Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока

Представлены результаты анализа влияния ускорения потока на эффективность пленочного охлаждения для различных вариантов вдува: щелевого, с помощью цилиндрических и фасонных отверстий, с помощью наклонных отверстий, расположенных в углублениях различной формы – кратерах, траншее, полусферических сегм...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2018
Автори:	Халатов, А.А., Борисов, И.И., Дашевский, Ю.Я.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2018
Назва видання:	Промышленная теплотехника
Теми:	Тепло- та масообмінні процеси
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142458
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока / А.А. Халатов, И.И. Борисов, Ю.Я. Дашевский // Промислова теплотехніка. — 2018. — Т. 40, № 1. — С. 5-11. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142458
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1424582025-02-10T00:20:41Z Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока Advanced film cooling schemes: effect of flow acceleration Халатов, А.А. Борисов, И.И. Дашевский, Ю.Я. Тепло- та масообмінні процеси Представлены результаты анализа влияния ускорения потока на эффективность пленочного охлаждения для различных вариантов вдува: щелевого, с помощью цилиндрических и фасонных отверстий, с помощью наклонных отверстий, расположенных в углублениях различной формы – кратерах, траншее, полусферических сегментах. Приведены соотношения для расчета эффективности. Наведено результати аналізу впливу прискорення потоку на ефективність плівкового охолодження для різних варіантів вдуву: щілинного, за допомогою циліндричних та фасонних отворів, за допомогою похилих отворів у заглибинах різної форми – кратерах, траншеї, напівсферичних сегментах. Наведено співвід Results of the flow acceleration influence on the film cooling are given for a few variants of coolant supply through a slot, cylindrical or shaped holes, and holes in shallow indentations of different shape – craters, trench, semispherical segments. The correlations for film cooling efficiency prediction are presented. 2018 Article Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока / А.А. Халатов, И.И. Борисов, Ю.Я. Дашевский // Промислова теплотехніка. — 2018. — Т. 40, № 1. — С. 5-11. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.1.2018.01 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142458 621.45.038 ru Промышленная теплотехника application/pdf Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- та масообмінні процеси Тепло- та масообмінні процеси
spellingShingle	Тепло- та масообмінні процеси Тепло- та масообмінні процеси Халатов, А.А. Борисов, И.И. Дашевский, Ю.Я. Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока Промышленная теплотехника
description	Представлены результаты анализа влияния ускорения потока на эффективность пленочного охлаждения для различных вариантов вдува: щелевого, с помощью цилиндрических и фасонных отверстий, с помощью наклонных отверстий, расположенных в углублениях различной формы – кратерах, траншее, полусферических сегментах. Приведены соотношения для расчета эффективности.
format	Article
author	Халатов, А.А. Борисов, И.И. Дашевский, Ю.Я.
author_facet	Халатов, А.А. Борисов, И.И. Дашевский, Ю.Я.
author_sort	Халатов, А.А.
title	Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока
title_short	Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока
title_full	Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока
title_fullStr	Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока
title_full_unstemmed	Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока
title_sort	современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Тепло- та масообмінні процеси
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142458
citation_txt	Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока / А.А. Халатов, И.И. Борисов, Ю.Я. Дашевский // Промислова теплотехніка. — 2018. — Т. 40, № 1. — С. 5-11. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT halatovaa sovremennyesposobyplenočnogoohlaždeniâvliânieuskoreniâpotoka AT borisovii sovremennyesposobyplenočnogoohlaždeniâvliânieuskoreniâpotoka AT daševskiiûâ sovremennyesposobyplenočnogoohlaždeniâvliânieuskoreniâpotoka AT halatovaa advancedfilmcoolingschemeseffectofflowacceleration AT borisovii advancedfilmcoolingschemeseffectofflowacceleration AT daševskiiûâ advancedfilmcoolingschemeseffectofflowacceleration
