04 ноября 2017г.
Одним из перспективных направлений исследования вихревого эффекта является изучение работы вихревых труб в системах охлаждения лопаток ГТД и влияние аэроакустического взаимодействия
газодинамических структур на эффективность энергопереноса.
В таких случаях вихревая труба существенно неадиабатна, а качество её применения во многом зависит от интенсивности передачи энергии в форме тепла от периферийного квазипотенциального вихря к стенкам камеры энергоразделения (вариант обогрева стенок) или съема тепла со стенок (вариант тепловой
защиты). Существенные расхождения по величине коэффициента теплоотдачи в зависимости от режима
работы вихревого устройства и отсутствие надежных данных о распределении коэффициента теплоотдачи по длине камеры энергоразделения с учетом влияния затухания окружной компоненты скорости и эффектов подогрева периферийного потенциального вихря не позволяют без дополнительного исследования
использовать вихревые трубы для решения оптимизационных задач. Это
сдерживает их применение в технологиях охлаждения во многих случаях и, как пример, в системах охлаждения элементов конструкции
высокотемпературных газовых и паровых турбин[1].
Впервые использовать вихревые энергоразделители в конструкции охлаждаемой лопатки ГТД предложили японские инженеры (рисунок 1) [2]. ВТ расположена в корне рабочей лопатки, а охлажденный
поток подается к среднему сечению по высоте пера. Тем самым достигается снижение неравномерности
температуры по высоте рабочей лопатки.
Более перспективной является схема [3], в которой две вихревые трубы встраиваются в лопатку пера, а их камеры
энергоразделения расположены вдоль высоты пера лопатки. Охлажденный поток отводится на охлаждение кромок
(рисунок 2).
Численное моделирование расчеты охлаждаемой водяным паром лопатки турбины со встроенными
вихревыми трубами (Рис.3) показало, что область наиболее эффективных режимов (для воздуха) по
эффективности энергоразделения и по коэффициентам теплоотдачи лежит в области μ = 0,5…0,7 и
перепаде
давления π = 2…3,3. Экспериментальные исследования модельной лопатки проводились с использованием в качестве хладагента водяного пара и при относительной доле охлажденного потока μ = 0,6. Полученные в
экспериментах значения коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности охлаждающего канала
лопатки подтвердили достоверность численных расчетов. Максимальное значение коэффициента
теплоотдачи составило α = 1300 Вт/(м2 ·К). В процессе расчёта наблюдались колебания расхода пара через вихревой энергоразделитель, частота колебаний
составляла v= 600...700 Гц
Для более подробного изучения влияния нестационарности течения в вихревой трубе на ее рабочий процесс и поиска оптимальных параметров вихревой трубы для охлаждения лопаток ГТД выполнено
моделирование газодинамики и теплообмена процесса энергоразделения на модели
вихревой трубы(Рис.4).
Течение в каналах вихревого энергоразделителя может быть отражено системой
дифференциальных уравнений неразрывности, движения (в форме Навье-Стокса), энергии и уравнения состояния. В качестве
условия сопряжения на границе «газ – твердое тело» задавались условия непрерывности температуры и равенства тепловых потоков. Моделирование выполнено в трехмерной постановке для вязкого,
турбулентного потока при учете сжимаемости, неизотермичности, отсутствии химических реакций и фазовых превращений. Замыкание
системы уравнений Рейнольдса выполнено двухпараметрической моделью турбулентности k-w SST, а также анизотропной RSM BSL моделью турбулентности. Для изучения акустических явлений использована постановка расчета в нестационарных условиях.
В результате расчета наблюдается периодичность изменения параметров, которая характеризуется частотой порядка 500 Гц показанная на рисунке 5, при средних значениях расхода на входе 4,76 г/с
(колебания -0,8..+1,3%), на выходе холодного потока 2,11 г/с (колебания -6,8..+9,4%). Так же среднее
значение коэффициента теплоотдачи в камере энергоразделения – 850 Вт/(м2К),колебания -19,3..+31,8% (Рис.6).
