RU2701661C1 - Cooled turbine blade element - Google Patents
Cooled turbine blade element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2701661C1 RU2701661C1 RU2018147339A RU2018147339A RU2701661C1 RU 2701661 C1 RU2701661 C1 RU 2701661C1 RU 2018147339 A RU2018147339 A RU 2018147339A RU 2018147339 A RU2018147339 A RU 2018147339A RU 2701661 C1 RU2701661 C1 RU 2701661C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- channels
- cooling air
- input
- output channels
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к газотурбостроению, а конкретно к лопаткам турбин и может быть применено в авиадвигателестроении и энергетическом машиностроении.The invention relates to gas turbine construction, and in particular to turbine blades and can be applied in aircraft engine building and power engineering.
Известно, что современные авиационные газовые турбины могут работать при температурах, достигающих 1950 К. Как показано в монографии «Авиационный двигатель ПС-90А» / А.А. Иноземцев, Е.А. Коняев, В.В. Медведев, А.В. Нерадько, А.Е. Ряссов; под ред. А.А. Иноземцева. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 320 с, максимальные температурные напряжения возникают на входных кромках и на наружных полках сопловых лопаток и бандажных полках рабочих лопаток, что может привести к возникновению прогаров и выходу их из строя. Поэтому совершенствование системы охлаждения наиболее нагретых элементов лопаток турбин является актуальной проблемой.It is known that modern aviation gas turbines can operate at temperatures reaching 1950 K. As shown in the monograph “Aircraft Engine PS-90A” / A.A. Inozemtsev, E.A. Konyaev, V.V. Medvedev, A.V. Neradko, A.E. Ryassov; under the editorship of A.A. Inozemtseva. - M .: FIZMATLIT, 2007. - 320 s, the maximum temperature stresses occur at the inlet edges and on the outer shelves of the nozzle blades and the retaining shelves of the working blades, which can lead to burnouts and their failure. Therefore, improving the cooling system of the most heated elements of turbine blades is an urgent problem.
Возможным решением данной проблемы является использование интенсификаторов теплообмена различного типа, например, сферических выемок отрывного типа (далее по тексту - сферические выемки), у которых их относительная глубина h/d>0,2, где h - максимальная глубина выемки, а d - гидравлический диаметр выемки в плане, величина которого определяется по формуле d=4F/П, где F - площадь выемки в плане, а П - ее периметр. При обтекании потоком теплоносителя теплообменной поверхности со сферическими выемками в них возникают самоорганизующиеся крупномасштабные вихревые структуры, интенсифицирующие процесс теплообмена (см. монографию «Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов» / А.В. Щукин, А.П. Козлов, Р.С. Агачев, Я.П.A possible solution to this problem is the use of heat transfer intensifiers of various types, for example, tear-off spherical recesses (hereinafter referred to as spherical recesses), in which their relative depth is h / d> 0.2, where h is the maximum depth of the recess, and d is the hydraulic the diameter of the recess in the plan, the value of which is determined by the formula d = 4F / P, where F is the area of the recess in the plan, and P is its perimeter. When a heat-transfer surface flows around a heat-transfer surface with spherical recesses, self-organizing large-scale vortex structures appear in them, intensifying the heat transfer process (see the monograph “Intensification of heat transfer by spherical recesses under the influence of perturbing factors” / A. V. Schukin, A. P. Kozlov, R. S. Agachev, Y.P.
Чудновский; под ред. акад. В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2003. - 143 с).Chudnovsky; under the editorship of Acad. V.E. Alemasova. Kazan: Kazan Publishing House, state tech. University, 2003 .-- 143 s).
Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины (см. Патент РФ №2388915, МПК F01D5/18, опубл. 10.05.2010, Бюл. №13), у которой на внутренней стенке пера лопатки со стороны ее выпуклой и вогнутой внешней поверхностей выполнены углубления в виде сферических выемок, что, по мнению авторов этого патента, позволяет отказаться от дефлектора при внутреннем воздушном конвективном охлаждении лопаток и существенно упростить процесс их изготовления.Known cooled blade of a gas turbine (see RF Patent No. 2388915, IPC F01D5 / 18, publ. 05/10/2010, Bull. No. 13), in which on the inner wall of the feather of the blade from the side of its convex and concave outer surfaces are made recesses in the form of spherical recesses, which, according to the authors of this patent, allows you to abandon the deflector for internal air convective cooling of the blades and significantly simplify the process of their manufacture.