first_indexed	2025-12-02T03:27:33Z
last_indexed	2025-12-02T03:27:33Z
_version_	1850365505918992384
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехнІка, 2018, т. 40, №1 5 ТЕПЛО- ТА МАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ УДК 621.45.038 СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПЛЕНОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ: ВЛИЯНИЕ УСКОРЕНИЯ ПОТОКА Халатов А.А.1, академик НАН Украины, Борисов И.И.1, канд. техн. наук, Дашевский Ю.Я.2, канд. техн. наук 1 Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2а, Киев, 03057, Украина 2 НПКГ «Зоря» – «Машпроект», просп. Богоявленский 42а, г. Николаев, 54018, Украина Наведено результати аналізу впли- ву прискорення потоку на ефективність плівкового охолодження для різних варіантів вдуву: щілинного, за допо- могою циліндричних та фасонних отворів, за допомогою похилих отворів у заглибинах різної форми – кратерах, траншеї, напівсферичних сегментах. На- ведено співвідношення для розрахунку ефективності. Представлены результаты анализа влияния ускорения потока на эффектив- ность пленочного охлаждения для раз- личных вариантов вдува: щелевого, с помощью цилиндрических и фасонных отверстий, с помощью наклонных от- верстий, расположенных в углублениях различной формы – кратерах, траншее, полусферических сегментах. Приведены соотношения для расчета эффективности. Results of the flow acceleration influence on the film cooling are given for a few variants of coolant supply through a slot, cylindrical or shaped holes, and holes in shallow indentations of different shape – craters, trench, semispherical segments. The correlations for film cooling efficiency prediction are presented. Библ. 17, рис. 3. Ключевые слова: пленочное охлаждение, адиабатная эффективность, ускорение внешнего потока. d – диаметр отверстия; К – параметр ускорения: m – параметр вдува; w – скорость внешнего потока; Введение Пленочное охлаждение широко применяется для тепловой защиты сопловых и рабочих (вращающихся) лопаток газовых турбин. На его характеристики ока- зывает влияние множество факторов: параметр вдува, продольный градиент давления основного потока (уско- рение / торможение), степень его турбулентности, от- ношение плотностей охладителя и основного потока, сжимаемость (число Маха). Для количественной оцен- ки ускорения потока в межлопаточном канале использу- ется параметр: dx dw w K    2 ,  i i0 , n вх dp w (x)w (x) x           безгр уск )( , (1) где w∞ и ν∞ – скорость и кинематическая вязкость внеш- него потока. По данным ряда работ [1, 2], при К > 2…3·10-6 на- чинается ламинаризация потока (обратный переход), при этом интенсивность теплообмена существенно па- дает. Для реальных условий эксплуатации лопаток га- зовых турбин характерный диапазон работы составляет 0,5∙10-6…2∙10-6, т.е. явление ламинаризации можно не принимать во внимание. Представление данных по эффективности пленоч- ного охлаждения при воздействии различных факторов часто выполняют с использованием принципа супер- позиции отдельных воздействий, т. е. результирующая (средняя по ширине поверхности) эффективность запи- сывается в виде произведения отдельных факторов [3],: (2) где  0 – средняя по ширине пластины эффективность пленочного охлаждения плоской поверхности при от- сутствии влияния каких-либо факторов, εі – относи- тельная функция, учитывающая влияние i–го фактора на эффективность охлаждения. В отдельных случаях принцип суперпозиции не выполняется, как, например, при совместном влиянии ускорения потока и вогнутой кривизны ([4]). Как показывают расчетные и экспериментальные исследования физической структура течения, выполнен- ные в [5–9], при ускорении внешнего потока погранич- ный слой становится более тонким, и струя охладителя прижимается к поверхности. Целью настоящей работы является сравнительный анализ влияния ускорения по- тока на эффективность пленочного охлаждения как для традиционных, так и перспективных способов подачи охладителя. Тангенциальная щель Тангенциальная щель является наиболее эффектив- ным вариантом пленочного охлаждения. При тангенци- альной подаче охладителя через сплошную щель вслед- dx dw w K    2 ,  i i0 , n вх dp w (x)w (x) x           безгр уск )( , ISSN 0204-3602. Пром. теплотехніка, 