Полученные расчеты показывают, что использование «классических» изотропных моделей
турбулентности не позволяет описать сложные трехмерные процессы переноса массы, импульса и энергии в
сильно закрученном потоке, движущемся внутри камеры энергоразделения и осложненным ярко выраженным приосевым противотоком. Процессы взаимодействия приосевого и периферийного вихря приводят к
формированию нестационарных полей скорости, давления, температуры. Полученные расчетные характерные пульсации термогазодинамических параметров оцениваются основной частотой порядка 8,3
кГц
и дополнительной частотой порядка 1,6..2,0 кГц. Высокочастотные колебания параметров связаны с газодинамическим взаимодействием периферийного и осевого вихрей, а также генерируемыми ими турбулентными пульсациями. Низкочастотные пульсации вызваны периодической перестройкой поля
скорости вследствие распада периферийного и приосевого вихря вблизи выхода горячего потока из камеры
энергоразделения. При этом можно ожидать очевидную синхронность возмущений во всех трех потоках,
что подтверждается результатами
во всех приведенных последующих рисунках (рис.7,
рис.8).
В
результате расчета
на модели
RSM BSL наблюдается периодичность изменения параметров оценивается основной частотой равна 8300 Гц, дополнительная частота порядка 1600-2000 Гц при средних
значениях расхода на входе 5,59 г/с (колебания -0,1..+0,2%), на выходе холодного потока 4,42 г/с (колебания -0, 6..+0,2%). А так же коэффициент теплоотдачи
в камере энергоразделения равен 1150 Вт/(м2К) (колебания -0,6..+0,3%).
Собственное вращение спирального вихря протекает менее интенсивно по сравнению с вращением
периферийного вихря, что позволяет отнести его ко вторичному течению.
На колебания расхода воздуха, поступающего через проточную часть сопла закручивающего устройства существенное влияние, оказывает прецессионное течение приосевого вихря, в результате
которого происходит периодическое поджатие газа на выходе из сопла. При этом происходит некоторое
возрастание давления на выходе из соплового устройства, которое будет снижать величину располагаемого перепада и, как следствие, скорость истечения и расход. На основании этого можно сделать вывод, что
цикличность изменения расхода на входе в трубу должна совпадать с цикличностью радиальных пульсаций
прецессирующего приосевого вихря. Однако мы располагаем только предположительными данными. Для более точной картины это нужно подтвердить численными и экспериментальными
данными.
Заключение
Численное и экспериментальное исследование вихревой трубы позволило определить интенсивность теплообмена на боковой поверхности камеры энергоразделения. Расчеты с использованием
k-w SST модели турбулентности показали, что коэффициент теплоотдачи равен 850 Вт/(м2К), а на модели
турбулентности RSM BSL 1150 Вт/(м2К).
Различие пульсации в расходах сжатого, охлажденного и подогретого потоков определяется различной степенью влияния возмущений на отмеченные потоки, очевидно связанных с величиной
статического давления во входном и выходном сечениях. Предположительно колебания расхода связаны с частотой прецессии приосевого вихря. Однако это требует в дальнейшем расчетного или опытного подтверждения.
Список литературы
1. Пиралишвили, Ш.А. Вихревой эффект. Технические приложения. Том 2 [Текст]/ Ш. А.
Пиралишвили, В.В. Бирюк, С.В. Веретенников, А.И. Гурьянов - М. :ООО "Научтехлитиздат", 2014. -216с.
2. Кобаяси С. Схема охлаждения лопаток
газовых турбин [Текст] // Патент Японии № 57–45881, 1982 МКИ Г 01D5/18.
3. Пиралишвили, Ш. А. Эффективность охлаждения лопатки рабочего колеса турбины со встроенными в перо малоразмерными
вихревыми
энергоразделителями
[Текст] / Ш. А. Пиралишвили, И. В. Фролова, С. М. Пиотух // ВНТК газотурбин. и комбин. установок. – М.:
МГТУ. – 1987.
– С.
94 –
95.
