Исследование теплоотдачи в кольцевой вращающейся полости с радиальной прокачкой охлаждающегося воздуха




«й

Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР

КАЗАНСКИМ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени А. Н. ТУПОЛЕВА





                ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ

                ОХЛАЖДАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ
                ВЫСОНОТТМЕКРАТУРНЫХ ГТ





Межвузовский сборник

КАЗАНЬ I9M

6

УДК 621.438









Тепловое состояние охлаждаемых деталей высокотемпературных ГТД Межвузовский сборник*—Казань: КАИ, 19Ь4- —152 с,




     Сборник вклюнцгт результаты вкспериментальных и теоретических исследований по пробле= мв и1шг|И1нчк monnuaiHi пысок<>1смпсрнтурных охлаждаемых турбин газотурбинных двигателей. Ра» биты нмнодмемы и Кпиписком, Куйбышевском. Уфимском авиационных институтах, в Пермском тин *«нн>нм ком ии< «шуге, п Каванском филиале Московского энергетического института, Я Им'вкпом м₽«ним-к. к< м иис1иг\ тл, в Сгчпинском филиале Московского авиационного техноло-гач««ж<>го MwoiMiyrn, С< вн« тополмк'ом приборостроительном институте, а также в творческом «одружяотв* купив и предприятий.
     11рив>»я««'< 4 р*ауА1«тйГМ м< < ледовАИПЙ по эффективности охлаждения, температурные поля& • reiMoof днч« и ок ми*дигмы« дгчплмм |урбнн высокотемпературных Г г Д, тепловому состоянию опор ГТД •« прмммкнмниим и втим проблемам а»,гуальпым вопросам газодинамики охлаждаемых Турбин ГТД.
     Сбприи» пред и 1 ■на чей для ипучны» работников, аспирин гоп, инженеров. занимающихся ас-•дядоввиигм. расчетами и нромк । ироминигм высоко гемпсрат урных охлаждаемых турбин, я может быть полвввн < гудинтвм CTiipnint кур'Oil.
   Твбл.—7. Ил. Об. Пиблшир. 1.11 маяв.






    Рецензент проф. 10. М. Данилов






Редакционная коллегия:


докт. техн, наук, профессор В. И. Локай (Казанский авиационный инсти* тут) — отв. редактор; канд. техн, наук, доцент В. А Трушин (Уфимский авиационный институт) — зам, отв. редактора; канд. техн, наук, доцент М. Н. Бодунов (Казанский авиационный институт) — отв. секретарь; докт. техн, наук, профессор И. Н. Дятлов (Казанский авиационный институт)- докт. техн наук, профессор М. К. Максутова (Казанский авиационный институт) ; докт. техн, наук, профессор А. С. Наталевич (Куйбышевский авиационный институт)} канд. техн, наук, доцент Г. М. Ключников (Ижевский механический институт)














            (С) Казанский ордена Трудового Красного Знамени и ордена Дружбы народов авиационный институт имени А, Н. Туполева, 1984.
                                            V      “

    Таким образом, при отклонении шага решетки от опта мольного в большую и меньшую сторону влияние параметр ра Км на теплоотдачу может быть несколько иным, чем в решетке с оптимальным шагом, Исследования, выполнен’ ные в [Г] и в настоящей работе, не позволили получить обобщающих зависимостей для учета влияния шага на поправ ку ем . До получения таких зависимостей при небольшой отклонении шага от оптимального (не более ± 10%) можн? пользоваться обобщающими формулами, полученными в работе [Г|.

                     Библиографический список


     1. Бодунов М. Щ Иван ьш ин Ю. IL, Л о кай В. И. Влияние сверхкритических перепадов давления на теплоотдачу , в сопловых турбин! пых решетках.—Изв. вузов. Авиационная техника, 1983, № 1, с. 70—74. 1
     Максутова М. ’ К., 'Кумиров Б. А., А гаче в Р. С. Эксперин ментальное исследование аэродинамики высокоперепадных ступеней газсй вых турбин с заградительным охлаждением. — В кил Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов, Казань! КАИ, 1979, с. 59-63. *
     3.    Л ок а й В» И., П о д г орн о в В. А., Г у н ч е н к о Э. И., И в а и и шин Ю. Н. Метод исследования теплоотдачи в телах сложной формы,—4 Казань, 1975.—29 с. Рукопись деп. в ВИМИ 22 июля 1975, № ВМ. Д01780
     4.    Бодунов М. Н., Иваньшин IO. Н,, Ша к ирьи нов И. Экспериментальное исследование теплоотдачи в решетке сопловых лопаток турбины при сверхзвуковых скоростях течения газа!—В кн.: Высокое температурные охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Казань: КАИ, 1980, с. 33—35.
     5.    Болгарский А. В., Мухачев Г. А., Щукин В. К. . Тер4 модинамика й теплопередача,—М.: Высшая школа, 1975.—495 с.          *



