CC BY
36
Наведено результати експерименталь-ного дослидження гидродинамжи закрученого потоку у видкритому цилтдричному кана-лi дiаметром 20 мм та довжиною 280 мм з танТенцшним завихрювачем прямокутно-го перерiзу на входi. Дослидження викона-но стосовно до системи внутршнього охо-лодження циклонного типу лопатки газовог турбти. Визначено поля статичного та повного тиску, поверхневий кут закрутки потоку, гiдравлiчнi втрати в каналi та в танТенцшному завихрювачi
Ключовi слова: гидродинамжа, закруче-ний потж, цилтдричний канал, охолоджен-
ня, лопатка, газова турбта
□-□
Представлены результаты экспериментального исследования гидродинамики закрученного потока в открытом цилиндрическом канале диаметром 20 мм и длиной 280 мм с тангенциальным завихри-телем прямоугольного сечения на входе. Исследование выполнено применительно к системе внутреннего охлаждения циклонного типа лопатки газовой турбины. Определены поля статического и полного давления, поверхностный угол закрутки потока, гидравлические потери в канале и тангенциальном завихрителе
Ключевые слова: гидродинамика, закрученный поток, цилиндрический канал,
охлаждение, лопатка, газовая турбина □-□
The results of experimental study of swirling flow hydrodynamics in an open cylindrical channel are considered. The channel diameter is 20 mm, the length is 280 mm; it was supplied with tangential swirl generator at the inlet. The static and total pressure fields, surface swirl flow angle, hydraulic losses in the channel and tangential swirl generator are given
Key words: hydrodynamics, swirling flow, cylindrical canal, cooling, blade, gas turbine
УДК 532.516:536.24.01
ГИДРОДИНАМИКА ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА В КАНАЛЕ ЦИКЛОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТКИ ГТД
А.А. Халатов
Доктор технических наук, профессор, заведующий
отделом*
Контактный тел.: 8 (044) 456-93-02 Е-mail: khalatov@vortex.org.ua
И.И. Борисов
Кандидат технических наук, старший научный
сотрудник*
Контактный тел.: 8 (044) 453-28-53 Е-mail: borisov@vortex.org.ua
Ю.Я. Дашевский
Ведущий конструктор НПКГ «Зоря»-Машпроект» просп. Жовтневий, 42а, г. Николаев, Украина, 54018 Контактный тел.: 8 (0512) 49-76-53
С.Д. Северин
Кандидат технических наук, старший научный
сотрудник*
Контактный тел.: 8 (044) 453-28-53 *Отдел высокотемпературной термогазодинамики Институт технической теплофизики НАН Украины ул. Желябова, 2а, г. Киев, Украина, 03057
1. Введение
Применение закрученного потока рассматривается в настоящее время как одно из наиболее перспективных направлений совершенствования охлаждения внутренней полости лопаток ГТД, благодаря высокому уровню интенсификации теплообмена и технологичности изготовления каналов охлаждения. Интенсификация теплообмена в этом случае обусловлена
высокими радиальными градиентами статического и полного давления, скорости и температуры потока, значительным уровнем турбулентности в приосевой зоне, существенным увеличением скорости потока в пристеночной области. Среди различных способов начальной закрутки потока широкое распространение получил тангенциальный подвод [1, 2], благодаря простоте и технологичности его реализации.
Гидродинамика потока в цилиндрическом канале с тангенциальной закруткой ( в = 00) на входе подробно рассмотрена в работах [1, 2], где представлены обобщенные уравнения для осевой и вращательной скорости потока, радиуса зоны обратного течения, статического и полного давления, параметра закрутки потока и потерь давления. Показано, что поток с начальной закруткой потока характеризуется двумя участками: начальным и основным. На начальном участке, длина которого составляет 2...3 диаметра канала, на характер распределения локальных параметров закрученного потока значительное влияние оказывает тип завих-рителя и степень закрутки потока; здесь имеет место существенная скоростная неравномерность потока в азимутальном направлении. На основном участке канала безразмерное радиальное распределение осевой и вращательной скорости потока определяется локальной интенсивностью закрутки потока и является автомодельным по числу Рейнольдса.
Подавляющее большинство публикаций относятся к случаю подачи воздушного потока в относительно короткий канал тангенциального завихрителя из емкости больших размеров (резервуара с пренебрежимо малой скоростью потока) или через достаточно длинный тангенциальный канал, обеспечивающий развитый профиль скорости [3]. С практической точки зрения наибольший интерес представляют короткие каналы тангенциального завихрителя. Опытные данные работы [4] показали, что с ростом отношения ширины тангенциального завихрителя к его высоте интенсивность теплообмена в канале уменьшается.
При тангенциальной закрутке потока ( в =00) происходит «разворачивание» потока в канале с преобразованием тангенциально-закрученного потока в поступательно-вращательное движение, что приводит к потерям полного давления. В работе [4] рассмотрена наклонно-тангенциальная подача воздушного потока в цилиндрический канал при в =300 и 600. Показано, что за одиночным тангенциальным подводом наблюдается «ленточный» характер течения и азимутальная несимметричность потока, которая исчезает на расстоянии 5 диаметров канала от завихрителя. С ростом величины угла в степень азимутальной неравномерности потока возрастает, а интенсивность теплообмена в канале уменьшается.
При наклонно-тангенциальной закрутке за счет поворота потока возникает неравномерность скоростного поля в сечении завихрителя и возникают зоны отрыва потока. Одновременно за счет снижения тангенциальной скорости уменьшается степень закрутки потока в канале и интенсивность теплообмена. В канале с тангенциальной и, особенно, с наклонно-тангенциальной закруткой потока в торцевой области канала (области завихрителя) могут возникают торцевые течения и зоны рециркуляции потока, способствующие росту гидравлических потерь [1]. Очевидно, что подача дополнительного воздуха в эту зону под углом близким к углу закрутки потока в в тангенциальном завихрите-ле может способствовать улучшению гидродинамики и снижению общих потерь давления.
Основной задачей настоящей работы было экспериментальное исследование гидродинамических характеристик закрученного потока в цилиндрическом канале с наклонно-тангенциальной закруткой потока
и подачей дополнительного воздуха в торцевую (донную) область канала, а также определение гидравлических потерь в канале и тангенциальном завихрителе.
2. Экспериментальная установка и методика проведения измерений
Экспериментальный установка представляет собой открытый газодинамический контур, схема которого, показана на рис. 1. Воздух от компрессора 1 через фильтр-регулятор давления 2 AW60-F10H фирмы SMC, который удаляет влагу из воздуха и поддерживает постоянное давление на входе в экспериментальный участок, вентили 7, 8, 9 и ротаметры 3, 4, 5 подается в экспериментальный участок 6, состоящий из двух со-осных каналов.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда для исследования гидродинамики закрученного потока в цилиндрическом канале. 1-компрессор; 2-фильтр-регулятор; 3,4,5-ротаметры; 6-рабочий участок;
7, 8, 9-вентили Большая часть воздушного потока через ротаметры 4 и 5 поступает в закрытый с торца «глухой» канал прямоугольного сечения, конструкция которого обеспечивает наклонную подачу потока (под углом в ) в тангенциальный завихритель, и далее - в открытый цилиндрический канал диаметром d = 20 мм и длиной
1 = 280 мм. Другая часть воздуха (до 20% по массовому расходу) подается в торцевую (донную) область канала. Регулировка подачи дополнительного воздуха обеспечивается вентилем 8, а его расход измеряется ротаметром 3. Открытый цилиндрический канал прозрачный, он выполнен из оргстекла для обеспечения визуальных наблюдений.
