Экспериментальное исследование теплообмена в щелевых каналах охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей с модифицированными штырьковыми интенсификаторами теплоотдачи

Авторы

Шевченко И. В.^*, Рогалев А. Н.^**, Рогалев Н. Д.^***, Комаров И. И.^****, Брызгунов П. А.^*****

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

*e-mail: ShevchenkoIV@mpei.ru
**e-mail: RogalevAN@mpei.ru
***e-mail: RogalevND@mpei.ru
****e-mail: KomarovII@mpei.ru
*****e-mail: BryzgunovPA@mpei.ru

Аннотация

Разработаны теплогидравлические модели щелевых каналов со штырьковыми и штырьково-луночными интенсификаторами теплообмена для применения в охлаждении лопаток газотурбинных двигателей. Для различных моделей со штырьками в лунках, модели со штырьками в канавках и для базовой модели со штырьками были проведены исследования теплообмена и получены расходные характеристики. По результатам экспериментальных исследований, максимальную пропускную способность и наибольшее среднее по длине число Нуссельта имеет канал со штырьками в поперечных канавках.

Ключевые слова:

интенсификация теплообмена в лопатках газотурбинных двигателей, штырьково- луночные интенсификаторы теплообмена, штырьковые интенсификаторы теплообмена, метод калориметрирования в жидкометаллическом термостате

Библиографический список

1. Орлов М.Ю., Орлова Е.В. Использование статистических данных по камерам сгорания для создания цифровых двойников газотурбинных двигателей // Вестник РГАТА имени П.А. Соловьева. 2022. № 4(63). С. 45–50.

2. Spangler B.W. Partial cavity baffles for airfoils in gas turbine engines. Patent US9982543B2, 29.05.2015.

3. Barker B. Coolant transfer system and method for a dual-wall airfoil. Patent US11598215B1, 07.03.2021.

4. Webster Z.D., Osgood D.E., Gallier K.D. Component with cooling passage for a turbine engine. Patent US11512599B1, 29.11.2021.

5. Бадамшин И.Х., Киреев А.В. Снижение массы рабочей лопатки первой ступени турбины за счет изменения ее схемы охлаждения // Вестник УГАТУ. 2020. № 1(87). С. 32–38.

6. Викулин А.В., Ярославцев Н.Л., Чеснова В.А. Разработка конструктивной схемы охлаждения сопловой лопатки турбины высокого давления ГТД // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2016. № 1. С. 54–58

7. Lee Ch.-P., Bunker R.S. Thermal shield turbine airfoil. Patent US7011502B2, 14.03.2006.

8. Шевченко И.В., Рогалев Н.Д., Рогалев А.Н. и др. Охлаж даемая лопатка соплового аппарата газовой турбины. Патент RU 2663966 C1. Бюл. № 23, 13.08.2018.

9. 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: Power for Land, Sea, and Air (4–7 June 2001; New Orleans, Louisiana, USA). DOI: 10.1115/2001-GT-0182

10. Lin G., Kusterer K., Ayed A.H. et al. Numerical investigation on heat transfer in an advanced new leading edge impingement cooling configuration // Propulsion and Power Research. 2015. Vol. 4. No. 4, pp. 179-189. DOI: 10.1016/j.jppr.2015.10.003

11. Thambu R., Babinchak B.T., Ligrani P.M., Moon H.K., Glezer B. Flow in a simple swirl chamber with and without controlled inlet forcing // Experiments in Fluids. 1999. Vol. 26, pp. 347–357. DOI: 10.1007/s003480050298

12. Glezer B., Moon H.K, Kerrebrock J. et al. Heat transfer in rotating radial channel with swirling internal flow // ASME 1998 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition (2–5 June 1998; Stockholm, Sweden). Vol. 98, pp. 214-221. DOI: 10.1115/98-GT-214

13. Liu Z., Feng Z. Numerical simulation on the effect of jet nozzle position on impingement cooling of gas turbine blade leading edge // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2011. Vol. 54. No. 23-24, pp. 4949-4959. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.07.008

14. Han J.C., Dutta S., Ekkad S. Gas turbine heat transfer and cooling technology. – CRC Press, 2012. – 871 p. DOI: 10.1201/b13616

15. Han J.C., Park J.S. Developing heat transfer in rectangular channels with rib turbulators // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1988. Vol. 31. No. 1, pp. 183-195. DOI: 10.1016/0017-9310(88)90235-9

16. Han J.C., Ou S., Park J.S., Lei C.K. Augmented heat transfer in rectangular channels of narrow aspect ratios with rib turbulators // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1989. Vol. 32. No. 9, pp. 1619-1630.

17. Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Теплофизика и теплотехника перспективных интенсификаторов теплообмена (обзор) // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2011. № 1. С. 7–31.

18. Киндра В.О., Осипов С.К., Егоров А.А. и др. Исследование и разработка штырьково-луночного интенсификатора теплоотдачи для высокоэффективных теплообменных устройств // Новое в российской электроэнергетике. 2017. № 9. С. 76–89.

19. Kindra V., Osipov S., Kharlamova D., Shevchenko I. An experimental and numerical study of flow and heat transfer in cooling channels with pin fin-dimple and pin fin-groove arrays // 13th European Conference on Turbomachinery Fluid dynamics & Thermodynamics (ETC13, 8-12 April 2019; Lausanne, Switzerland). DOI:10.29008/ETC2019-155

20. Киндра В.О., Осипов С.К., Лисин Е.М., Егоров А.А. Развитая теплообменная поверхность. Патент RU 2 642 936 C1. Бюл. № 4, 29.01.2018.

21. Singh P., Pandit J., Ekkad S.V. Characterization of heat transfer enhancement and frictional losses in a two-pass square duct featuring unique combinations of rib turbulators and cylindrical dimples // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 106, pp. 629-647. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.037

22. 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

23. Метзгер Б.Б. Развитие процессов теплообмена в каналах прямоугольного сечения с шахматным расположением коротких стержневых ребер // Теплопередача. 1982. № 4. С. 115–123.