Теплоотдача в поле центробежных сил для элементов газовых турбин

Автор: Зуев А.А., Арнгольд А.А., Ходенкова Э.В.

Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau

Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника

Статья в выпуске: 3 т.21, 2020 года.

Бесплатный доступ

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 function show_eabstract() { $('#eabstract1').hide(); $('#eabstract2').show(); $('#eabstract_expand').hide(); }

Еще

Коэффициент теплоотдачи, температурный пограничный слой, турбонасосный агрегат, энергетические параметры, турбина

Короткий адрес: https://sciup.org/148321985

IDR: 148321985   |   DOI: 10.31772/2587-6066-2020-21-3-364-376

Список литературы Теплоотдача в поле центробежных сил для элементов газовых турбин

  • Voiskunski J. I., Faddeev, Y. I., Fedyaevsky K. K. Gidromekhanika [Hydromechanics]. Leningrad, Sudos-troenie Publ., 1982, 456 p.
  • 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.
  • Ilinkov A. V., Gabdrakhmanov R. R., Takmovtsev V. V., Shchukin A. V. [Effect of centrifugal mass forces on heat transfer during air flow around a concave surface with transverse protrusions]. VestnikMoskovskogo aviat-sionnogo institute. 2018, Vol. 25, No. 1, P. 39-48 (In Russ.).
  • Gorelov Yu. G., Strokach E. A. [Analysis of regularities of calculation of the heat transfer coefficient from gas at the inlet edges of the nozzle blades of high-pressure turbines]. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo institute. 2016, Vol. 23, No 1, P. 80-85 (In Russ.).
  • Shcherbakov M. A., Vorobyev D. A., Maslakov S. A., Ravikovich Yu. A. [Determination of the heat transfer coefficient on the turbine blade at off-design operating conditions]. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo institute. 2013, Vol. 20, No 3, P. 95-103 (In Russ.).
  • Dreytser G. A., Isayev S. A., Lobanov I. E. [Calculation of convective heat transfer in a pipe with periodic projections]. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo institute. 2004, Vol. 11, No. 2, P. 28-35 (In Russ.).
  • 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.
  • Grigoryev V. A., Zagrebelnyy A. O., Kuznetsov S. P. [On the estimation of the mass of the power plant in the problem of optimization of the working process parameters of the aircraft turboprop engine]. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo institute. 2015. Vol. 22, No 3. P. 103-106 (In Russ.).
  • Kishkin A. A., Chernenko D. V., Chernenko E. V. [The equation of impulses of a three-dimensional boundary layer]. Izv. vuzov. Tekhnicheskiye nauki. 2007, No. 4, P. 35-41 (In Russ.).
  • Romanenko P. N. Teplomassoobmen i treniye pri gradiyentnom techenii zhidkostey [Heat and mass transfer and friction at gradient flow of liquids]. Moscow, Energy Publ., 1971, 568 p.
  • Shlikhting G. Teoriya pogranichnogo sloya [The theory of the boundary layer]. Moscow, Nauka Publ., 1974, 712 p.
  • Shine S. R., Shri S. Nidhi. Review on film cooling of liquid rocket engines. Propulsion and Power Research. 2018, No. 7, Iss. 1, P. 1-18.
  • Keys V. M. Konvektivnyy teplo- i massoobmen [Convective heat and mass transfer]. Moscow, Energy Publ., 1972, 448 p.
  • Kishkin A. A., Zuev A. A., Leonov V. P. [Local heat transfer in the boundary conditions of turbomachines]. Izv. vuzov. Mashinostroyeniye. 2015, No (658), P. 3-10 (In Russ.).
  • Tolstopyatov M. I., Zuev A. A., Kishkin A. A., Zhuikov D. A., Nazarov V. P. [Straight-line uniform flow of gases with heat transfer in power plants of aircraft]. VestnikSibGAU. 2012, No. 4(44), P. 134-139 (In Russ.).
  • Kishkin A. A., Zhuykov D. A., Tolstopyatov M. I. [Flow with heat transfer in the cavities of rotation of power plants of space and aircraft]. Vestnik SibGAU. 2011, No. 7(40), P. 63-68 (In Russ.).
  • Kishkin A. A., Zuev A. A., Chernenko E. V., Smirnov P. N. [The rotation of the liquid over a fixed base according to the law of a solid]. Izv. vuzov. Tekhnicheskiye nauki. 2011, No. 1, P. 126-131 (In Russ.).
  • 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.
  • Dorfman L. A. Gidrodinamicheskoye soprotiv-leniye i teplootdacha vrashchayushchikhsya tel [Hydro-dynamic resistance and heat transfer of rotating bodies]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1960, 260 p.
Еще
Статья научная