 УДК 621,438:536.24


ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ В КОЛЬЦЕВОЙ
ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПОЛОСТИ С РАДИАЛЬНОЙ ПРОКАЧКОЙ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА


Н. Н. САЛОВ


   В статье излагаются результаты экспериментов, являющихся продолжением работ [1,2| по определению средних значений коэффициентов теплоотдачи на цилиндрической поверхности внутри кольцевой вращающейся полости. Схема исследуемой полости показана на рис. 1. Воздух поступал в полость по каналам, просверленным в валу ротора, и уходил из полости через отверстия в боковом диске, Общая площадь сечений отверстий для подачи охлаждающего воздуха равна площади сечений отверстий для выхода воздуха, вх
г- -------—1- Методика проведения опытов дана в рабо-|
       о вых


гах |1,2]. Опыты проведены при частоте вращения полости от 52,3 до 314,16 С”‘, плотности теплового потока от 2-10* до 2,1 -10⁴ Вт/м² и расходе воздуха через полость от 2,5-10“’ до 2-10~² кг/с. Исследовалось влияние на теплоотдачу смешанной конвекции и вращения при радиальной схеме прокяч ки охлаждающего воздуха.
   Результаты исследований обобщены зависимостью


Nu /(Re, Qr^., Grp.


   За определяющую температуру принята средняя температура воздуха на выходе из полости. За определяющий размер—ширина ""полости. Структура’ чисел подобия принята и соответствии с работой [2|.

Рис. 2. Теплоотдача в неподвижной полости:
/ — Re ™ 6000; 2 - Re « 5000; J — Res® 4000;
4 — Re 3000; 5 — Ре 2000; б — Re ■«* 1000

Рис. 1. Схема исследованной полости:

/ -- обод; J-* боковые диски; ‘3 — отверстия для выхода воздуха (Зшт., 0 И,54 мм);
4 — вал; 5 — отверстия для входа воздуха (4 шт., 0 Ю мм); 6 — электронагреватель


   На рис. 2 в логарифмических координатах представлены результаты опытов, полученных на неподвижной кольцевой полости с радиальной схемой течения охлаждающего воздуха. Экспериментальные точки, полученные при определяющей температуре 120, 140, 150, 160, 180, 200, 210 и 220 °C, располагаются достаточно близко к прямым, где число Рейнольдса постоянно. Как видно из рис. 2, в диапазоне чисел 1000 < Re <3000 теплоотдача определяется смешанной конвекцией, С увеличением скорости прокачки охлаждающего, воздуха при Re > 3000 теплоотдача в полости определяется только вынужденной конвекцией.
   Расчет теплоотдачи в кольцевой неподвижной полости с радиальной схемой течения воздуха можно произвести по обобщающим зависимостям


Nu = 0,007 Re^Gr^

(I)

58

  при 1000 < Re < 3000; 1,7- 10« < Gi„ < 3 1 ■ 10е


                               Nu » 0,31 Re⁰,⁸ при 3000 < Re < 6000.

щейся полостью Gr„ — (1,82

Диапазон изменения чисел Грасгофа в опытах с вращаю^ щейся полостью Qrₛ ■» (1,82 ... 5,75) 10е; Gt; — (1 ... 89) Ю⁸. Чиа ла Рейнольдса изменялись от 1000 до 6000. Результаты опы* тов, полученные для всего диапазона частот вращения при различных расходах воздуха и плотностей теплового потока в логарифмических координатах представлены на рис. 31 В диапазоне чисел Qr> — (1 ... 9,55)10% что соответствует ча-стоте вращения полости « = 52,3... 104,7 с~*, теплоотдача определяется смешанной конвекцией во всем диапазоне исследованных чисел Рейнольдса. Влияние вынужденного течения оценивается числом Re в первой степени. Вращение существенно изменяет характер тепловой конвекции.. Тепловая конвекция при вращении оказывает на теплоотдачу консервативное воздействие, т. е. увеличение числа Qrg при постоянном числе Re приводит, как видно из рис. 3, к уменьшению чисел Nu. Влияние тепловой ^конвекции может быть __ ,                frrm Qₑt)S 7
 учтено множителем Ur*

                1‘ИС. 3. Теплоотдача во вращающейся полости:

   • ~™~.wa<5 с- к х„м_₁М₇             1

                                        ’           15/ с , д — ₒᵥₜ-, 209

1 - Re ~ «ООО; 2 - кЛт’Т’Т ~ ~’³¹⁴'¹⁶ «=“ %
                            4 г<е«.юоо;                ,₅_. Rₑ ₘ₂W₀. ₆ .., ₜ „

   Частдты вращения, соответствующие « < 157 С“‘, явля ются, как показали опыты, областью неустановившегося влия ния массовых сил на теплоотдачу в полости, поэтому опре

