоты канала §=5/с1, относительного расстояния между рядами 2-вг}^ • пористости V учтем с помощью формул:

И =у(5(4~т)+г; . (14)

62«^(ЧСБ) «оьу^где 04-04-1.при Г=0,4...0.7Р, Ц5) Оз=0,455,04=0,1,при Г-0,2... 0.4 ,

Рис.3. Принципиальная схема системы охлаждения газотурбинной лопатки и ее поперечное сечение на участке "входная кромка": — условная граница между коллекторными системами входной и выходной кромок.

6 8 Не

Рис.4. Коэффициент гидравлического сопротивления одного ряда и средняя теплоотдача в пучках ЦПТ по результатам проведенного обобщения экспериментальных данных: - область эксперимен-

тальных значений', линия 1-формула 17;

а,о,х,+ - эксперимент, 2- расчет по форлуле 13.

Ь5-}3(г) = 1а5, где а5=о,при гя^оАгфи (16)

Опытные данные различных исследователей удовлетворительно (с разбросом в 25%) обобщает единая зависимость:

Ми = С- 0,0925 (5 5 . (1?)

справедливая в диапазоне Ре=10?..9-104для пучков коридорного (С=1) и шахматного (С=1,05) строения при: 5^1,25 + 4,33; 5г=1,5 8;

Т- 0,2 + 0,77; § =0,5 * 4 (рис.4).

Как показало сопоставление расчетных (по разработанной методике) и опытных данных при наличии оттока через одну из боковых стенок канала с ЦПТ по длине пучка могут быть определены по формуле (17) последовательно по участкам средние коэффициенты теплоотдачи, которые при достаточно малой длине участка (2-Змм), с приемлемой при расчете систем охлаждения лопаток ГТ точностью, могут рассматриваться, в пределах участка, как локальные.

Во втором параграфе дано описание экспериментальной установки для исследования теплоотдачи в конфузорных каналах, методики проведения опытов и обработки экспериментальных данных.

Опытная установка представляла собой аэродинамическую трубу открытого типа с рабочим участком в виде конфузорного кольцевого канала с односторонним наружным обогревом. Канал формировался толстостенным текстолитовым корпусом и сменными коническими внутренними вставками, размещенными на игольчатых опорах. Тепловой поток на охлаждаемой стенке создавался с помощью электрокалориметра, изготовленного из стальной фольги толщиной 0,1мм. Температура фольги измерялась прикрепленными к ней термопарами ХК ,0 0,2мм. Отладка методики проведения замеров и обработки результатов опытов проведена при исследование локального теплообмена в кольцевой щели с постоянной вдоль оси трубы площадью поперечного сечения.

Локальная теплоотдача в конфузорных щелях с точностью 15-20% может быть вычислена по известной формуле

Ми = 0,018 (^е*- Ь - 0,14 - (с1/1))0'6] К{, (18)

где ¿,1)- текущий внутренний и наружный диаметры, йри этом коэффициенты и зависят от относительной длины ауУги и угла Ч" сужения канала и определяются по полученным экспериментально зависимостям:

К( Оо/ехр(0,253 эс/Уг,1 *а<л*), п =во еар(0,0!4агД, ♦бЛ), (19)

где (1г- гидравлический диаметр в начале участка обогрева, а эмпирические коэффициенты соответственно равны:

(}„ =92,3; а(=242; бо=0,497; 6,=34,2 для Ч =102- (0,48^1) рад; а0=8,88; СЦ-13,1; Ь„=0,7; = 0 при ¥ =10г-( 1+2,48) рад. Формулы применимы в диапазоне чисел Рейнольдса Яе^х-Х^/р = 340-24000.

На базе математического описания гидродинамики потока последовательно разработаны алгоритм и программа теплогидравлического расчета системы охлаждения газотурбинной лопатки смешанной схемы. Программа состоит из последовательно соединенных блоков. По заданным давлению, температуре охладителя на входе, давлению (распределению давления) за выходной кромкой, геометрии внутренней полости в процессе счета определяются расход, температура, давление, коэффициенты теплоотдачи на участках тракта охлаждения. Подогрев воздуха на отдельных участках в первом приближении определяется исходя из предварительно вычисленного среднего коэффициента теплоотдачи от газа в решетке, геометрии и допустимой температуры профиля, относительной длины и расположения рассматриваемого участка, расхода охладителя, уточняемого в процессе счета. При расчете теплообмена на сребренных участках внутреннего тракта и в каналах выходной кромки использовались зависимости, полученные автором в главе 3. Относительная автономность блоков программы позволяет использовать их и отдельно для расчета таких характерных участков тракта охлаждаемых лопаток ГТ, как г-образная КС и течение с оттоком. Результаты расчета по разработанной программе модельного канала, имитирующего выходной участок внутренней полости охлаждаемой лопатки, хорошо согласуются с опытными данными (Рис.5).

В Четвертой главе описывается расчетно-экспериментальное исследование температурного состояния лопатки полупетлевого типа. Анализируются полученные данные по эффективности охлаждения, сравниваются результаты экспериментов с данными других авторов. Разработаны рекомендации по конструктивному совершенствованию лопатки. Приведен анализ влияния относительной высоты лопатки на полный теплоподвод к охлаждаемому венцу.

Тепловые испытания проведены на статическом стенде, состоящем из камеры сгорания, участка, обеспечивающего выравнивание поля температур на входе в пакет лопаток. Исследованая лопатка изготовлена из двух сваренных между собой половинок, выполненых путем механической обработки наружного профиля и электроэрозионной - внутренней полости. Испытания проводились на стационарных режимах в следующем диапазоне изменения параметров газового потока: Тг -870-1060К, расход газа

0=0,18-0,2 кг/с, 1*ег -(1...1,3)-105, Мг~ 0,51. Относительный расход охлаждающего воздуха изменялся в пределах 1,5...4%, а его температура на входе в лопатку 350... 410К. Температурное состояние пера лопатки замерялось с помощью термопар и термоиндикаторного покрытия. Распределение расхода охладителя по каналам охлаждающего тракта исследуемой лопатки находилось расчетным путем по разработанной методике. При определении коэффициентов теплоотдачи со стороны охладителя на оребрен-ном ЦПТ участке и в конфузорных каналах выходной кромки использовались зависимости (1?), (18, 19), полученные в настоящей работе.

Сравнение опытных и расчетных данных показало, что расчетное температурное поле лопатки хорошо согласуется с экспериментальным, в том числе в зонах входной и выходной кромок. В ходе многовариантных расчетов усовершенствована геометрия системы охлаждения полупетлевой лопатки. Полученные расчетным путем для условий натурного режима (применительно ко 2-й рабочей лопатке ГТН-25А) температурные поля прикорневого и среднего сечений лопатки подтвердили возможность обеспечения посредством полупетлевой схемы допустимого теплового состояния пера.

Анализ лопаток с различными системами охлаждения, в том числе сопоставление зависимости средней эффективности охлаждения от относительного расхода охлаждающего воздуха (рис.6) позволяет сделать вывод, что использование лопатки- полупетлевого типа в качестве рабочей предпочтительно, т.к. ее тепловая эффективность несколько выше, чем у лопаток развитых конвективных схем. Кроне того эта лопатка технологична и отличается меньшими (по сравнению с другими литыми конструкциями) дополнительными в процессе вращения нагрузками от ребер, формирующих внутреннюю полость.

Рассмотрено влияние геометрии охлаждаемого венца на суммарный теплоподвод к нему. Показано, что для охлаждаемого турбинного венца существует такое значение относительной высоты лопатки ?0= ?/В0,при котором полный теплоподвод к нему со стороны газового потока становится минимальным.

Для нахождения оптимальной с точки зрения минимального теплопод-вода относительной высоты ?„при фиксированной длине пера предлагается использовать номограмму (рис.?) или уравнение:

(20)

где коэффициент А определяется геометрией решетки, равен-сшк^Дьо? т.*. - к»*). Кп и лежит в пределах 0,16...0,3.

При отклонении от оптимального значения более, чем в два раза, что

Рис.5. Распределение воздуха при течении в канале с ЦПТ .с оттоком через боковую стенку: 0,Ш- экспериментальные данные Лау,' ---расчет.

О-Тг'-Тн . Г-Т,

0 1 2 3 в,?*

Рис.?. Сопоставление средней эффективности охлаждения 6 лопатки полупетлевого типа .и лопаток конвективных схем:

О - исследованная лопатка (полупетлепоЯ тип ).

■ ' ■ — 6 М

г 4 о г^-1

Рис.7. Номограмма для определения относительной высоты лопатки, соответствующей минимальному теплоподводу к охлаждаемому венцу: о,® - охлаждаемые сопло-вне и рабочие лопатки стационарных ГТУ; Е23- область минимального теплоподвода .

характерно лля сопловых венцов действующих ГТ, теплоподвод может возрастать на 15% и выше. Это необходимо принимать во внимание при проектировании охлаждаемых венцов высокотемпературных ГТУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Поляризационно-оптическим методом визуализации (ПОМВ) и методом лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) выполнено экспериментальное исследование раздачи охладителя во внутреннем тракте модели газотурбинной лопатки, что позволило уже на начальном этапе проектирования выявить основные особенности смешанной схемы охлаждения и установить количественные характеристики потокораспределения теплоносителя ( в том числе коэффициенты неравномерности и / ).

