Аналитический подход при исследовании уравнений импульсов пограничного слоя при течении в межлопаточном канале газовых турбин

Авиационная и ракетно-космическая техника

Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов


DOI: 10.34759/vst-2021-1-45-60

Авторы

Кишкин А. А.*, Зуев А. А.**, Делков А. В.***, Шевченко Ю. Н.****

Сибирский государственный университет науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнева, проспект им. газеты Красноярский рабочий, 31, Красноярск, 660037, Россия

*e-mail: spsp99@mail.ru
**e-mail: dla2011@inbox.ru
***e-mail: delkov-mx01@mail.ru
****e-mail: gift_23j@mail.ru

Аннотация

Рассмотрен аналитический подход к интегрированию уравнений импульсов динамического пространственного пограничного слоя для поверхностей обтекания криволинейной формы в естественной криволинейной ортогональной системе координат с наличием поперечного градиента давления. Получены уравнения импульсов параболического типа, пригодные для решения задачи течения в радиальном секторе межлопаточного канала газовых турбин. Представлены уравнения в более общем виде, в отличие от известных частных решений. Отмечено, что при рассмотрении задачи течения с теплообменом (что наиболее актуально для межлопаточного канала неохлаждаемых газовых турбин) необходимо совместное решение полученных уравнений импульсов с интегральным соотношением уравнения энергии температурного и динамического пространственного пограничного слоя. Для рассматриваемого радиального сектора межлопаточного канала уравнения решены конечно-разностным методом. Используемый подход подтверждается верификацией результатов моделирования и визуализации донных линий тока в круговом радиальном модельном канале.

Ключевые слова:

динамический пограничный слой, уравнения импульсов, межлопаточный канал, проточная часть турбонасосного агрегата, газовая турбина

Библиографический список

  1. Зуев А.А., Назаров В.П., Арнгольд А.А. Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя в полостях вращения газовых турбин // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 99-115.

  2. Войткунский Я.И., Фаддеев Ю.И., Федяевский К.К. Гидромеханика: Учеб. для вузов. — Л.: Судостроение, 1982. – 456 с.

  3. Stoll J., Straub J. Film cooling and heat transfer in nozzles // Journal of Turbomachinery. 1988. Vol. 110. No. 1, pp. 57–64. DOI: 10.1115/1.3262168

  4. Dellimore K.H. Modeling and Simulation of Mixing Layer Flows for Rocket Engine Film Cooling. Ph.D. thesis. — University of Maryland at College Park, 2010, 303 p. URL: http://hdl.handle.net/1903/10376

  5. 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

  6. Cruz C.А. Experimental and Numerical Characterization of Turbulent Slot Film Cooling. Ph.D. thesis. — University of Maryland at College Park, 2008, 171 p. URL: http://hdl.handle.net/1903/8145

  7. Cruz C.A., Marshall A.W. Surface and gas temperature 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

  8. Betti B., Martelli E. Heat flux evaluation in oxygen/methane thrust chambers by RANS approach // 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit (25-28 July 2010, Nashville, TN). AIAA Paper 2010–6721. DOI: 10.2514/6.2010-6721

  9. Ильинков А.В., Габдрахманов Р.Р., 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.

  10. Горелов Ю.Г., Строкач Е.А. 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.

  11. Щербаков М.А., Воробьев 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.

  12. Knuth E.L. The mechanism of film cooling. Ph.D. thesis. — California Institute of Technology. 1954. Vol. 25. No. 1. DOI: 10.2514/8.6577

  13. Rannie W.D. Heat transfer in turbulent shear flow // Journal of Aeronautical Sciences. 1956. Vol. 23. No. 5, pp. 485–489. DOI: 10.2514/8.3587

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

  15. Stechman R.C., Oberstone J., Howell J.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: 10.2514/3.29545

  16. Bartz D.R. A simple equation for rapid estimation of rocket nozzle convective heat transfer coefficients // Jet Propulsion. 1957. Vol. 27. No. 1, pp. 49–51. DOI: 10.2514/8.12572

  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. No. 19-20, pp. 5065–5075. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.05.006

  18. Zuev A.A., Arngold A.A., Levko V.A., Maksimov I.A., Leonenkov A.D. Heat transfer coefficient of laminar rotational flow // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (18–21 November 2019, Krasnoyarsk, Russia). 2020. Vol. 734. DOI: 10.1088/1757-899X/734/1/012029

  19. Зуев А.А., Назаров В.П., Арнгольд А.А., Петров И.М. Дисковое трение при определении баланса мощностей турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2019. № 57. С. 17-31. DOI: 10.15593/2224-9982/2019.57.02

  20. Зуев А.А., Назаров В.П., Арнгольд А.А., Петров И.М. Методика определения дискового трения малорасходных центробежных насосов // Сибирский журнал науки и технологий. 2019. Т. 20, № 2. С. 219–227. DOI: 10.31772/2587-6066-2019-20-2-219-227

  21. Zuev A.A., Kishkin A.A., Zhuikov D.A., Tolstopyatov M.I., Savelyeva M.V. Energy equations for the temperature three-dimensional boundary layer for the flow within boundary conditions of turbo machinery // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (18–21 November 2019, Krasnoyarsk, Russia). 2020. Vol. 537. DOI: 10.1088/1757-899X/537/2/022008

  22. Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. — М.: Физматгиз, 1962. – 512 с.

  23. Шкарбуль С.Н. Исследование пространственных течений вязкой жидкости в рабочих колесах центробежных компрессоров: Дисс. ... докт. техн. наук. – Л., 1973. – 398 с.

  24. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 1970. – 940 с.

  25. Шкарбуль С.Н. Расчет пространственного пограничного слоя во вращающихся каналах центробежных колес // Энергомашиностроение. 1973. №1. С. 19-29.

  26. Шкарбуль С.Н., Вольчук В.С. Анализ пространственного пограничного слоя в центробежном колесе турбомашины // Энергомашиностроение. 1977. №1. С. 14-16.

  27. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Пер. с нем. Г.А. Вольперта; Под ред. Л.Г. Лойцянского. — М.: Наука, 1974. – 712 с.

  28. Kaґrmaґn Th.V. Uber laminare und turbulente Reibung // ZAMM (Journal of applied mathematics and mechanics: Zeitschrift fur Angewandte Mathematik und Mechanik). 1921. Vol. 1. No. 4, pp. 233-252. DOI: 10.1002/zamm.19210010401

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024