телить закономерность их влияния на теплообмен не удалось. Расчет теплоотдачи в кольцевой вращающейся полости с ра-ниальной схемой прокачки охлаждающего воздуха при
"><■'157 с*¹ может быть выполнен по зависимости


                    Nu = 7,8-10² Re-Gr^ ⁰,⁰,⁵

(3)

   при 10³<Re<6-10³; 1,82-10® < Gr_ < 5,75-10⁶; 10® < Gr, < <9,55.10®.
   Дальнейшее увеличение частоты вращения приводит к подавлению тепловой конвекции, влияние которой заметно только при малых числах Рейнольдса. При Re > 2000 теплообмен определяется вынужденной конвекцией. В области частот вращения «>157 с⁻¹ влияние массовых сил во всем диапазоне исследованных чисел Рейнольдса может быть оценено множителем Gr/ , что совпадает с результатами исследований в работе |2]. Расчет теплоотдачи может быть произведен по зависимостям
Nu = 1,5- 10» Re⁰,⁸ • Gr7⁰,⁵- Gr⁰,⁰⁶    (4)


при 7,6-10» < Gr,- < 5,6-10»; 1,7-10⁶ < Gr„ < 3,610% Re = 1000; та
N?= 0,071 Re⁰,⁸-Or?⁰⁵                      (5)

при 8,9- IO⁶ < Qtj < 8.9-10»; 1000 < Re < 6000.

   Сравнение теплоотдачи, полученной в опытах без вращения. с результатами во вращающейся полости показало, что теплоотдача в неподвижной полости выше. В области, определяемой только вынужденной конвекцией, превышение теплоотдачи может составить 38—48 %, в области смешанной конвекции от 10 до 90 %. Еще большие отклонения получены для области неустановившегося влияния массовых сил.
   Из сказанного можно сделать следующие выводы.
   I.   Влияние тепловой конвекции на теплоотдачу во вращающейся и неподвижной кольцевой полости с радиальной прокачкой охлаждающего воздуха различно. При отсутствии вращения тепловая конвекция оказывает на теплоотдачу активное влияние. Вращение приводит к изменению влияния тепловой конвекции, которое становится консервативным. Этим можно объяснить существенное отличие коэффициентов теплоотдачи, полученных во вращающейся и неподвижной полости в области смешанной конвекции.
   2.   Тепловая конвекция на теплоотдачу при отсутствии вращения оказывает активное влияние до Re < 3000, при Re > 3000 теплоотдача в неподвижной полости определяется только вынужденной конвекцией.
   3.   Вращение приводит к подавлению тепловой конвекции, влияние которой необходимо учитывать при Re < 1000

60

и в области неустановившегося влияния массовых сил. При Re > 1000 теплообмен во вращающейся полости определяется вынужденной конвекцией и массовыми силами,
   4.   Влияние массовых сил при вращении может быть уч-о,оов
тено множителем иг/ .


Библиографический список

    1.   Бодун ов Но, Салов Н. Н, Исследование теплообмена в слабо вентилируемых кольцевых вращающихся полостях роторов газо* вых турбиНэ—В кнл Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов, Казань: КАИ» 1977» вып. 2.
    2,   Салов И, Н. Исследование теплоотдачи в кольцевой вращающей ся полости с петлевой прокачкой охлаждающего воздуха,—В кн.: Высоко’ температурные охлаждаемые газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Казаны КАИ, 1983.
Поступила в редколлегию
21 октября 1982 г,



УДК 621,438:636.24


К ИССЛЕДОВАНИЮ ТЕПЛООТДАЧИ НА РАБОЧИХ ЛОПАТКАХ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ СКОРОСТЯХ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА

Р. Д. ФАХРУТДИНОВ, Ю. А. АБРОСИМОВ,
Б. В, ВИЛКОВ

   Использование в ГТД высокоперепадных турбин приводит к сверхзвуковым скоростям течения газа в проточной части. Последние наблюдаются не только на выходе из соплового аппарата, но и на рабочих лопаточных венцах (Мда>1). В этих условиях закономерности теплоотдачи от газа к рабочим лопаткам и методики учета влияния сверхкритических перепадов давления на теплоотдачу требуют уточнений {1]. Литературные данные о влиянии повышенных скоростей на теплоотдачу в турбинных ступенях получены на неподвижных лопаточных решетках и немногочисленны.
   Для исследования теплоотдачи на рабочих лопатках при повышенных скоростях течения в условиях вращения создана высокоперепадная осевая воздушная турбина. Краткое описание и общий вид турбины приведены в [2]. Турбина позволяет проводить исследования при сверхзвуковых скоростях как на входе в рабочее колесо (активная ступень, рст ~0), так и на выходе из рабочего колеса (реактивная ступень, p₍.ₜ « 0,5). Схема проточной части турбины первого типа представлена ив рис. 1. Основные параметры ступени: давление торможе пин перед сопловым аппаратом 5-10е Па, статическое давле

(1?