1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 7, 2024

Теплоэнергетика, 2024, № 7, стр. 29-44

Цифровая трассерная визуализация формирования охлаждающей пленки при обтекании входной кромки сопловой лопатки ГТД

С. В. Веретенников a, *, О. А. Евдокимов a, А. А. Колесова a, К. А. Виноградов a, b, А. И. Гурьянов a

a Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П.А. Соловьёва
152934 г. Рыбинск, ул. Пушкина, д. 53, Россия

b ПАО “ОДК-Сатурн”
152903 г. Рыбинск, просп. Ленина, д. 163, Россия

* E-mail: serveret@yandex.ru

Поступила в редакцию 13.11.2023
После доработки 11.02.2024
Принята к публикации 29.02.2024

Аннотация

Представлены результаты измерений поля скорости в окрестности перфорированной входной кромки соплового аппарата турбины, выполненных с использованием метода PIV (particle image visualization). Бесконтактные измерения проводились в плоском пакете из трех сопловых лопаток с оптически прозрачным входным участком, обеспечивающим визуальный доступ к области входной кромки центральной лопатки для скоростной камеры и лазерной плоскости. Экспериментальные исследования осуществлялись при фиксированной скорости набегающего потока 33 м/с и относительном расходе воздуха через отверстия охлаждения, варьируемом в диапазоне от 1.6 до 6.4%. Проведена визуализация течения пленки охладителя вблизи входной кромки для трех моделей лопаток, различающихся способом подвода воздуха к отверстиям, их диаметрами и количеством. При подводе охладителя к отверстиям охлаждения из одной полости прослеживалась значительная неравномерность распределения пленки по входной кромке, которая связана с высокими параметрами вдува струй через отверстия, расположенные ближе к стороне разрежения. Полученные результаты показали, что благодаря раздельному подводу охлаждающего воздуха к отверстиям на стороне давления, входной кромке и стороне разрежения обеспечивается минимальная чувствительность толщины формируемой пленки к изменению относительного расхода охладителя и создается более равномерное распределение охладителя по поверхности лопатки в широком диапазоне значений параметра вдува струй – от 0.5 до 2.5. Визуализация позволила выявить существенную нестационарность течения пленки вдоль обвода профиля лопатки. При этом струя охладителя, направленная через центральное отверстие, совершает колебания, которые приводят к периодическому формированию пленки либо на стороне давления, либо на стороне разрежения.

Ключевые слова: лопатки газовых турбин, проточная часть, входная кромка, пленочное охлаждение, параметр вдува, перфорация, относительный расход охладителя, визуализация обтекания, бесконтактные измерения, поле скорости, вихревой след

Список литературы

  1. Goldstein R.J. Film Cooling // Adv. Heat Transfer. 1971. V. 7. P. 321–379. https://doi.org/10.1016/S0065-2717(08)70020-0

  2. Veretennikov S.V. Effect of the direction of coolant supply to holes on the vortical structures formed in screen cooling // Heat Transfer Res. 2006. V. 37. Is. 6. P. 527–540. https://doi.org/10.1615/HeatTransRes.v37.i6.50

  3. Современные системы охлаждения сопловых лопаток высоконагруженных газовых турбин / С.И. Сендюрев, А.С. Тихонов, В.Т. Хайрулин, Н.Ю. Самохвалов // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2015. № 42. С. 34–46. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2015.42.03

  4. Veretennikov S.V., Evdokimov O.A. Visualization and PIV-study of the formation of a cooling film when flowing around the leading edge of the gas turbine nozzle blade // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1421. P. 012043. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1421/1/012043

  5. Westerweel J. Digital particle image velocimetry: Theory and application. Delft University Press, 1993.

  6. Исследование влияния вдува воздуха в турбулентный пограничный слой методом цифровой трассерной визуализации / А.В. Бильский, О.А. Гобызов, В.И. Корнилов, Д.М. Маркович // Вестник НГУ. Сер.: Физика. 2013. Т. 8. № 2. С. 79–85. https://doi.org/10.54362/1818-7919-2013-8-2-79-85

  7. Lang H., Mørck T., Woisetschläger J. Stereoscopic particle image velocimetry in a transonic turbine stage // Exp. Fluids. 2002. V. 32. P. 700–709. https://doi.org/10.1007/s00348-002-0427-6

  8. Experimental and numerical flow visualization in a transonic turbine / J. Woisetschläger, R. Pecnik, E. Göttlich, O. Schennach, A. Marn, W. Sanz, F. Heitmeir // J. Visualization. 2008. V. 11. P. 95–102. https://doi.org/10.1007/BF03181919

  9. Laser-optical investigation of turbine wake flow / J. Woisetschläger, N. Mayrhofer, B. Hampel, H. Lang, W. Sanz // Exp. Fluids. 2003. V. 34. P. 371–378. https://doi.org/10.1007/s00348-002-0568-7

  10. Investigation of internal flow in ultra - highly loaded turbine cascade by PIV method / A. Senoo, S. Mizuki, H. Tsujita, A. Yamamoto // J. Therm. Sci. 2000. V. 9. P. 193–198. https://doi.org/10.1007/s11630-000-0050-x