2018, т. 40, №16 ТЕПЛО- ТА МАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ ствие отсутствия отрыва потока основным влияющим фактором является уменьшение толщины пограничного слоя, приводящее к интенсификации взаимодействия охладителя и основного потока и постепенному размы- ванию охладителя. Эксперименты, выполненные в [10], показали, что ускорение внешнего потока около плоской пластины снижает абсолютное значение эффективно- сти охлаждения. Для описания фактора отрицательного продольного градиента давления в работе [10] предло- жено степенное соотношение: dx dw w K    2 ,  i i0 , n вх dp w (x)w (x) x           безгр уск )( , (3) где wвх и w(x) – скорость основного потока на входе (х = 0) и в произвольном сечении х; ηбезгр(x) и ηуск (х) – эффективность безградиентного и ускоренного потока в сечении х. При обобщении экспериментальных данных получено значение показателя степени n = – 0,2. Как показали дальнейшие исследования, такой вид соотношения оказался пригодным для описания влияния ускорения потока при других способах по- дачи охладителя. Эксперименты [11] при вдуве ох- ладителя через наклонную тангенциальную щель (α = 200), выполненные при значении параметра ускорения К = 2,62·10-6, показали, что полученные дан- ные могут быть обобщены зависимостью (3) с показате- лем степени n = – 0,19. Цилиндрические наклонные отверстия Цилиндрические наклонные отверстия широко ис- пользуются при охлаждении лопаток газовых турбин. Влияние ускорения потока на эффективность пленоч- ного охлаждения за системой наклонных отверстий ши- роко исследовано [4 – 9, 12, 13]. Для системы дискрет- ных отверстий данные различных авторов по влиянию ускорения на эффективность пленочного охлаждения существенно различаются. Причиной этого является сложная гидродинамика пристенного течения с систе- мой парных вихрей, которая трансформируется под влиянием ускорения потока. Поэтому даже для одноряд- ных схем расположения цилиндрических отверстий до настоящего времени не удалось разработать методики, позволяющие дать точную количественную оценку вли- яния ускорения потока на эффективность пленочного охлаждения. По данным работ [5 – 8, 12], на плоской поверхно- сти ускорение потока повышает эффективность пленоч- ного охлаждения на начальном участке газовой заве- сы (по различным данным до значения относительной продольной координаты x/d от 15 до 30). Выполненное в работе [5] исследование влияния ускорения потока (К = 2∙10-6) на начальном участке пленочного охлажде- ния из отверстий с углом наклона α = 450 и относитель- ным поперечным шагом t/d = 8 обнаружило в диапазоне изменения параметра вдува 0,15 < m < 0,8 увеличение эффективности пленочного охлаждения на центральной линии примерно на 25…40 %. Измерение структуры пограничного слоя показало, что в отличие от безгра- диентного течения, в ускоренном потоке переход погра- ничного слоя из ламинарного режима в турбулентный происходит значительно медленнее. Был также сделан вывод о том, что наличие отрицательного продольного градиента давления затрудняет распределение охлади- теля по ширине, а струя становится тоньше. Эксперименты [6] со вдувом охладителя из ряда наклонных цилиндрических отверстий (α = 300) с от- носительным поперечным шагом t/d = 2,5, и значени- ем параметра ускорения K = 2,62·l0-6 обнаружили, что ускорение потока по-разному влияет на эффективность охлаждения на начальном и основном участках (рис. 1). Рис. 1. Отношение эффективности пленочного охлаждения ускоренного и безградиентного потоков для однорядных схем с наклонными цилиндрическими отверстиями. 1, 2 – плоская поверхность по данным [12] и [6]; 3 – выпуклая поверхность [13]; 4 – вогнутая поверхность [4]. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехніка, 2018, т. 40, №1 7 ТЕПЛО- ТА МАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ При 0 <x/d < 30 имеет место ее увеличение в диа- пазоне параметра вдува 0,35 < m < 1,2. По мнению авто- ров, при m > 0,35 градиент давления изменяет траекто- рию струй и уменьшает их отрыв от поверхности. Далее вниз по течению (измерения проводились до x/d = 62) ускорение потока снижает эффективность пленочного охлаждения. Аналогичные результаты получены в работе [12] для однорядной схемы наклонных отверстий c отно- сительным поперечным шагом t/d = 3 и углом наклона отверстий α = 350 при значении параметра ускорения К = 1.5·l0-6, однако