Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя в полостях вращения газовых турбин

Авиационная и ракетно-космическая техника

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

2019. Т. 26. № 2. С. 99-115.

Авторы

Зуев А. А.1*, Назаров В. П.1**, Арнгольд А. А.2***

1. Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнева, проспект им. газеты Красноярский рабочий, 31, Красноярск, 660037, Россия
2. ФГУП «Красноярский машиностроительный завод», Красмаш, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 29, Красноярск, 660123, Россия

*e-mail: dla2011@inbox.ru
**e-mail: nazarov@.sibsau.ru
***e-mail: arngoldanna@mail.ru

Аннотация

Предложена модель распределения динамического и температурного пространственных пограничных слоев с конвективной составляющей (для случая Pr<1), необходимая для аналитического определения локального коэффициента теплоотдачи в полостях вращения турбин жидкостных ракетных двигателей. Получено интегральное соотношение уравнения энергии температурного пространственного пограничного слоя, позволяющего вести интегрирование по поверхности любой формы, необходимое для определения толщины потери энергии. С учетом интегрального соотношения записан закон теплообмена турбулентного пограничного слоя для полостей вращения. Аналитическим путем получены выражения для определения локального коэффициента теплоотдачи в виде критерия Стантона для прямолинейного равномерного течения потока, вращательного течения по закону твердого тела и вращательного течения свободного вихря степенного профиля распределения параметров динамического и температурного пограничного слоя. Аналитические выражения для коэффициентов теплоотдачи хорошо согласуются с экспериментальными данными и зависимостями, полученными другими авторами.

Ключевые слова:

температурный пограничный слой, коэффициент теплоотдачи, интегральное соотношение уравнения энергии, проточная часть турбонасосного агрегата

Библиографический список

  1. Войткунский Я.И., Фаддеев Ю.И., Федяевский К.К. Гидромеханика. – Л.: Судостроение, 1982. – 456 с.

  2. Stoll J., Straub J. Film cooling and heat transfer in nozzles // Journal of Turbomachinery. 1988. Vol. 110. Issue 1, pp. 57-64. DOI: 10.1115/1.3262168

  3. Dellimore K.H.J. Modeling and Simulation of Mixing Layer Flows for Rocket Engine Film Cooling. Ph.D. thesis. – University of Maryland at College Park, 2010. 303 p.

  4. Jansson L.S., Davidson L, Olsson E. Calculation of steady and unsteady flows in a film-cooling arrangement using a two-layer algebraic stress model // Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. 1994. Vol. 25. Issue 3, pp. 237-258. DOI: 10.1080/ 10407789408955947

  5. Cruz C.A. Experimental and Numerical Characterization of Turbulent Slot Film Cooling. Ph.D. thesis. – University of Maryland at College Park, 2008. 171 p.

  6. Cruz C, MarshallA.W. Surface and gas measurements along a film cooled wall // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2007. Vol. 21. No.1, pp. 181-189. DOI: 10.2514/1.25041

  7. Betti B, Martelli E, Nasuti F. Heat flux evaluation in oxygen/ methane thrust chambers by RANS approach // 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. AIAA Paper 2010-6721, 2010. DOI: 10.2514/6.2010-6721

  8. Ильинков А.В., Габдрахманов P.P., Такмовцев В.В., Щукин А.В. Влияние центробежных массовых сил на теплоотдачу при обтекании потоком воздуха вогнутой поверхности с поперечными выступами // Вестник Московского авиационного института. 2018. Т. 25. № 1. С. 39-48.

  9. Горелов Ю.Г., Строкач E.A. Анализ закономерностей расчета коэффициента теплоотдачи от газа на входных кромках сопловых лопаток турбин высокого давления // Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23. № 1. С. 80-85.

  10. Щербаков M.A., Воробьёв Д.А., Маслаков С.А., Равикович Ю.А. Определение коэффициента теплоотдачи на пере лопатки турбины на нерасчётных режимах работы // Вестник Московского авиационного института. 2013. Т. 20. № 3. С. 95-103.

  11. Дрейцер Г.А., Исаев С.А., Лобанов И.Е. Расчёт конвективного теплообмена в трубе с периодическими выступами // Вестник Московского авиационного института. 2004. Т. 11. № 2. С. 28-35.

  12. Knuth E.L. The mechanism of film cooling. Ph.D. thesis. – California Institute of Technology, 1954. – 115 p.

  13. Rannie W.D. Heat transfer in turbulent shear flow // Journal of the Aeronautical Sciences. 1956. Vol. 23. No. 5, pp. 485-489.

  14. Turcotte D.L. A sublayer theory for fluid injection into the incompressible turbulent boundary layer // Journal of the Aeronautical Sciences. 1960. Vol. 27. No. 9, pp. 675-678. DOI: 10.2514/8.8708

  15. Howell J. C, Oberstone J, Stechman R.C. Design criteria for film cooling for small liquid-propellant rocket engines // Journal of Spacecraft and Rockets. 1969. Vol. 6. No. 2, pp. 97-102. DOI: https://doi.org/10.2514/3.29545

  16. Bartz D.R. A simple equation for rapid estimation of rocket nozzle convective heat transfer coefficients // Journal of Jet Propulsion. 1957. Vol. 27. No. 1, pp. 49-53.

  17. Shine S.R., Kumar S.S., Suresh B.N. A new generalised model for liquid film cooling in rocket combustion chambers // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012. Vol. 55. Issues 19-20, pp. 5065-5075. DOI: 10.1016/j .ijheatmasstransfer.2012.05.006

  18. Elhefny A., Liang G. Stress and deformation of rocket gas turbine disc under different loads using finite element modelling // Propulsion and Power Research. 2013. Vol. 2. Issue 1, pp. 38-49. DOI: 10.1016/ j.jppr.2013.01.002

  19. Григорьев В.А., Загребельный А. О., Кузнецов С.П. К вопросу оценки массы силовой установки в задаче оптимизации параметров рабочего процесса авиационного турбовинтового двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2015. Т. 22. № 3. С. 103-106.

  20. Кишкин А.А., Черненко Д.В., Черненко Е.В. Уравнения импульсов трехмерного пограничного слоя //  Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2007. № 4(140). С. 35-41.

  21. Романенко П.Н. Тепломассообмен и трение при градиентном течении жидкостей. – М.: Энергия, 1971. – 568 с.

  22. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М.: Наука, 1974. - 712 с.

  23. Shine S.R., Nidhi S.S. Review on film cooling of liquid rocket engines // Propulsion and Power Research. 2018. Vol. 7. Issue 1, pp. 1-18. DOI: 10.1016/j.jppr.2018.01.004

  24. Кейс В.М. Конвективный тепло- и массообмен: Пер. с англ. – М.: Энергия, 1972. – 448 с.

  25. Кишкин А.А., Зуев А.А., Леонов В.П. Локальная теплоотдача в граничных условиях турбомашин // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. № 1(658). С. 3-10. DOI: 10.18698/ 0536-1044-2015-1-3-10

  26. Толстопятов М.И., Зуев А.А., Кишкин А.А., Жуйков Д.А., Назаров В.П. Прямолинейное равномерное течение газов с теплоотдачей в энергетических установках летательных аппаратов // Вестник Сибир­ского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. 2012. № 4(44). С. 134-139.

  27. Зуев А.А., Кишкин А.А., Жуйков Д.А., Толстопятов М.И. Течение с теплоотдачей в полостях вращения энергетических установок космических и летательных аппаратов // Вестник Сибирского государ­ственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. 2011. № 7(40). С. 63­68.

  28. Кишкин А.А., Зуев А.А., Черненко Е.В., Смирнов П.Н. Вращение жидкости над неподвижным основани­ем по закону твердого тела // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2011. № 1(159). С. 126-131.

  29. Chapman D.R., Kester R.H. Measurements of turbulent skin friction on cylinders in axial flow at subsonic and supersonic velocities // Journal of the Aeronautical Sciences. 1953. Vol. 20. No. 7, pp. 441-448. DOI: 10.2514/8.2688

  30. Owen J.M., Rogers R.H. Flow and heat transfer in rotating-disc systems: Rotor-stator systems. - Taunton: Research Studies Press, 1989. – 302 p.

  31. Shevchuk I.V. Convective Heat and Mass Transfer in Rotating Disk Systems. Springer, 2009. – 235 p.

  32. Дорфман Л.А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел. - М.: Физматгиз, 1960. - 260 с.



Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024