Измерения проводились в открытом цилиндрическом канале, тангенциальный завихритель представлял собой тангенциальную прямоугольную щель высотой Ь = 5 мм и шириной Ь. = 59 мм. Площадь щели завихрителя составляла 295 мм2, а отношение площади тангенциального завихрителя и цилиндрического канала равнялось 0,93. В стенке канала на расстояниях хь х2 и х3 от «среза» тангенциальной щели выполнены приемные отверстия диаметром 0,8 мм для измерения избыточного статического давления.
Подача дополнительного воздуха в экспериментальный участок осуществлялась в торцевой (донной) области канала через круглое отверстие диаметром 5 мм, выполненное на радиусе г = 5 мм под углом в д около 450 к оси канала (рис. 1). Эта подача осуществлялась в направлении основной закрутки потока таким образом, чтобы вектор скорости дополнительного потока на выходе из отверстия имел две составляющие - осевую и тангенциальную, абсолютные значения которых примерно равны = wД ). Радиальная компонента скорости в данном случае равнялась нулю.
Схема экспериментального участка показана на рис. 2, а его основные размеры приведены в таблице. Таблица
Геометрические размеры экспериментального участка
Параметр а мм Ь, мм в, град ь, мм 1, мм Х1, мм Х2, мм Х3, мм
Значение параметра 20 5 60 59 280 30 137 243
В экспериментах измерялись статическое давление на входе в завихритель, статическое давление на стенке цилиндрического канала в трех точках по длине (рис. 2; х1, х2, и х3). Измерялись также профиль избыточного полного давления в цилиндрическом канале, расход основного и дополнительного потока воздуха, угол закрутки потока на стенке канала, температура воздуха на входе в экспериментальный участок.
Рис. 2. Основные размеры рабочего участка. Координаты х-|-хз соответствуют точкам отбора статического давления (см.таблицу)
Расход основного и дополнительного воздуха измерялся ротаметрами, давление воздуха перед измерителями расхода определялись стрелочными манометрами. Статическое давление и динамический напор определялись водяными дифференциальными манометрами. Профили избыточного полного давления измерялись датчиком полного давления, представляющим собой трубку диаметром 1,6 мм с приемным отверстием диаметром 0,8 мм. Датчик устанавливался в координатном устройстве, которое позволяло вращать приемное отверстие по угловой координате с поиском максимального скоростного напора, а также перемещать датчик вдоль диаметра канала. Температура воздушного потока на входе измерялась хромель-алю-мелевой термопарой.
Угол закрутки потока на стенке экспериментального канала определялся с помощью ввода в поток струйки жидкости, которая формировала на стенке канала хорошо видимую спиральную линию. При измерении шага спирали t масштабной линейкой из уравнения = п ■ d /1, где d - диаметр канала, определяли угол закрутки потока на стенке канала фж . По длине канала в зависимости от условий эксперимента формировались 3-4 спирали, что дало возможность построить зависимость изменения угла закрутки по длине канала. Значение поверхностного угла закрутки при х = 0 («срез» тангенциального завихрителя) определялось экстраполяцией измеренных значений угла закрутки на начало координат.
Эксперименты выполнены при одном значении расхода воздуха через тангенциальный завихритель равном 23,4 г/с. При этом расход воздуха через дополнительный канал Gд составлял 0; 2,0 и 3,45 г/с. Число Рейнольдса, рассчитанное по суммарному расходу воздуха в экспериментальном участке, составляло (8...9)-104, что соответствовало турбулентному режиму течения в канале.
3. Результаты экспериментов и их анализ
Полное давление. Измерение профиля избыточного полного давления проводилось для трех случаев - при отсутствии дополнительного потока, а также при подаче дополнительного потока в торцевую (дон-ную)область канала ^вх = 0,085; 0,174).
Радиальное изменение избыточного полного давления в сечении х/а = 14,0 приведено на рис. 3. При наклонно-тангенциальной закрутке потока поток является азимутально неравномерным. Подача дополнительного воздуха приводит к росту полного давления в канале, причем по мере увеличения расхода Gд профиль избыточного полного давления становится более симметричным относительно оси канала. Профиль избыточного полного давления является переменным по радиусу канала и характеризуется значительным радиальным градиентом. При г/гканала < 0,30 избыточное полное давление в канале принимает отрицательное значение, т.е. в центре канала наблюдается область разрежения.