2. Разработана математическая модель гидродинамики течения, базирующаяся на уравнениях сохранения массы и количества движения, позволяющая решить задачу о раздаче охладителя в коллекторной постановке. Она апробирована на экспериментальном материале и положена в основу методики теплогидравлического расчета системы охлаждения лопатки.

3. Проведено обобщение многочисленных опубликованных экспериментальных данных отечественных и зарубежных исследователей по гидравлическому сопротивлению и теплоотдаче в щелевых каналах с ЦПТ. Предложены формулы (1-3, 17 ), соответственно пригодные для расчета гидравлического сопротивления и средней теплоотдачи в щелевом канале с пучком ЦПТ, в том числе в составе разработанной методики при оттоке охладителя, в широком диапазоне геометрических и режимных параметров.

4. Выполнено опытное исследование локального теплообмена в сужающихся, каналах. Локальную теплоотдачу в каналах выходных кромок лопаток рекомендуется определять, учитывая их конфузорность по найденным зависимостям (18,19), что позволит более точно прогнозировать температурное состояние этого теплонапряженного участка профиля.

5. На основании теоретического и экспериментального исследования гидродинамики и теплообмена в лопатке смешанной полупетлевой схемы разработана методика теплогидравлического расчета ее системы охлаждения. Алгоритм проектировочного расчета запрограммирован на языке Фор-тран-4 и включает в себя зависимости, полученные в данной работе. Фрагменты программы, построенной по блочной схеме, могут быть использованы при расчете конвективно охлаждаемых лопаток других типов, при наличии в их системах охлаждения оребренных и конфузорных каналов.

- 17 -

участков с интенсивным оттоком теплоносителя.

6. Анализ влияния относительных размеров охлаждаемого венца ГТ на полный теплоподвод■к нему показал, что существует такое значение относительной высоты лопатки , при котором теплоподвод минимален. Затраты охладителя резко возрастают при отклонении более чем в два раза от оптимального значения , что необходимо учитывать при проектировании охлаждаемых венцов.

7. Проведено экспериментальное и расчетное исследование расходных характеристик системы охлаждения и теплового состояния опытной полупетлевой лопатки. Удовлетворительное совпадение результатов свидетельствует о достоверности разработанного метода и программы расчета системы охлаждения. Усовершенствованная конструкция внутренней полости позволяет сформировать рациональное тепловое состояние и добиться высокой эффективности охлаждения в цельнолитой рабочей лопатке высокотемпературного ГТД (ГТН-25А).

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. СУДАРЕВ В,Б. Влияние конфузориости на теплообмен в кольцевом канале: Труды ЦКТИ. Л., вып. 243, 1938, С.123-126.

2. СУДАРЕВ В.Б. Применение поляризационно-оптического метода для исследования течения в охлаждаемых лопатках газовых турбин на ранней стадии проектирования: Тез. докл. XXXVI Всесоюзн. науч.техн. конф."Состояние и перспективы газодинамических тепловых исследований в обеспечение повышения температуры газа в стационарных газотурбинных установках". М., 1989, С. 54.

3. SUDAREV V.B. at all. Visualisation of cooler from in the Gas Turbine Engine Blading inner Path. Proceedings of the Int.Conf. on Fluid Dinamic Measurement and Its applucations. Beijing, China, - Okt.25-28, 1989.

4. БАЖЕНОВ Г.В., КУЗНЕЦОВ А.Л., СУДАРЕВ В.Б. Визуализация течения охладителя во внутренней полостд газотурбинной лопатки. Труды ЦКТИ, вып. 251, Л., 1989, С. 101-105.

5. БАЖЕНОВ Г.В., ФЕЛЬДБЕРГ Л.А., СУДАРЕВ В.Б. Распределение охладителя во внутреннем тракте газотурбинной лопатки. Труды ЦКТИ, Л., вып. 251, 1989, С.65-69.

6. МЕДВЕДЕВ В.В., СУДАРЕВ В.Б. Картины течения охладителя в полых лопатках ГТД: Тез. докл. VI Всесоюзн. школы молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики". Новосибирск, 1990, С.71-72.

7. СУДАРЕВ В.Б. Средняя теплоотдача в каналах с перемычками--турбулизаторами. Труды ДКТИ. Л., вып. 271, 1992, С.34-40.

8. КУЗНЕЦОВ А.Л., СУДАРЕВ В.Б. Оптимальное удлинение лопаток охлаждаемого венца высокотемпературной газовой турбины. Труды ПКТИ, Л., вып. 271, 1992, С.8-12.

■ ■ ■ -:-1——г

Ротапринт. Подписано к печати 15.04.93. Формат бум.-60x84 /16 Объем I п.л. Тир. 100 ака. Зак. Бесплатно

НПО ЦКТИ. 19ВД21, Санкт-Петербург, Политехническая у;.,Д.24