точка перехода от положительного влияния к отрицательному существенно ниже. С увели- чением параметра вдува данное значение продольной координаты составляет x/d = 5 при m = 0,4 и x/d = 13 при m = 1,0 (рис. 1). Авторы [12] считают, что снижение эффективности на основном участке пленочного охлаж- дения является результатом роста степени турбулентно- сти, т. е. увеличения скорости перемешивания охлажда- ющих струй с основным потоком. В работе [8] выполнено математическое модели- рование пленочного охлаждения с параметрами, соот- ветствующими экспериментальной работе [12]. Расчеты показали, что при наличии отрицательного продольного градиента давления пограничный слой становится тонь- ше, охладитель прижимается к стенке и концентриру- ется вблизи центральной линии. Почкообразный вихрь растягивается в продольном направлении, его попереч- ный размер уменьшается, а интенсивность резко воз- растает в соответствии с законом сохранения момента импульса. По сравнению с безградиентным течением эффективность пленочного охлаждения вдоль централь- ной линии существенно возрастает, причем максималь- ное увеличение обнаружено при m = 0,6 (15…20 % при x/d = 20). При m = 1,5, после присоединения потока, из- менений в эффективности вдоль центральной линии не обнаружено. Детальное экспериментальное исследование струк- туры потока при вдуве воды из одиночного цилиндри- ческого отверстия в условиях отрицательного про- дольного градиента давления выполнено в работе [9] с соблюдением гидродинамического подобия по отноше- нию к параметрам реального двигателя. Течение было развитым и турбулентным, толщина пограничного слоя перед отверстием составляла 1,2d при нулевом продоль- ном градиенте, и 0,7d при ускорении потока. Параметр вдува равнялся единице, использовалось отверстие с углом наклона α = 300 и относительной длиной L/d = 4,1. Применялось 3–D измерение скорости магнитно-резо- нансным методом, параметр ускорения потока К был высоким и составлял 4,8∙10-6. Поскольку исследовалось одиночное отверстие, исключалось взаимовлияние со- седних струй. Эксперименты подтвердили выводы ра- бот [5] и [8] о том, что продольный градиент давления изменяет траекторию струи, которая более резко пово- рачивается по направлению к стенке, а пограничный слой становится более тонким. Кроме того, для ускоренного потока отсутству- ет зона обратного течения, характерная для натекания струи в поперечный поток. Эта зона усиливает смешение и создает область с нулевым значением скорости. При ускорении потока вихревая пара (почкообразный вихрь) начинает вращаться более интенсивно и сохраняется значительно дальше вниз по течению. При рассмотре- нии уравнения импульсов в данном случае значимыми остаются лишь изгибающие и растягивающие напря- жения. При ускорении потока начинают превалировать растягивающие напряжения, усиливающие вихревую структуру, которая приближается ближе к поверхности. При вдуве из отверстия в условиях ускорения потока ре- шающее влияние оказывают две противоположные тен- денции: с одной стороны, поток прижимается к стенке и исчезает зона обратных токов вблизи отверстия вдува; с другой стороны – усиливается почкообразный вихрь. Результат влияния ускорения зависит от того, какая из этих тенденций превалирует, в зависимости от геоме- трических и режимных условий. Экспериментальное и численное исследование вли- яния ускорения потока (К = 0,3∙106…0,7∙10-6) на характе- ристики пленочного охлаждения на начальном участке (x/d < 16) при вдуве из одиночного наклонного (α = 300) отверстия на плоскую поверхность выполнено в рабо- те [7]. В экспериментах использовалась тепломассооб- менная аналогия, параметр вдува изменялся в диапазоне 0,25…1,2, отношение плотностей охладителя и основ- ного потока DR составляло 1,5. Исследования показали, что при малых параметрах вдува (m = 0,25) усреднен- ная по ширине эффективность пленочного охлаждения при ускорении потока незначительно снижается. При m > 0,75 вблизи отверстия (x/d < 3) вследствие уменьше- ния толщины пограничного слоя на выходе из отверстия и более заметного прижатия охладителя к поверхности эффективность охлаждения повышается на 30 % для те- чения с ускорением. В отличие от работ [6, 12], в работе [7] при x/d > 10 продольный отрицательный градиент давления практически не оказывал влияния на эффек- тивность пленочного охлаждения. Как и в работах [8] и [9], парный почкообразный вихрь прижимается к по- верхности, становится более интенсивным, однако при этом ухудшается поперечное распределение охладите- ля. Отдельно следует рассмотреть работы по влиянию ускорения потока при пленочном охлаждении криволи- нейных поверхностей. В работах [4, 13] с использованием технологии жидких кристаллов исследовалась эффективность пле- ночного охлаждения при ускорении основного потока в широком диапазоне продольной координаты на выпу- клой (r/d = 25 и 75, 5 <x/d < 45) и вогнутой (r/d = 150, 5 < x/d < 100) поверхностях. Исследован одиночный ряд наклонных (α = 300) цилиндрических отверстий с отно- сительным поперечным шагом t/d = 3. Параметр вдува изменялся в диапазоне 0,5 < m < 2, параметр ускорения потока был постоянным по длине и составлял для ис- следований с выпуклой поверхностью К ≈ 0,8·10-6, а для вогнутой: К ≈ 1,0·10-6. Как показали эксперименты (рис. 1), в случае выпуклой поверхности на начальном участке, вблизи отверстий вдува имеет место более вы- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехніка, 2018, т. 40, №18 ТЕПЛО- ТА МАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ сокая эффективность пленочного охлаждения. Авторы предполагают, что это связано с уменьшением отрыва выдуваемой струи при ускорении основного потока. На основном участке эффективность снижается. Обра- ботка данных по соотношению (1), позволила получить для основного участка газовой завесы на выпуклой по- верхности (5 < x/d < 45) значение показателя степени: n = – 0,24. Особо следует выделить результаты, относящие- ся к совместному влиянию ускорения потока и вогну- той кривизны поверхности [4]. В этих экспериментах обнаружено значительное (от 30 до 60 %) увеличение средней по ширине эффективности, вплоть до значения продольной координаты x/d = 100 (рис. 1). Как отмечают авторы, столь значительное влияние ускорения потока в данном случае связано с тем, что продольный градиент давления оказывает стабилизирующее воздействие на поток, подавляя гидродинамическую неустойчивость, вызываемую вогнутой кривизной. С увеличением пара- метра вдува влияние ускорения потока снижается. Фасонные отверстия Как отмечено в обзоре [14], в последние десяти- летия больший прогресс в увеличении эффективности пленочного охлаждения с помощью рядов отверстий был достигнут с использованием фасонных отверстий (рис. 2), которые по своим характеристикам прибли- жаются к щелевым конфигурациям, обеспечивающим безотрывное обтекание при высоких параметрах вдува. Хотя выполнение фасонных отверстий малого (порядка 0,5 мм и менее) диаметра технологически значительно сложнее, чем цилиндрических, в последние годы, в свя- зи с совершенствованием технологий (лазерных, элек- троэрозионных, водоструйных, 3D – печать) происходит повышение точности и удешевление их выполнения. По данным [13], для однорядных схем фасонных отверстий отрицательный продольный градиент давления снижа- ет эффективность пленочного охлаждения, однако это снижение меньше, чем для цилиндрических наклон- ных отверстий. В результате обобщения данных с по- мощью соотношения (3) было получено, что показатель степени для фасонных отверстий составляет величину n = –0,15, т.е. по абсолютной величине он оказался мень- ше, чем для тангенциально-щелевого вдува. Наклонные цилиндрические отверстия в углублениях Помимо фасонных отверстий в последние годы возникло новое направление в пленочном охлаждении с подачей охладителя в мелкие углубления (отношение глубины к диаметру 0,5…1.0) различной формы – в кра- теры, траншею, сферические сегменты (рис. 2). Влия- ние ускорения потока на эффективность пленочного охлаждения для таких систем исследовалось экспери- ментально в работах [15–17]. Результаты представлены на рис. 3. Рис. 2. Схемы фасонных отверстий и отверстий в углублениях. Для однорядной системы отверстий в кратерах ([15]) получено, что данный фактор снижает значение до 10 % в конце измерительного участка (на расстоя- нии x/d = 30). Сравнение отношения эффективности для ускоренного и безградиентного потоков (рис. 3, а) пока- зывает, что при m = 0,5 в диапазоне изменения параме- тра К от 0,5·10-6 до 2,0·10-6 данный фактор слабо влияет на эффективность (в рамках погрешности измерений), а при K = (2,0…3,0)·10-6 средняя по ширине эффектив- ность снижается примерно на 5…8 %. При высоких зна- чениях параметра вдува на основном участке газовой завесы эффективность охлаждения снижается по длине пластины, а на начальном участке происходит незначи- тельное увеличение эффективности. Подобный эффект также имеет место при пленочном охлаждении тради- ционными однорядными системами отверстий без углу- блений. Данные по эффективности охлаждения обобща- ются с помощью уравнения (3) с погрешностью ± 10 % ISSN 0204-3602. Пром. теплотехніка, 2018, т. 40, №1 9 ТЕПЛО- ТА МАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ при значении показателя степени n = – 0,25. Влияние ускорения потока на эффективность пле- ночного охлаждения при подаче охладителя в траншею экспериментально исследовано в [16] в диапазоне пара- метра ускорения 0,5·10-6…3,0·10-6. Результаты исследо- вания показаны на рис. 3б. Как следует, отрицательный продольный градиент давления примерно одинаково снижает эффективность пленочного охлаждения во всем диапазоне исследованных значений параметра вдува. Данные по эффективности обобщаются с помо- щью уравнения (3) с погрешностью ± 10 % при значе- нии показателя степени n = – 0,18. Рис. 3. Влияние ускорения потока на эффективность пленочного охлаждения: а – однорядная система отверстий в кратерах; б – однорядная система отверстий в траншее; в – двухрядная система отверстий в сферических углублениях. Эксперименты, выполненные в работе [17] по вли- янию ускорения потока на эффективность охлаждения системой наклонных отверстий в полусферических углублениях (двухрядная схема) показали, что это вли- яние зависит от параметра вдува (рис. 3,в). При m = 0,5 отрицательный продольный градиент давления суще- ственно (до 15 %) снижает осредненную в поперечном направлении эффективность охлаждения. При увеличе- нии параметра вдува влияние ускорения потока стано- вится значительно слабее (5…8 %). Обобщение данных в виде зависимости отноше- ния осредненной в поперечном направлении эффектив- ности пленочного охлаждения для ускоренного и без- градиентного основного потока от его относительной скорости выполнено для значений параметра вдува m ≥ 1. С точностью ± 10 % эти данные могут быть ап- проксимированы зависимостью (3) при значении пока- зателя степени n = – 0,16. Выводы Выполненный анализ показал, что для различных схем подачи охладителя влияние ускорения внешне- го потока на эффективность пленочного охлаждения проявляется по-разному. Для тангенциально-щелевого вдува отрицательный продольный градиент давления снижает эффективность. Для вдува из однорядной си- стемы наклонных отверстий ускорение потока повыша- ет эффективность пленочного охлаждения на начальном участке газовой завесы, но снижает ее на основном. Для однорядной схемы фасонных отверстий отрицательный продольный градиент давления снижает эффективность пленочного охлаждения, однако это снижение меньше, чем для цилиндрических наклонных отверстий. Для рассмотренных вариантов вдува из наклонных отвер- стий, расположенных в углублениях ускорение потока снижает эффективность охлаждения. Наиболее слабое влияние данного фактора проявляется в системах от- верстий в сферических углублениях и в траншее, а в системе отверстий в цилиндрических кратерах влия- ние ускорения потока проявляется более заметно. Для рассмотренных схем подачи охладителя представлены уравнения для расчета влияния ускорения потока на эф- фективность пленочного охлаждения. ЛИТЕРАТУРА 1. Back L.H., Cuffel R.F., Massier P.F. Laminarization of a turbulent boundary layer in nozzle flow – boundary layer and heat transfer measurements with wall cooling // ISSN 0204-3602. Пром. теплотехніка, 2018, т. 40, №110 ТЕПЛО- ТА МАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ Journal of Heat Transfer. – 1970. – V.92, No3. – P.333–342. 2. Ковальногов Н.Н. Теплообмен в соплах в усло- виях ламинаризации потока // Промышленная теплотех- ника. – 1982. – Т.4, №5. – С.59–64. 3. Локай В.И., Бодунов М.Н., Жуйков В.В., Щукин А.В. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей летательных аппаратов. М.: Машинострое- ние, 1985. – 216 с. 4. Lutum E., von Wolfersdorf J., Semmler K., Naik S., Weigand B. Film cooling on a concave surface: influence of external pressure gradient on film cooling performance // Proc. of NATO/AGARD Symposium on Advanced Flow Management – Heat Transfer and Cooling in Propulsion and Power Systems. – Norway.– 2001. – 16 p. – Published in RTO-MP-069(I). 5. Launder B.E., York J. Discrete-hole cooling in the presence of free stream turbulence and strong favourable pressure gradient // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 1974. – V.17, No 11. – P. 1403–1409. 6. Teekaram A.J.H., Forth C.J.P., Jones T.V. Film cooling in the presence of mainstream pressure gradients // Journal of Turbomachinery.– 1991. – V.113, №3. – P. 484– 492. 7. Qin Y., Ren J., Jiang H. Effects of streamwise pressure gradient and convex curvature on film cooling effectiveness // Proceedings of ASME Turbo Expo2014. – Paper GT2014–25808. – P. V05BT13A027; 10 pages. doi: 10.1115 / GT2014–25808. 8. York W.D., J.H. Leylek. Numerical prediction of mainstream pressure gradient effects in film cooling // Proceedings of ASME Turbo Expo–1999. – Paper No 99– GT–166. –9 p. P. V003T01A046; 9 pages, doi:10.1115/99- GT-166. 9. Coletti F. Elkins C.J., Eaton J.K. Three–dimensional velocity measurements of film cooling flow under favorable pressure gradient // Proceedings of ASME Turbo Expo– 2012.–Paper No GT2012-69402. –V.4. – P.1627–1638. doi:10.1115/GT2012–69402. 10. Hartnett J.P., Birkebak R.G., Eckert E.R.G. Velocity distributions, temperature distributions effective-ness and heat transfer in cooling of a surface with a pressure gradient // International Development in Heat Transfer. – Trans. ASME, sec. A. – 1961. – Part 4. – P. 682–689. 11. Халатов А.А., Авраменко А.А., Борисов И.И. Га- зовая завеса на выпуклой поверхности с внешней тур- булентностью и отрицательным градиентом давления // Теплофизика высоких температур. – 1991. – Т. 29, №1. – С.101–107. 12. Schmidt D.L., Bogard D.G. Pressure gradient effects on film cooling // Proceedings of ASME Turbo Expo–1995.– V. 4. – Paper No 95–GT–018. – P. V004T09A018. 8 pages, doi:10.1115/95-GT-018. 13. Lutum E. Wolfersdorf J., Semmler K., Dittmar J., Weigand B. An experimental investigation of film cooling on a convex surface subjected to favorable pressure gradient flow // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2001. – V. 44. – P.939–951. 14. Bunker R.S. A review of shaped hole turbine film- cooling technology // Journal of Heat Transfer. –2005.– V.127, No 4. – P.441–453. 15. Халатов А.А., Борисов И.И., Коваленко А.С., Дашевский Ю.Я. Шевцов С.В. Эффективность пленоч- ного охлаждения плоской поверхности однорядной си- стемой наклонных отверстий в кратерах при ускорении внешнего потока // Восточно-европейский журнал пере- довых технологий. – 2013. – №3/12(63). – С.54–58. 16. Халатов А.А., Борисов И.И., Коваленко А.С., Дашевский Ю.Я. Шевцов С.В. Пленочное охлаждение плоской поверхности однорядной системой наклонных отверстий в траншее: влияние внешней турбулентности и ускорения потока // Теплофизика и аэромеханика. – 2013. – Т.20, №6. – С.731–737. 17. Халатов А.А., Борисов И.И., Безлюдная М.В., Панченко Н.А., Дашевский Ю.Я. Перспективные спосо- бы пленочного охлаждения: влияние ускорения внеш- него потока // Вісник НТУ «ХПІ». – 2015. – 15(1124). – С.56 –62. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехніка, 2018, т. 40, №1 11 ТЕПЛО- ТА МАСООБМІННІ ПРОЦЕСИ ADVANCED FILM COOLING SCHEMES: EFFECT OF FLOW ACCELERATION Khalatov А.А.1, Borisov I.I.1, Dashevskyy Y.J.2 1 Institute for Engineering Thermophysics NAS of Ukraine, 2a Zhelyabov str., Kyiv, 03680, Ukraine 2 Gas Turbine Research & Production Complex «Zorya» – «Mashproekt», 42a prosp, Bogoyavlenskyy, Mykolaiv City, 54018, Ukraine A comparative analysis of the flow acceleration influence on the adiabatic efficiency of film cooling for different cooling techniques is carried out. Both conventional and perspective schemes are considered – with coolant supply into shallow indentations of different shape – cylindrical craters, span- wise trench, and semispherical segments. The analysis showed the different effect of flow acceleration on the efficiency for these schemes. For the tangential slot the flow acceleration decreases efficiency. For a coolant injection throw a single-row of inclined cylindrical holes, this factor increases the film cooling efficiency at the initial area of cooled surface, while reduces it on the main region. For the shaped holes, the flow acceleration reduces the film cooling efficiency, but less than for the inclined cylindrical holes. For a coolant injection through holes located in indentations, the flow acceleration reduces film cooling efficiency. The lowest influence of this factor occurs for schemes of holes in spherical dimples and in the trench. For holes in the cylindrical craters, the flow acceleration effect looks greater. For different film cooling schemes, the correlations are presented for prediction of the flow acceleration effect on film cooling efficiency. References 17, figures. 3. Key words: Film cooling, adiabatic efficiency, flow acceleration. 1. Back L.H., Cuffel R.F., Massier P.F. Laminarization of a turbulent boundary layer in nozzle flow – boundary layer and heat transfer measurements with wall cooling. Journal of Heat Transfer. 1970. V.92, No 3. P.333–342. 2. Kovalnogov N.N. Teploobmen v soplach v usloviyach laminarizacii potoka. Promyshlennaya teplotechnika. 1982. V.4, №5. P.59–64. (Rus.) 3. Lokai V.I., Bodunov V.I., Zhuikov V.V., Schukin A.V. Teploperedacha v ochlazhdaemych detalyach gazoturbinnych dvigateley letatelnych apparatov. М.: Mashinostroyanie, 1985. 216 p. (Rus.) 4. Lutum E., von Wolfersdorf J., Semmler K., Naik S., Weigand B. Film cooling on a concave surface: influence of external pressure gradient on film cooling performance. Proc. of NATO/AGARD Symposium on Advanced Flow Management. Heat Transfer and Cooling in Propulsion and Power Systems. Norway. 2001. 16 p. Published in RTO- MP-069(I). 5. Launder B.E., York J. Discrete-hole cooling in the presence of free stream turbulence and strong favourable pressure gradient. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1974. V.17, No 11. P. 1403–1409. 6. Teekaram A.J.H., Forth C.J.P., Jones T.V. Film cooling in the presence of mainstream pressure gradients. Journal of Turbomachinery. 1991. V.113, №3. P. 484–492. 7. Qin Y., Ren J., Jiang H. Effects of streamwise pressure gradient and convex curvature on film cooling effectiveness. Proceedings of ASME Turbo Expo2014. Paper GT2014–25808. P. V05BT13A027; 10 pages. doi: 10.1115 / GT2014–25808. 8. York W.D., J.H. Leylek. Numerical prediction of mainstream pressure gradient effects in film cooling. Proceedings of ASME Turbo Expo-1999. – Paper No 99– GT–166. 9 p. P. V003T01A046; 9 pages, doi:10.1115/99- GT-166. 9. Coletti F. Elkins C.J., Eaton J.K. Three–dimensional velocity measurements of film cooling flow under favorable pressure gradient. Proceedings of ASME Turbo Expo-2012. Paper No GT2012-69402. V.4. P.1627–1638. doi:10.1115/ GT2012–69402. 10. Hartnett J.P., Birkebak R.G., Eckert E.R.G. Velocity distributions, temperature distributions effective-ness and heat transfer in cooling of a surface with a pressure gradient . International Development in Heat Transfer. Trans. ASME, sec. A. 1961. Part 4. P. 682–689. 11. Khalatov A, Avramenko A, Borisov I. Gas screen for a convex surface with external turbulence and a negative pressure gradient. High temperature. Vol. 29, No 1, P.96–102. 12. Schmidt D.L., Bogard D.G. Pressure gradient effects on film cooling. Proceedings of ASME Turbo Expo. 1995. V. 4. Paper No 95–GT–018. P. V004T09A018. 8 pages, doi:10.1115/95-GT-018. 13. Lutum E. Wolfersdorf J., Semmler K., Dittmar J., Weigand B. An experimental investigation of film cooling on a convex surface subjected to favorable pressure gradient flow. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2001. V. 44. P.939–951. 14. Bunker R.S. A review of shaped hole turbine film- cooling technology. Journal of Heat Transfer. 2005. V.127, No 4. P.441–453. 15. Khalatov A.A., Borisov I.I., Dashevskyy Yu.Ya., Kovalenko A.S., Shevtsov S.V. Effektivnost plenochnogo ochlaxhdeniya ploskoi poverchnosti odnoryadnoi systemoi naklonnych otverstiy v kraterach pri uskorenii vneshnego potoka. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2013. №3/12(63). P.54–58. (Rus.) 16. Khalatov A.A., Borisov I.I., Dashevskyy Yu.Ya., Kovalenko A.S., Shevtsov S.V. Flat plate film cooling from a single-row inclined holes embedded in a trench: effect of external turbulence and flow acceleration Thermophysics and aeromechanics. 2013. V.20, №6. P.713–719. 17. Khalatov A.A., Borisov I.I., Bezludnaya M.V., Panchenko N.A., Dashevskyy Yu.Ya. Perspektivnyje sposoby plenochnogo ochlazhdeniya: vliyaniye uskoreniya vneshnego potoka. Visnyk NTU «KhPI». 2015. 15(1124). P.56 –62. (Ukr.) Отримано 09.02.2018 Received 09.02.2018

Современные способы пленочного охлаждения: влияние ускорения потока

Репозитарії

Схожі ресурси