Исследование влияния геометрических параметров циклонной системы охлаждения входной кромки лопатки газовой турбины на ее теплогидравлические характеристики

Авиационная и ракетно-космическая техника

2021. Т. 28. № 4. С. 232-244.

DOI: 10.34759/vst-2021-4-232-244

Авторы

Шевченко И. В.*, Соколов В. П.**, Рогалев А. Н.***, Вегера А. Н.****, Осипов С. К.*****

Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, Москва, 111250, Россия

*e-mail: ShevchenkoIV@mpei.ru
**e-mail: vl.sokolov2013@mail.ru
***e-mail: RogalevAN@mpei.ru
****e-mail: VegeraAN@mpei.ru
*****e-mail: OsipovSK@mpei.ru

Аннотация

Циклонные системы для охлаждения входной кромки являются эффективным способом интенсификации теплообмена, обеспечивающим низкие потери давления в каналах охлаждения, минимально возможный расход охладителя. Проведены исследования тепловых и гидравлических характеристик закрытого циклона в обеспечение создания сопловой лопатки высокотемпературной турбины с конвективным охлаждением входной кромки. Диаметр подводящих отверстий изменялся в диапазоне от 1 до 2 мм, диаметр отводящих отверстий — от 2 до 3 мм, диаметр циклонной камеры равнялся 6,2 мм. Показано, что увеличение площади подводящих и отводящих отверстий в циклонную камеру изменяет профиль распределения коэффициентов теплоотдачи. Были рассчитаны локальные коэффициенты теплоотдачи и построены критериальные уравнения зависимости числа Нуссельта в циклонных камерах от их геометрических и режимных параметров.

Ключевые слова:

газовая турбина, охлаждаемые лопатки, входная кромка пера лопатки, циклонное охлаждение, теплогидравлические процессы

Библиографический список

  1. Филинов Е.П., Кузьмичёв В.С., Ткаченко А.Ю., Остапюк Я. А. Определение потребного расхода воздуха на охлаждение турбин на этапе концептуального проектирования газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 1. С. 61-73. DOI: 10.34759/vst-2021-1-61-73
  2. Kovalenko G.V., Terekhov V.I., Khalatov A.A. Flow regimes in a single dimple on the channel surface // Applied mechanics and technical physics. 2010. Vol. 51. No. 6, pp. 839-848. DOI: 1007/s10808-010-0105-z
  3. Kiknadze G.I., Gachechiladze I.A., Barnaveli T.T. The Mechanisms of the Phenomenon of Tornado-Like Jets Self-Organization in the Flow Along the Dimples on the Initially Flat Surface // ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress and Exposition (9–15 November 2012; Houston, Texas, USA). 7, pp. 3017-3026. DOI: 10.1115/IMECE2012-93581
  4. Ремчуков С.С., Ярославцев Н.Л., Лепешкин А.Р. Автоматизированное проектирование и расчет системы охлаждения передней полости лопатки турбины газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 4. С. 147-158. DOI: 10.34759/vst-2020-4-147-158
  5. Kreith F., Margolis D. Heat transfer and friction in turbulent vortex flow // Applied Scientific Research, Section A. Vol. 8, pp. 457-473. DOI: 10.1007/BF00411769
  6. Glezer B., Lin T., Moon H. Turbine cooling system. Patent US5603606A, 18.02.1997.
  7. Glezer B., Moon H., Kerrebrock J., Bons J., Guenette G. Heat transfer in a rotating radial channel with swirling internal flow // International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition (2-5 June 1998; Stockholm, Sweden). DOI: 10.1115/98-GT-214
  8. Ligrani P.M., Hedlund C.R., Thambu R., Babinchak B.T., Moon H., Glezer B. Flow phenomena in swirl chambers // International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition (2-5 June 1997; Orlando, Florida, USA). DOI: 1115/97-GT-530
  9. Hedlund C.R., Ligrani P.M. Local swirl chamber heat transfer and flow structure at different Reynolds numbers // Journal of Turbomachinery. 2000. Vol. 122. No. 2, pp. 375–385. DOI: 10.1115/1.555458
  10. Ligrani P.M., Oliveira M.M., Blaskovich T. Comparison of heat transfer augmentation techniques // AIAA Journal. 2003. Vol. 41. No. 3, pp. 337–362. DOI: 2514/2.1964
  11. Ling J.P.C.W., Ireland P.T., Harvey N.W. Measurement of heat transfer coefficient distributions and flow field in a model of a turbine blade cooling passage with tangential injection // ASME Turbo Expo 2006: Power for Land, Sea, and Air (8–11 May 2006; Barcelona, Spain). 3, pp. 325-340. DOI: 10.1115/GT2006-90352
  12. Biegger C., Sotgiu C., Weigand B. Numerical investigation of flow and heat transfer in a swirl tube // International Journal of Thermal Sciences. 2015. Vol. 96, pp. 319-330. DOI: 1016/j.ijthermalsci.2014.12.001
  13. Дрозденко В.Н., Гойхенберг М.М., Зубарев Г.И. и др. Охлаждаемая лопатка турбомашины (варианты). Патент RU 2247838 C Бюл. № 7, 10.03.2005.
  14. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. — Киев: Наукова думка, 1989. — 198 с.
  15. Халатов А.А., Варганов И.С. Охлаждаемая лопатка соплового аппарата. Патент Украины 58309 U1, 2003.
  16. Khalatov A., Syred N., Bowen P., Al-Ajmi R. Quasi Two-Dimensional Cyclone-Jet Cooling Configuration: Evaluation of Heat Transfer and Pressure Losses // ASME Turbo Expo 2001: Power for Land, Sea, and Air (4–7 June 2001; New Orleans, Louisiana, USA). DOI: 1115/2001-GT-0182
  17. Fan X., Li L., Zou J., Wang J., Wu F. Local heat transfer of vortex cooling with multiple tangential nozzles in a gas turbine blade leading edge cooling passage // 17. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. Vol. 126. Part B, pp. 377–389. DOI: 1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.018
  18. Fan X., Li L., Zou J., Zhou Y. Cooling methods for gas turbine blade leading edge: Comparative study on impingement cooling, vortex cooling and double vortex cooling // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 100, pp. 133–145. DOI: 1016/j.icheatmasstransfer.2018.12.017
  19. Thambu R., Babinchak B., Ligrani P., Hedlund C.R., Moon H.-K., Glezer B. Flow in a Simple Swirl Chamber with and Without Controlled Inlet Forcing // Experiments in Fluids. 1999. Vol. 26. No. 4, pp. 347–357.
  20. Liu Z., Li J., Feng Z. Numerical Study of Swirl Cooling in a Turbine Blade Leading-Edge Model // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2015. Vol. 29. No. 1, pp. 166–178. DOI: 10.2514/1.T4362
  21. Lin G., Kusterer K., Bohn D., Sugimoto T., Tanaka R., Kazari M. Investigation on heat transfer enhancement and pressure loss of double swirl chambers cooling // Propulsion and Power Research. 2013. Vol. 2. No. 3, pp. 177-187. DOI:1016/j.jppr.2013.07.003
  22. Fawzy H., Zheng Q., Ahmad N. Effect of Slot Area Ratio and Slot Angle on Swirl Cooling in a Gas Turbine Blade Leading Edge // Journal of Aerospace Engineering. 2020. Vol. 33. No. 5. DOI: 1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001161

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024