  11. Tian Y., Ma H., Ma R. Stereoscopic PIV measurements of the flow field in a turbine cascade // J. Therm. Sci. 2017. V. 26. P. 89–95. https://doi.org/10.1007/s11630-017-0914-y

  12. Coherent structures formation during wake-boundary layer interaction on a LP turbine blade / L. Davide, D. Simoni, M. Ubaldi, P. Zunino, F. Bertini // Flow Turbulence Combus. 2017. V. 98. P. 57–81. https://doi.org/10.1007/s10494-016-9741-6

  13. Chen Y., Matalanis C.G., Eaton J.K. High resolution PIV measurements around a model turbine blade trailing edge film-cooling breakout // Exp. Fluids. 2008. V. 44. P. 199–209. https://doi.org/10.1007/s00348-007-0391-2

  14. Uzol O., Camci C. Aerodynamic loss characteristics of a turbine blade with trailing edge coolant ejection. Part 2: External aerodynamics, total pressure losses, and predictions // J. Turbomach. 2001. V. 123. Is. 2. P. 249–257. https://doi.org/10.1115/1.1351817

  15. Raffel M., Kost F. Investigation of aerodynamic effects of coolant ejection at the trailing edge of a turbine blade model by PIV and pressure measurements // Exp. Fluids. 1998. V. 24. P. 447–461. https://doi.org/10.1007/s003480050194

  16. Kukutla P.R., Prasad B.V.S.S.S. Secondary flow visualization on stagnation row of a combined impingement and film cooled high-pressure gas turbine nozzle guide vane using PIV technique // J. Visualization. 2017. V. 20. P. 817–832. https://doi.org/10.1007/s12650-017-0434-6

  17. PIV measurements over a double bladed Darrieus-type vertical axis wind turbine: A validation benchmark / F. Arpino, G. Cortellessa, M. Scungio, G. Fresilli, A. Facci, A. Frattolillo // Flow Meas. Instrum. 2021. V. 82. P. 102064. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2021.102064

  18. Zhang Z., Ma H. Application of phase-locked PIV technique to the measurements of flow field in a turbine stage // J. Therm. Sci. 2020. V. 29. P. 784–792. https://doi.org/10.1007/s11630-020-1215-4

  19. Film cooling and aerodynamic performances of a turbine nozzle guide vane with trenched cooling holes / W. He, Q. Deng, W. Zhou, T. Gao, Z. Feng // Appl. Therm. Eng. 2019. V. 150. P. 150–163. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.01.002

  20. Optimization of film cooling arrays on a gas turbine vane by using an integrated approach of numerical simulation and parameterized design / Z. Dong, D. Liu, C. Liang, M. Hao, T. Dai, H. Ding // Appl. Therm. Eng. 2023. V. 219. Part A. P. 119464. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119464

  21. Халатов А.А., Доник Т.В. Пленочное охлаждение вогнутой поверхности с двухрядной подачей охладителя в траншеи // Теплоэнергетика. 2021. № 12. С. 76–86. https://doi.org/10.1134/S0040363621120055

  22. Эффективность тепловой завесы при вдуве пульсирующего потока воздуха (обзор) / А.В. Щукин, А.В. Ильинков, В.В. Такмовцев, И.А. Попов, А.Л. Тукмаков, А.В. Стародумов // Теплоэнергетика. 2023. № 9. С. 5–17. https://doi.org/10.56304/S0040363623090060

  23. Система управления экспериментом и обработки данных, полученных методами цифровой трассерной визуализации (ActualFlow) / Е.К. Ахметбеков, А.В. Бильский, Ю.А. Ложкин, Д.М. Маркович, М.П. Токарев, А.Н. Тюрюшкин // Вычислительные методы и программирование. 2006. Т. 7. № 3. С. 79–85.

  24. Сковородкин Е.А., Веретенников С.В., Евдокимов О.А. Методика измерения скорости в ограниченных стенками потоках с использованием цифровой трассерной анемометрии // Вестник РГАТА им. П.А. Соловьёва. 2020. № 2 (53). С. 16–22.

  25. Платонов И.В., Евдокимов О.А. Влияние структуры потока в аэродинамической трубе замкнутого типа на ее интегральные характеристики // Вестник РГАТА им. П.А. Соловьёва. 2021. № 2 (57). С. 57–64.

  26. PIV uncertainty and measurement accuracy / M. Raffel, C.E. Willert, F. Scarano, C.J. Kähler, S.T. Wereley, J. Kompenhans // Particle Image Velocimetry. A Practical Guide. 3rd ed. Cham: Springer, 2018. P. 203–241. https://doi.org/10.1007/978-3-319-68852-7_6

  27. Mass and momentum transport in the near field of swirling turbulent jets. Effect of swirl rate / A.S. Lobasov, S.V. Alekseenko, D.M. Markovich, V.M. Dulin // Int. J. Heat Fluid Flow. 2020. V. 83. P. 108539. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2020.108539

  28. Heat transfer and flow field measurements of a pulsating round jet impinging on a flat heated surface / M. Raizner, V. Rinsky, G. Grossman, R. van Hout // Int. J. Heat Fluid Flow. 2019. V. 77. P. 278–287. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2019.04.010

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал