1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 9, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 9, стр. 5-17

Эффективность тепловой завесы при вдуве пульсирующего потока воздуха (обзор)

А. В. Щукин a, *, А. В. Ильинков a, В. В. Такмовцев a, **, И. А. Попов a, А. Л. Тукмаков a, А. В. Стародумов b

a Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева ‒ КАИ
420111 г. Казань, ул. Карла Маркса, д. 10, Россия

b Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)
125993 Москва, Волоколамское шоссе, д. 4, Россия

* E-mail: a.v.shchukin@rambler.ru
** E-mail: vvt379@rambler.ru

Поступила в редакцию 15.02.2023
После доработки 05.04.2023
Принята к публикации 27.04.2023

Аннотация

Выполнен аналитический обзор научных публикаций, содержащих результаты физического и численного моделирования влияния пульсирующего режима течения охлаждающего воздуха на эффективность тепловой завесы $\eta ,$ главным образом, профильной части турбинных лопаток. Испытания, проведенные в условиях, близких к натурным, показали, что наблюдается как положительное и переменное, так и отрицательное воздействие пульсаций на показатель эффективности тепловой завесы. Получено, что положительное или отрицательное влияние наложенных на вдуваемый поток воздуха пульсаций обусловлено механизмами переноса в системе пленочного охлаждения, реализуемыми при отсутствии пульсаций. При этом веерные отверстия дают более высокую локальную эффективность тепловой завесы по сравнению с классическими цилиндрическими отверстиями не только в стационарном, но и в пульсирующем режиме вдува. В стационарном режиме это происходит при параметре вдува m = 1.0, а в пульсирующем режиме – при m = 1.5 и 2.0. Причина заключается в более равномерном покрытии пленкой газовоздушной смеси охлаждаемой поверхности за сечением пульсирующего вдува. Причем при m = 1.5 для отверстий обеих форм пульсирующий поток охладителя обеспечивает большее значение поперечно осредненной эффективности тепловой завесы $\bar {\eta },$ чем стационарный вдуваемый поток. Рассмотренные в обзоре методы прогнозирования влияния вдува в пульсирующем режиме на значение $\eta $ требуют только знаний о стационарном потоке и позволяют оценить, в каких случаях пульсации оказывают положительное, а в каких отрицательное воздействие на эффективность тепловой завесы.

Ключевые слова: лопатка турбины, эффективность тепловой завесы, пульсирующий поток, цилиндрические и веерные отверстия вдува, теплоотдача, параметр вдува, режимные и геометрические параметры

Список литературы

  1. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей / В.П. Данильченко, С.В. Лукачев, Ю.Л. Ковылов, А.М. Постников, Д.Г. Федорченко, Ю.И. Цыбизов. Самара: Изд-во СНЦ РАН, 2008.

  2. Диденко Р.А. Повышение эффективности системы подвода охлаждающего воздуха к рабочей лопатке первой ступени турбины ГТД: дис. … канд. техн. наук. Рыбинск, 2022.

  3. Эффективность пленочного охлаждения плоской поверхности в ускоряющемся потоке при вдуве воздуха через веерные отверстия / Е.Ю. Марчуков, А.В. Стародумов, А.В. Ильинков, А.В. Щукин, А.М. Ермаков, В.В. Такмовцев, И.А. Попов // Теплоэнергетика. 2022. № 4. С. 70–80. https://doi.org/10.1134/S0040363622040038

  4. Ou S., Rivir R.B. Shaped-hole film cooling with pulsed secondary flow // ASME Turbo Expo: Power Land, Sea, Air. 2008. No. GT2006-90272. P. 259–269. https://doi.org/10.1115/GT2006-90272

  5. Muldoon F., Acharya S. DNS study of pulsed film cooling for enhanced cooling effectiveness // Int. J. Heat Mass Transfer. 2009. V. 52. No. 13–14. P. 3118–3127. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.01.030

  6. Ekkad S.V., Ou S., Rivir R.B. Effect of jet pulsation and duty cycle on film cooling from a single jet on a leading edge model // J. Turbomach. 2006. V. 128. P. 564–571.

  7. Muldoon F., Acharya S. Computations of pulsed film-cooling // ASME Turbo Expo: Power Land, Sea, Air. 2009. No. GT2007-28156. P. 889–897. https://doi.org/10.1115/GT2007-28156

  8. Experimental convective heat transfer characterization of pulsating jet in cross flow: Influence of Strouhal number excitation on film cooling effectiveness / G. Lalizel, Q. Sultan, M. Fenot, E. Dorignac // J. Phys.: Conf. Ser. 2012. V. 395. No. 1. P. 012043. https://doi.org/10.1088/1742-6596/395/1/012043

  9. Influence of coolant jet pulsation on the convective film cooling of an adiabatic wall / Q. Sultan, G. Lalizel, M. Fenot, E. Dorignac // J. Heat Transfer. 2017. V. 139. No. 2. P. 022201. https://doi.org/10.1115/1.4034773

  10. Computational simulation of cylindrical film hole with jet pulsation on flat plates / O. Kartuzova, D. Danila, M.B. Ibrahim, R.J. Valino // J. Propul. Power. 2009. V. 25. No. 6. P. 1249–1258. https://doi.org/10.2514/1.40299

  11. Coulthard S.M., Volino R.J., Flack K.A. Effect of jet pulsing on film cooling. Part I: Effectiveness and flow-field temperature results // J. Turbomach. 2007. V. 129. No. 2. P. 232–246. https://doi.org/10.1115/1.2437231

  12. Ke Z., Wang J. Numerical investigations of pulsed film cooling on an entire turbine vane // Appl. Therm. Eng. 2015. V. 87. P. 117–126. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.05.022

  13. Bidan G., Vezier C., Nikitopoulos D.E. Study of unforced and modulated film-cooling jets using proper orthogonal decomposition. Part II: Forced jets // J. Turbomach. 2012. V. 135. No. 2. P. 1517–1528. https://doi.org/10.1115/GT2011-45400

  14. Coulthard S., Volino R., Flack K. Effect of jet pulsing on film cooling. Part II: Heat transfer results // J. Turbomach. 2007. V. 129. No. 2. P. 247–257. https://doi.org/10.1115/1.2437230

  15. Rutledge J.L., King P.I., Rivir R. CFD predictions of pulsed film cooling heat flux on a turbine blade leading edge // ASME Int. Mech. Eng. Congr. Expo. 2008. No. IMECE2008-67276. P. 1139–1149. https://doi.org/10.1115/IMECE2008-67276

  16. Rutledge J.L., King P.I., Rivir R.B. Influence of film cooling unsteadiness on turbine blade leading edge heat flux // J. Eng. Gas Turb. Power. 2012. V. 134. No. 7. P. 071901. https://doi.org/10.1115/1.4005978

  17. El-Gabry L.A., Rivir R.B. Effect of pulsed film cooling on leading edge film effectiveness // J. Turbomach. 2012. V. 134. No. 4. P. 041005. https://doi.org/10.1115/1.4003653

  18. Volino R.J., Ibrahim M.B. Separation control on high lift low-pressure turbine airfoils using pulsed vortex generator jets // Appl. Therm. Eng. 2012. V. 49. P. 31–40. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.08.028

  19. Babaee H., Acharya S., Wan X. Optimization of forcing parameters of film cooling effectiveness // J. Turbomach. 2014. V. 136. No. 6. P. 061016. https://doi.org/10.1115/1.4025732

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал