Теплоотдача в поле центробежных сил для элементов газовых турбин
- Авторы: Зуев А.А.1, Арнгольд А.А.2, Ходенкова Э.В.1
-
Учреждения:
- Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
- АО «Красноярский машиностроительный завод»
- Выпуск: Том 21, № 3 (2020)
- Страницы: 364-376
- Раздел: Раздел 2. Авиационная и ракетно-космическая техника
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/562954
- DOI: https://doi.org/10.31772/2587-6066-2020-21-3-364-376
- ID: 562954
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Исследование теплоотдачи от продуктов сгорания (ПС) к рабочему колесу и корпусу газовых турбин жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является актуальной задачей.
Решение задачи течения с учетом теплообмена при вращательных течениях в проточных частях турбонасосных агрегатов (ТНА) ЖРД осуществляется следующими способами: численными методами, аналитическим подходом при решении уравнений динамического и температурного пограничных слоев, а также с использованием эмпирических зависимостей. Параметр температуры газообразных ПС и, как следствие, теплообмен между ПС и конструктивными элементами проточной части значительно влияет на рабочие и энергетические характеристики ТНА ЖРД.
При проектировании газовых турбин ЖРД необходимо учитывать наличие теплообменных процессов, распределение температур рабочего тела и температур конструктивных элементов в полостях ТНА ЖРД (так как энергетические потери и вязкость зависят от температур рабочего тела, а также определяют параметры течения). Распределение температур в конструктивных элементах определяют работоспособность и надежность агрегата.
В случае применения криогенных компонентов топлива в агрегатах подачи ТНА ЖРД, подогрев компонента приводит к реализации кавитационных режимов и падению рабочих и энергетических характеристик. С другой стороны, пониженная температура рабочего тела приводит к повышенной вязкости компонентов и снижению КПД агрегата (особенно при использовании гелеобразных компонентов).
При исследовании теплоотдачи в поле центробежных сил для элементов газовых турбин ЖРД необходимо получить совместное решение уравнений динамического и температурного пограничных слоев в граничных условиях проточных частей.
Предложена модель распределения динамического и температурного пограничных слоев с учетом конвективной составляющей (для случая газообразного рабочего тела, т. е. Pr < 1), необходимая для аналитического решения и определения коэффициента теплоотдачи в граничных условиях проточных полостей турбины ЖРД. Аналитически получено уравнение энергии для граничных условий температурного пограничного слоя, позволяющего вести интегрирование по поверхности любой формы, необходимое при определении толщин потери энергии. С учетом интегрального соотношения записан закон теплообмена турбулентного пограничного слоя для полостей вращения. Аналитическим путем получены уравнения для определения коэффициента теплоотдачи в виде критерия Стантона для прямолинейного равномерного и вращательных течений для случаев турбулентных режимов течения. Полученные аналитические уравнения для коэффициентов теплоотдачи хорошо согласуются с экспериментальными данными и зависимостями других авторов.
Об авторах
Александр Александрович Зуев
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Автор, ответственный за переписку.
Email: dla2011@inbox.ru
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Россия, г. Красноярск, 660037, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31Анна Анатольевна Арнгольд
АО «Красноярский машиностроительный завод»
Email: arngoldanna@mail.ru
начальник бюро спецсоединителей, приборов и пультов аппаратуры; АО «Красноярский машиностроительный завод»
Россия, 660123, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29Эльга Владимировна Ходенкова
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Email: dla2011@inbox.ru
старший преподаватель кафедры технического иностранного языка; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Россия, г. Красноярск, 660037, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31Список литературы
- Войткунский Я. И., Фаддеев Ю. И., Федяевский К. К. Гидромеханика. Л. : Судостроение, 1982. 456 с.
- Stoll J., Straub J. Film cooling and heat transfer in nozzles // J. Turbomach. 1988. No. 110. P. 57–64.
- Dellimore K. Modeling and Simulation of Mixing Layer Flows for Rocket Engine Film Cooling (Ph. D. thesis). University of Maryland at College Park, 2010.
- 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 // Numer. Heat. Transf. 1994. Part A 25. P. 237–258.
- Cruz C. Experimental and Numerical Characterization of Turbulent Slot Film Cooling (Ph.D. thesis). University of Maryland at College Park, 2008.
- Cruz C., Marshall A. Surface and gas measurements along a film cooled wall // J. Thermophys. Heat. Transf. 2007. No. 21. P. 181–189.