Однако в данной конструкции лопатки не предусмотрено использование интенсификаторов теплообмена в виде сферических выемок на внутренней стенке пера лопатки в зоне входной кромки - наиболее нагретого элемента газовой турбины, где возникают максимальные температурные напряжения, которые могут привести к прогару и выходу лопаток из строя.However, this design of the blade does not provide for the use of heat transfer intensifiers in the form of spherical recesses on the inner wall of the blade feather in the area of the inlet edge, the most heated element of the gas turbine, where maximum temperature stresses arise that can lead to burnout and failure of the blades.
Современным способом повышения эффективности охлаждения входных кромок лопаток турбин является их циклонное охлаждение.A modern way to increase the cooling efficiency of the inlet edges of turbine blades is to cyclone them.
Известны обобщенные данные по циклонному охлаждению (см. монографию «Теплообмен и гидродинамика при циклонном охлаждении лопаток газовых турбин» / Халатов А.А., Романов В.В., Борисов И.И., Дашевский Ю.Я., Северин С.Д. / Институт технической теплофизики FLAH Украины. - Киев. - 2010. - 317 с), где приведено большое количество схем циклонного охлаждения входных кромок турбинных лопаток. В этой монографии однозначно показано, что циклонный процесс закрутки рабочего тела может возникать только в пустотелом цилиндре (см. в указанной монографии рис. 2.1, 2.6, 2.8, 2.13, 2.23, 2.31 и др.), в котором организуется центральный смерчеобразный вихрь при подводе в него охлаждающего воздуха через тангенциальные каналы, выполненные в теле лопатки. Возникновение циклонного процесса способствует существенному увеличению окружной скорости в радиальном цилиндрическом канале, выполненном во входной кромке лопатки, что позволяет повысить эффективность ее охлаждения. Результаты детальных физических исследований в приведенной выше монографии Халатова А.А. и др. однозначно показывают, что циклонное охлаждение может увеличить теплообмен в цилиндрическом канале в 3…4,9 раза по сравнению с осевым незакрученным потоком при сопутствующем увеличении гидравлического сопротивления в 6,2…13 раз.The generalized data on cyclone cooling are known (see the monograph “Heat transfer and hydrodynamics during cyclone cooling of gas turbine blades”) / Halatov A.A., Romanov V.V., Borisov I.I., Dashevsky Yu.Ya., Severin S.D. . / Institute of Technical Thermal Physics FLAH Ukraine. - Kiev. - 2010. - 317 c), which shows a large number of schemes for cyclone cooling of the inlet edges of turbine blades. This monograph clearly shows that the cyclone process of swirling the working fluid can occur only in a hollow cylinder (see the indicated monograph in Fig. 2.1, 2.6, 2.8, 2.13, 2.23, 2.31, etc.), in which a central tornado-like whirlwind is organized upon supply into it cooling air through tangential channels made in the body of the scapula. The occurrence of a cyclone process contributes to a significant increase in peripheral speed in a radial cylindrical channel, made in the input edge of the blade, which improves the efficiency of its cooling. The results of detailed physical studies in the above monograph by A. Halatov and others clearly show that cyclone cooling can increase heat transfer in a cylindrical channel by 3 ... 4.9 times as compared with an axial non-swirling flow with a concomitant increase in hydraulic resistance by 6.2 ... 13 times.
Однако применение циклонного охлаждения приводит к снижению хладозапаса охлаждающего воздуха, вовлекаемого в смерчеобразный вихрь, неоднократно проходящего во вращательном движении около охлаждаемой стенки. Следствием этого является недостаточное охлаждение входной кромки, а также наружных полок сопловых и бандажных полок рабочих лопаток турбин.However, the use of cyclone cooling leads to a decrease in the cold storage of cooling air drawn into the tornado vortex, which repeatedly passes in rotational motion near the cooled wall. The consequence of this is insufficient cooling of the inlet edge, as well as the outer shelves of the nozzle and retaining shelves of the turbine blades.
Известен элемент охлаждаемой лопатки турбомашины, наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению и принятый за прототип (см. Патент РФ №2479726, МПК F01D 5/18, опубл. 20.04.2013, Бюл. №11), содержащий канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в радиальном направлении вдоль входной кромки, соединенный входными каналами через раздаточный коллектор с питающим каналом, а выходными каналами - с внешней поверхностью лопатки, при этом входные и выходные каналы выполнены тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха, который снабжен транзитным трубопроводом, установленным внутри него с зазором относительно его внутренней стенки. В данном изобретении основная новизна состоит в установке транзитного трубопровода в радиальном канале для подвода охлаждающего воздуха к наружной полке сопловой лопатки или к бандажной полке рабочей лопатки.A known element of a cooled blade of a turbomachine, the closest in technical essence to the claimed invention and adopted as a prototype (see RF Patent No. 2479726, IPC F01D 5/18, publ. 04/20/2013, Bull. No. 11), containing a channel for cooling air, made inside the blade in the radial direction along the input edge, connected by input channels through the distributing manifold with a supply channel, and output channels with the outer surface of the blade, while the input and output channels are tangentially relative to the channel for cooling air, which is equipped with a transit pipe installed inside it with a gap relative to its inner wall. In this invention, the main novelty is the installation of a transit pipeline in the radial channel for supplying cooling air to the outer shelf of the nozzle blade or to the retaining shelf of the working blade.
Однако в известном техническом решении авторы принимают кольцевой канал между внутренней стенкой радиального канала для охлаждающего воздуха, выполненного внутри лопатки в радиальном направлении вдоль входной кромки, и наружной стенкой транзитного трубопровода за цилиндрический пустотелый канал, в котором возникает смерчеобразный вихрь, генерирующий циклонное охлаждение входной кромки турбинной лопатки, который позволяет увеличить теплоотдачу в этой зоне примерно в 4 раза.However, in a known technical solution, the authors take an annular channel between the inner wall of the radial channel for cooling air, made inside the blade in the radial direction along the inlet edge, and the outer wall of the transit pipeline for a cylindrical hollow channel in which a tornado-like vortex arises, generating cyclone cooling of the turbine inlet edge blades, which allows to increase heat transfer in this zone by about 4 times.
Имеющиеся публикации однозначно указывают на то, что установка центрального тела (транзитного трубопровода) в цилиндрический пустотелый канал переводит течение из вихревого циклонного в течение по короткому криволинейному каналу со снижением теплоотдачи с 4-х кратного увеличения до 1,3…1,35 раза по сравнению с гладким каналом (см. монографию «Теплообмен и гидродинамика около криволинейных поверхностей» / Халатов А.А., Авраменко А.А., Шевчук И.В. / Киев. - Наукова думка, 1992. - 136 с). Причина - отсутствие в коаксиальном (кольцевом) канале условий для организации центрального смерчеобразного вихря, способствующего существенному увеличению окружной скорости в циклоне.Available publications clearly indicate that the installation of a central body (transit pipeline) in a cylindrical hollow channel transfers the flow from a vortex cyclone flow through a short curved channel with a decrease in heat transfer from a 4-fold increase to 1.3 ... 1.35 times compared with a smooth channel (see the monograph "Heat transfer and hydrodynamics near curved surfaces" / Khalatov A.A., Avramenko A.A., Shevchuk I.V. / Kiev. - Naukova Dumka, 1992. - 136 p.). The reason is the lack of conditions in the coaxial (ring) channel for the organization of the central tornado-like vortex, which contributes to a significant increase in the peripheral speed in the cyclone.
Отсюда следует, что в прототипе транзитный трубопровод, расположенный в охлаждающем канале входной кромки турбинной лопатки, выполняет только одну функцию: перемещение охлаждающего воздуха к другим участкам лопатки (наружные полки у сопловых лопаток или бандажные полки у рабочих лопаток турбин). Тогда как другую функцию - функцию обеспечения 4-х кратного увеличения теплоотдачи на участке входной кромки, в конструкции прототипа реализовать не удастся. Потому что в режиме циклона такой охлаждающий канал не может работать. Он работает лишь в режиме короткого криволинейного канала с превышением теплоотдачи над прямым гладким каналом не более чем в 1,3…1,35 раза.It follows that in the prototype the transit pipeline located in the cooling channel of the inlet edge of the turbine blade performs only one function: moving cooling air to other parts of the blade (outer shelves at nozzle blades or retaining shelves at turbine blades). While another function - the function of providing a 4-fold increase in heat transfer at the input edge portion, cannot be realized in the prototype design. Because in the cyclone mode, such a cooling channel cannot work. It works only in the short curved channel mode with the excess of heat transfer over a straight smooth channel no more than 1.3 ... 1.35 times.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности системы охлаждения лопаток турбин.The technical problem to which the invention is directed is to increase the efficiency of the turbine blade cooling system.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении температуры стенки лопаток турбин и температурных напряжений на участке их входных кромок, что позволит увеличить температуру газа перед турбиной и получить более высокие ее удельные параметры (окружное усилие на рабочих лопатках, удельную мощность на валу), а также увеличить рабочий ресурс лопаток турбин.The technical result, the achievement of which the present invention is directed, is to reduce the temperature of the wall of the turbine blades and the temperature stresses in the area of their input edges, which will increase the gas temperature in front of the turbine and obtain its higher specific parameters (circumferential force on the working blades, specific power on shaft), and also increase the working life of the turbine blades.
Технический результат достигается тем, что в элементе охлаждаемой лопатки турбины, содержащем канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в радиальном направлении вдоль входной кромки, соединенный входными каналами через раздаточный коллектор с питающим каналом, а выходными каналами - с внешней поверхностью лопатки, при этом входные и выходные каналы выполнены тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха, который снабжен транзитным трубопроводом, установленным внутри него с зазором относительно его внутренней стенки, новым является то, что транзитный трубопровод установлен эксцентрично относительно канала для охлаждающего воздуха, и между ними по направлению движения охлаждающего воздуха образуется два коротких криволинейных канала, один из них, расположенный вдоль внутренней поверхности входной кромки на участке между входными и выходными каналами, выполнен конфузорным, другой короткий криволинейный канал, расположенный между выходными и входными каналами вдоль стенки раздаточного коллектора, выполнен диффузорным, с отношением суммарных площадей поперечного сечения на входе во входные и выходные каналы в интервале а на внутренней стенке короткого криволинейного конфузорного канала в радиальном направлении выполнены сферические выемки, кроме того входные каналы выполнены конфузорными по направлению движения охлаждающего воздуха.The technical result is achieved in that in the element of the cooled turbine blade containing a channel for cooling air, made inside the blade in a radial direction along the inlet edge, connected by input channels through the dispensing manifold to the supply channel, and output channels to the outer surface of the blade, while the input and the output channels tangentially relative to the channel for cooling air, which is equipped with a transit pipe installed inside it with a gap relative to its inside of the front wall, it is new that the transit pipeline is eccentric relative to the channel for cooling air, and between them two short curved channels are formed in the direction of movement of the cooling air, one of them located along the inner surface of the input edge in the area between the input and output channels, made confusory, another short curved channel located between the output and input channels along the wall of the distributing manifold, made diffuser, with a ratio of total cross-sectional areas at the entrance to the input and output channels in the interval and on the inner wall of the short curved confuser channel in the radial direction, spherical recesses are made, in addition, the input channels are made confuser in the direction of movement of the cooling air.
Выходные каналы выполнены цилиндрическими с диффузорными выходными участками, длина которых относительно длины выходных каналов составляет lД=0,5L.The output channels are cylindrical with diffuser output sections, the length of which relative to the length of the output channels is l D = 0.5L.
Сферические выемки выполнены в шахматном порядке, с плотностью их расположения Spherical grooves are staggered, with their density
Сферические выемки выполнены с относительной их глубиной h/d=0,35…0,5.Spherical recesses are made with their relative depth h / d = 0.35 ... 0.5.
Предложенное изобретение представлено на фиг.1-3 где:The proposed invention is presented in figures 1-3 where:
Фиг. 1 - поперечный разрез элемента лопатки турбины;FIG. 1 is a transverse section through an element of a turbine blade;
Фиг. 2 - 3D модель элемента лопатки турбины в области входной кромки;FIG. 2 is a 3D model of an element of a turbine blade in the region of the input edge;
Фиг. 3 - влияние степени конфузорности канала на интенсификацию средней теплоотдачи сферическими выемками.FIG. 3 - the influence of the degree of confusion of the channel on the intensification of the average heat transfer by spherical recesses.
Где:Where:
1 - элемент охлаждаемой лопатки турбины;1 - element of the cooled turbine blades;
2 - выпуклая внешняя поверхность лопатки;2 - convex external surface of the scapula;
3 - вогнутая внешняя поверхность лопатки;3 - concave outer surface of the scapula;
4 - канал для охлаждающего воздуха;4 - channel for cooling air;
5 - входная кромка лопатки;5 - input edge of the blade;
6 - входные каналы;6 - input channels;
7 - раздаточный коллектор;7 - a distributing collector;
8 - выходные каналы;8 - output channels;
9 - транзитный трубопровод;9 - transit pipeline;
10 - внутренняя стенка канала для охлаждающего воздуха;10 - the inner wall of the channel for cooling air;
11 - сферические выемки;11 - spherical recesses;
12 - конфузорный короткий криволинейный канал;12 - confuser short curved channel;
13 - диффузорный короткий криволинейный канал;13 - diffuser short curved channel;
14 - стенка раздаточного коллектора в средней части профиля14 - the wall of the dispensing manifold in the middle of the profile
лопатки турбины;turbine blades;
h - глубина сферической выемки;h is the depth of the spherical recess;
d - гидравлический диаметр сферической выемки в плане;d is the hydraulic diameter of the spherical recess in plan;
L - длина выходных каналов;L is the length of the output channels;
lД- длина диффузорных выходных участков выходных каналов;l D - the length of the diffuser output sections of the output channels;
Fвх.кан.вх.сеч - суммарная площадь входных каналов 6 во входном поперечном сечении; F in.can.in.in.ch - total area of
Fвых.кан.вх.сеч - суммарная площадь выходных каналов 8 во входном поперечном сечении.F out.channel in.sec. - the total area of the
- направление движения основной части потока охлаждающего воздуха; - the direction of movement of the main part of the flow of cooling air;
- направление движения меньшей части потока охлаждающего воздуха; - the direction of movement of a smaller part of the flow of cooling air;
Элемент лопатки турбины 1 с выпуклой 2 и вогнутой 3 внешними поверхностями работает следующим образом. Охлаждающий воздух из раздаточного коллектора 7, выполненного внутри лопатки (см. фиг. 1 и 2) и соединенного с питающим каналом (на чертеже не показан), поступает во входные, конфузорные в тангенциальной плоскости поперечного сечения по направлению движения охлаждающего воздуха, каналы 6 и попадает в цилиндрический кольцевой канал 4 для охлаждающего воздуха, в котором эксцентрично размещен транзитный трубопровод 9, по которому осуществляется подача охлаждающего воздуха к наружным полкам сопловых или бандажным полкам рабочих турбинных лопаток. В результате смещения транзитного трубопровода 9 относительно концентричного положения между внутренней стенкой 10 канала 4 для охлаждающего воздуха и наружной стенкой транзитного трубопровода 9, по ходу движения охлаждающего воздуха образуются два взаимосвязанных коротких криволинейных канала: конфузорный канал 12, расположенный вдоль внутренней поверхности 10 входной кромки 5 между входными каналами 6 и выходными каналами 8, и диффузорный канал 13, расположенный между выходными 8 и входными каналами 6 вдоль стенки 14 раздаточного коллектора 7.The blade element of the
Попадая в конфузорный короткий криволинейный канал 12, охлаждающий воздух двигается вдоль внутренней стенки 10, на которой в зоне входной кромки 5 выполнены сферические выемки 11. Глубина этих выемок h выбирается из условия h=(0,35…0,5)d. При обтекании выемок 11 происходит интенсификация теплоотдачи из-за отрыва и присоединения потока воздуха. После его присоединения в области выходной кромки выемки происходит образование возвратного течения, посредством которого поток воздуха перемещается в обратном внешнему потоку направлении. При этом ускорение возвратного потока после присоединения сначала возрастает, а потом снижается. Авторами предлагаемого изобретения экспериментально показано, что в условиях ускорения внешнего потока возвратное течение в сферической выемке по причине релаксации, становится сначала менее конфузорным по сравнению с обтеканием выемки безградиентным потоком, а при более высоких значениях коэффициента ускорения внешнего потока - диффузорным. В результате этого, а также по причине возникновения возвратного течения на вогнутой поверхности выемки с генерацией микровихрей Тейлора-Гертлера и микроотрывов, интенсивность самоорганизующихся крупномасштабных вихревых структур, и, как следствие этого, массообмен и теплоотдача в выемке значительно возрастают.Getting into the confuser short
Как показали наши эксперименты, при значении коэффициента ускорения внешнего потока К, ровным 5,2⋅10-6 теплоотдача в сферических выемках возрастает в 2,2 раза по сравнению с обтеканием их безградиентным внешним потоком (см. монографию «Пристенная интенсификация теплообмена при сложных граничных условиях» / Щукин А.В., Ильинков А.В. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2014. - 252 с).As our experiments showed, with the value of the external flow acceleration coefficient K equal to 5.2⋅10 -6, the heat transfer in spherical recesses increases 2.2 times as compared to the flow around them with a gradientless external flow (see the monograph “Wall-mounted heat transfer intensification for complex boundary conditions ”/ Shchukin A.V., Ilinkov A.V. - Kazan: Kazan Publishing House, State Technical University, 2014. - 252 s).
ЗдесьHere
где ν - кинематический коэффициент вязкости потока; х - продольная координата; W∞ - скорость внешнего потока, обтекающего выемки.where ν is the kinematic coefficient of viscosity of the flow; x is the longitudinal coordinate; W∞ is the velocity of the external flow flowing around the recesses.
Из этой же монографии следует, что в безградиентном потоке сферические выемки увеличивают теплоотдачу, по сравнению с гладким каналом, в 1,5…2,5 раз. В этом случае получается, что суммарное увеличение теплоотдачи для матрицы сферических выемок с h/d=0,35 и К=4⋅10-6 составляет около 4-х раз.From the same monograph it follows that in a gradientless flow, spherical recesses increase the heat transfer, in comparison with a smooth channel, by 1.5 ... 2.5 times. In this case, it turns out that the total increase in heat transfer for the matrix of spherical recesses with h / d = 0.35 and K = 4⋅10 -6 is about 4 times.
На фиг. 3 показано изменение относительного среднего числаIn FIG. 3 shows the change in relative average
Стэнтона зависимости от коэффициента ускорения внешнегоStanton depending on the external acceleration coefficient
потока К, который характеризует дополнительное к нанесенным на поверхность канала выемкам интенсифицирующее воздействие внешнего отрицательного градиента давления на теплоотдачу в этих выемках.flow K, which characterizes the intensifying effect of the external negative pressure gradient on the heat transfer in these recesses, which is additional to the notches deposited on the surface of the channel.
- число Стентона, характеризующее среднюю теплоотдачу в сферической выемке, обтекаемой ускоряющимся внешним потоком; число Стентона, характеризующее среднюю теплоотдачу в сферической выемке, обтекаемой безградиентным внешним потоком. На фиг. 3 светлыми значками показаны результаты исследований теплоотдачи при обтекании одиночной сферической выемки; темными значками - результаты исследований при обтекании матрицы сферических выемок. is the Stanton number characterizing the average heat transfer in a spherical recess streamlined by an accelerating external flow; Stanton number, which characterizes the average heat transfer in a spherical recess flowed around by a gradientless external flow. In FIG. 3 bright icons show the results of studies of heat transfer during flow around a single spherical recess; with dark icons are the results of studies when flowing around a matrix of spherical recesses.
Физический процесс увеличения теплоотдачи в полости сферической выемки, обтекаемой ускоряющимся потоком (отрицательный градиент давления) заключается в следующем. По мере нарастания ускорения внешнего потока, в возвратном течении сферической выемки происходит процесс релаксации - процесс снижения ускорения возвратного течения. При более интенсивном ускорении внешнего потока в сферической выемке организуется процесс диффузорного (замедляющегося) возвратного течения. Этот процесс релаксации потока в возвратном течении вызывает увеличение интенсивности самоорганизующихся в выемке крупномасштабных вихревых структур - основного фактора увеличения теплоотдачи в сферической выемке. При этом, как было указано выше, увеличение коэффициента ускорения К внешнего потока (см. фиг. 3) от 0 до 4⋅10-6 приводит к увеличению теплоотдачи в полусферической выемке, и при К≈4⋅10-6 теплоотдача удваивается по сравнению с ее безградиентным обтеканием.The physical process of increasing heat transfer in the cavity of a spherical recess streamlined by an accelerating stream (negative pressure gradient) is as follows. As the acceleration of the external flow increases, a relaxation process occurs in the return flow of the spherical recess — the process of reducing the acceleration of the return flow. With more intensive acceleration of the external flow in a spherical recess, a diffuser (decelerating) return flow is organized. This process of relaxation of the flow in the return flow causes an increase in the intensity of large-scale vortex structures self-organizing in the recess — the main factor in increasing heat transfer in the spherical recess. Moreover, as mentioned above, an increase in the acceleration coefficient K of the external flow (see Fig. 3) from 0 to 4 до10 -6 leads to an increase in heat transfer in a hemispherical recess, and at K≈4⋅10 -6 the heat transfer doubles with its gradientless flow.
Таким образом (см. фиг. 1), последовательное движение охлаждающего воздуха через входные конфузорные каналы 6 и конфузорный короткий криволинейный канал 12, на внутренней стенке 10 которого в зоне входной кромки 5 в радиальном направлении выполнены сферические выемки 11, приводит к увеличению суммарной теплоотдачи в области входной кромки 5 лопатки турбины со стороны охлаждающего воздуха примерно в 4 раза. Оптимальным вариантом интенсификации теплообмена в зоне входной кромки лопатки турбины с помощью сферических выемок 11 является выполнение их в шахматном порядке с плотностью расположения Здесь - суммарная площадь в плане, занимаемая сферическими выемками 11 на внутренней стенке 10 конфузорного короткого криволинейного канала 12 в зоне входной кромки 5, Fгл.пов - площадь гладкой поверхности этого канала свободной от сферических выемок 11.Thus (see Fig. 1), the sequential movement of cooling air through the
При этом общий гладкий канал, образованный входными конфузорными каналами 6 и конфузорным коротким криволинейным каналом 12, сужается в направлении движения охлаждающего воздуха с отношением суммарных площадей поперечного сечения на входе во входные 6 и выходные 8 каналы в интервале Moreover, the common smooth channel formed by the
Отметим, что конфузорная форма входных каналов 6 обеспечивает перестроение профиля скорости из стандартного в конфузорный в пределах их длины. Только в этом случае конфузорный короткий криволинейный канал 12 будет по всей своей длине полноценно обтекаться конфузорным потоком. Количество входных конфузорных каналов 6 и их основные геометрические параметры определяются теплогидравлическим и прочностным расчетами.Note that the confuser shape of the
После конфузорного короткого криволинейного канала 12 поток охлаждающего воздуха разделяется на две неравные части. Основная часть потока (на фиг. 1 обозначена стрелками из сплошной линии) поступает через выходные каналы 8, выполненные цилиндрической формы тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха 4, на вогнутую внешнюю поверхность 3 лопатки для организации ее пленочного охлаждения. При этом, для повышения потенциальной энергии струи охлаждающего воздуха и увеличения площади покрытия защитной пленкой, образующейся на внешней поверхности лопатки, выходные участки каналов 8 выполнены диффузорными на расстоянии lд=0,5L, где L - длина выходных каналов. Количество выходных каналов 8 и их основные геометрические параметры определяются теплогидравлическим и прочностным расчетами.After the confused short
Меньшая, на порядок, часть потока (на фиг. 1 обозначена стрелкой из штриховой линии) попадает в диффузорный короткий криволинейный канал 13, где замедляется и смешивается с охлаждающим воздухом, выходящим из входных конфузорных каналов 6.A smaller (by an order of magnitude) part of the flow (indicated in Fig. 1 by an arrow from the dashed line) enters the diffuser short
Как указано в приведенной выше монографии (авторы А.В. Щукин, А.В. Ильинков) ускоренный внешний поток приводит к увеличению интенсивности образования пристенных микровихрей и микроотрывов в возвратном течении, позволяет получить в сферических выемках значительно более мощные самоорганизующиеся крупномасштабные вихревые структуры по сравнению со случаем обтекания сферических выемок безградиентным потоком. Поэтому суммарная теплоотдача на внутренней поверхности охлаждающего канала 4 на его внутренней стенке 10, где выполнены сферические выемки 11, в области входной кромки 5 возрастает примерно в 2 раза (коэффициент ускорения внешнего потока К=4) по сравнению со средней теплоотдачей в сферических выемках, обтекаемых безградиентным потоком (коэффициент ускорения внешнего потока К=0). Поскольку в безградиентном потоке сферические выемки с относительной глубиной h/d=0,35…0,5, увеличивают теплоотдачу в 2…2,5 раза, то общий прирост теплоотдачи в выемках составит 4…5 раз. Получаемый суммарный интенсифицирующий эффект, создаваемый собственно сферическими выемками и с помощью наложенного воздействия внешнего продольного ускорения потока, практически совпадает с интенсифицирующим эффектом от циклонного охлаждения (прирост в 3…4,9 раза). Важно, что при этом снижается и гидравлическое сопротивление. Но определяющим фактором здесь является то, что предлагаемое изобретение позволяет при сохранении транзитного трубопровода в охлаждающем канале, предназначенного для выполнения предусмотренных задач, значительно (в 3,0…3,8 раза) повысить теплоотдачу между участком входной кромки и охлаждающим воздухом по сравнению с прототипом.As indicated in the above monograph (authors A.V. Schukin, A.V. Il'inkov), the accelerated external flow leads to an increase in the intensity of the formation of wall microvortices and microseparations in the return flow, and allows for much more powerful self-organizing large-scale vortex structures in spherical recesses compared with the case of flow around a spherical recesses with a gradientless flow. Therefore, the total heat transfer on the inner surface of the cooling