- Betti B., Martelli E. Heat flux evaluation in oxygen/ methane thrust chambers by RANS approach // Proceedings of the 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA. 2010. P. 2010–6721.
- Влияние центробежных массовых сил на теплоотдачу при обтекании потоком воздуха вогнутой поверхности с поперечными выступами / А. В. Ильинков, Р. Р. Габдрахманов, В. В. Такмовцев, А. В. Щукин // Вестник Московского авиационного ин-та. 2018. Т. 25, № 1. С. 39–48.
- Горелов Ю. Г., Строкач Е. А. Анализ закономерностей расчета коэффициента теплоотдачи от газа на входных кромках сопловых лопаток турбин высокого давления // Вестник Московского авиационного ин-та. 2016. Т. 23, № 1. С. 80–85.
- 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 ин-та. 2013. Т. 20, № 3. С. 95–103.
- Дрейцер Г. А., Исаев С. А., Лобанов И. Е. Расчет конвективного теплообмена в трубе с периодическими выступами // Вестник Московского авиационного ин-та. 2004. Т. 11, № 2. С. 28–35.
- Knuth E. L. The mechanism of film cooling, (Ph.D. thesis). California Institute of Technology. 1954.
- Rannie W. D. Heat transfer in turbulent shear flow // J. Aeronaut. Sci. 1956. No. 23. P. 485–489.
- Turcotte D. L. A sublayer theory for fluid injection into the incompressible turbulent boundary layer // J. Aeronaut. Sci. 1960. No. 27. P. 675–678.
- Stechman R. C., Oberstone J., Howell J. C. Design criteria for film cooling for small liquid-propellant rocket engines // J. Spacecr. Rocket. 1969. No. 6. P. 97–102.
- Bartz D. R. A simple equation for rapid estimation of rocket nozzle convective heat transfer coefficients, Jet. Propuls // ARS J. 1957. No. 27. P. 49–51.
- Shine S. R., Kumar S. S., Suresh B. N. A new generalised model for liquid film cooling in rocket combustion chambers // Int. J. Heat. Mass Transf. 2012. No. 55. P. 5065–5075.
- 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, Iss. 1. P. 38–49.
- 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 ин-та. 2015. Т. 22, № 3. С. 103–106.
- Кишкин А. А., Черненко Д. В., Черненко Е. В. Уравнение импульсов трехмерного пограничного слоя // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Техн. науки. 2007. № 4. С. 35–41.
- Романенко П. Н. Тепломассообмен и трение при градиентном течении жидкостей. М. : Энергия, 1971. 568 с.
- Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя М. : Наука, 1974. 712 с.
- Shine S. R., Shri S. Nidhi. Review on film cooling of liquid rocket engines // Propulsion and Power Research. 2018. Vol. 7, Iss. 1. P. 1–18.
- Кейс В. М. Конвективный тепло- и массообмен : пер. с англ. М. : Энергия, 1972. 448 с.
- Кишкин А. А., Зуев А. А., Леонов В. П. Локальная теплоотдача в граничных условиях турбомашин // Изв. вузов. Машиностроение. 2015. № 1 (658). С. 3–10.
- Прямолинейное равномерное течение газов с теплоотдачей в энергетических установках летательных аппаратов / М. И. Толстопятов, А. А. Зуев, А. А. Кишкин и др. // Вестник СибГАУ. 2012. № 4(44). С. 134–139.
- Течение с теплоотдачей в полостях вращения энергетических установок космических и летательных аппаратов / А. А. Зуев, А. А. Кишкин, Д. А. Жуйков, М. И. Толстопятов // Вестник СибГАУ. 2011. № 7(40). С. 63–68.
- Вращение жидкости над неподвижным основанием по закону твердого тела / А. А. Кишкин, А. А. Зуев, Е. В. Черненко, П. Н. Смирнов // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Техн. науки. 2011. № 1. С. 126–131.
- Chapman D. R. Kester R. H., Measurements of turbulent skin friction on cylinders in axial flow at subsonic and supersonic velocities // JAS. 1953. Vol. 20. P. 441–448.
- Owen J. M., Rogers R. H. Flow and heat transfer in rotating disc systems. Rotor-stator systems. Taunton: Research Studies Press, 1989. 302 p.
- Shevchuk I. V. Convective Heat and Mass Transfer in Rotating Disk Systems. Springer, 2009. 235 p.
- Дорфман Л. А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел. М. : Физматгиз, 1960. 260с.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)