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018147339A RU2701661C1 (en) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Cooled turbine blade element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018147339A RU2701661C1 (en) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Cooled turbine blade element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2701661C1 true RU2701661C1 (en) | 2019-10-01 |
Family
ID=68171014
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018147339A RU2701661C1 (en) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Cooled turbine blade element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2701661C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4056332A (en) * | 1975-05-16 | 1977-11-01 | Bbc Brown Boveri & Company Limited | Cooled turbine blade |
US4507051A (en) * | 1981-11-10 | 1985-03-26 | S.N.E.C.M.A. | Gas turbine blade with chamber for circulation of cooling fluid and process for its manufacture |
RU2117768C1 (en) * | 1996-02-05 | 1998-08-20 | Акционерное общество открытого типа "А.Люлька-Сатурн" | Turbomachine cooled blade |
RU2215877C2 (en) * | 2001-12-06 | 2003-11-10 | Гойхенберг Михаил Михайлович | Cooled blade of turbomachine |
RU2362020C1 (en) * | 2008-01-15 | 2009-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "САЛЮТ" (ФГУП "ММПП "САЛЮТ") | Turbomachine cooled blade |
RU2479726C1 (en) * | 2011-09-07 | 2013-04-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн") | Turbo machine cooled blade element |
-
2018
- 2018-12-27 RU RU2018147339A patent/RU2701661C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4056332A (en) * | 1975-05-16 | 1977-11-01 | Bbc Brown Boveri & Company Limited | Cooled turbine blade |
US4507051A (en) * | 1981-11-10 | 1985-03-26 | S.N.E.C.M.A. | Gas turbine blade with chamber for circulation of cooling fluid and process for its manufacture |
RU2117768C1 (en) * | 1996-02-05 | 1998-08-20 | Акционерное общество открытого типа "А.Люлька-Сатурн" | Turbomachine cooled blade |
RU2215877C2 (en) * | 2001-12-06 | 2003-11-10 | Гойхенберг Михаил Михайлович | Cooled blade of turbomachine |
RU2362020C1 (en) * | 2008-01-15 | 2009-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "САЛЮТ" (ФГУП "ММПП "САЛЮТ") | Turbomachine cooled blade |
RU2479726C1 (en) * | 2011-09-07 | 2013-04-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн") | Turbo machine cooled blade element |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10253785B2 (en) | Engine heat exchanger and method of forming | |
US4565490A (en) | Integrated gas/steam nozzle | |
CN106959034B (en) | Heat exchanger for embedded engine application | |
Baheri et al. | Film cooling effectiveness from trenched shaped and compound holes | |
EP3436668B1 (en) | Turbine airfoil with turbulating feature on a cold wall | |
US4835958A (en) | Process for directing a combustion gas stream onto rotatable blades of a gas turbine | |
EP3273045A1 (en) | Heat sink of a turbomachine | |
EP2963248A1 (en) | Method and system for radial tubular duct heat exchangers | |
EP2557270A2 (en) | Airfoil including trench with contoured surface | |
Kusterer et al. | Heat transfer enhancement for gas turbine internal cooling by application of double swirl cooling chambers | |
US4543781A (en) | Annular combustor for gas turbine | |
US2563269A (en) | Gas turbine | |
US4545197A (en) | Process for directing a combustion gas stream onto rotatable blades of a gas turbine | |
AL-Jibory et al. | Review of heat transfer enhancement in air-cooled turbine blades | |
US4638628A (en) | Process for directing a combustion gas stream onto rotatable blades of a gas turbine | |
RU2701661C1 (en) | Cooled turbine blade element | |
CN105408586A (en) | Turbine blade having heat sinks that have the shape of aerofoil profile | |
Kong et al. | Heat transfer and flow structure characteristics of film-cooled leading edge model with sweeping and normal jets | |
Bunker | Innovative gas turbine cooling techniques | |
RU2656052C1 (en) | Working blade of the gas turbine | |
RU2676837C1 (en) | Cooling element of turbomachine blade | |
Wright et al. | Experimental Investigation of Heat Transfer in a Leading Edge, Two-Pass Serpentine Passage at High Rotation Numbers | |
Yilmaz et al. | Energy correlation of heat transfer and enhancement efficiency in decaying swirl flow | |
RU2675733C1 (en) | Heat exchanging surface | |
Zhukova et al. | Convective heat transfer and drag of two side-by-side tubes in the narrow channel at different Reynolds number |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TC4A | Change in inventorship |
Effective date: 20200424 |