Расчеты, выполненные по методике [2] для в = 00 показали, что зона отрицательных значений избыточного полного давления для условий эксперимента составляет г/гканала = 0,20. Как следует из данных,
приведенных на рис. 3, радиус зоны отрицательных значений Р*изб незначительно изменяется по длине канала и в сечении х/1 = 14,0 составляет 0,32...0,39 в нижней части канала (г/гканала <0) и 0,23...0,3 - в верхней. Таким образом, несимметричность профиля полного давления сохраняется на достаточно большом расстоянии от завихрителя.
(О 1=
л к А
¥
у ^— 4
■ / Ш
-1 0
■ V — —' -О- ею =0 Д ВХ. -Д- в /в = 0,0855 Д ВХ. 1 =0,1474
, I , I , I ,
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Г/Г
канала
Рис. 3. Распределение полного давления в закрученном потоке по радиусу канала в сечении х/с1=14,0
Среднее по сечению канала полное давление Р*изб.ср характеризует энергию закрученного потока [2]. Ранее в работе [2] было экспериментально показано, что при в = 00 в закрученном потоке выполняется приблизительное равенство:
Ризб. w ~ Р изб. ср.
(1)
дополнительного воздуха представлено на рис. 4. Интерполяция измеренных значений тангенса угла закрутки на стенке канала на начало координат (х = 0) при Gд/Gвх = 0 (линия 1) показывает, что начальный угол закрутки потока ф№0 равняется 48,50, что близко к значению в д = 450 принятого для дополнительного потока. Сравнение с данными работы [2] для в = 00 и Gд = 0 (линия 4) показывает, что в отличие от случая в = 00 закрученное течение в цилиндрическом канале с тангенциальным завихрителем при (3 = 60° характеризуется более высоким темпом затухания закрутки.
1,1 1,0
0,9
9?
О) 0,8
ч—' '
0,7
0,6
^-°д/Свх = °.0855 ^-Сд/Свх = °.1474 -- открытый канал, р = 0° [1 ]
...............
где Р*изб.ср - среднее по сечению канала избыточное полное давление; Ризб. w - избыточное статическое давление на стенке канала в этом же сечении.
Равенство (1) получено для цилиндрического канала с открытым выходом и без дополнительного потока в торцевой (донной) области канала. Для проверки применимости этого равенства к условиям экспериментов было проведено интегрирование профилей избыточного полного давления (рис. 3) с нахождением среднеинтегрального значения Р*изб.ср. Полученные результаты показали, что для условий экспериментов равенство (1) выполняется с точностью 97...98% и его использование для наклонно-тангенциальной закрутки и дополнительной подачи потока в торцевую область является обоснованным.
Величина полного давления за тангенциальным завихрителем возрастает с увеличением дополнительного расхода воздуха Gд. Как и для случая классического тангенциального подвода ( в = 0) избыточное среднее полное давление в потоке уменьшается по длине канала. На выходе из канала полное давление, которое характеризует выходные потери, примерно одинаково для всех значений расхода воздуха через дополнительный канал. Эти потери составляют 25...30% от величины полной энергии потока на входе (среднего полного давления) в сечении х = 0.
Угол закрутки потока. Изменение угла закрутки потока на стенке канала в зависимости от расхода
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 X, М
Рис. 4. Распределение тангенса угла закрутки потока по длине канала
0,88 0,86 0,84 0,82 0,80 0,78
9-ся
0,76
\
\ \
\
\ \
0,00 0,02 0,04
0,06 0,08 в /в
0,10 0,12 0,14 0,16
Рис. 5. Зависимость тангенса угла закрутки потока от относительного расхода воздуха через дополнительный канал
С ростом расхода дополнительного воздуха начальный угол закрутки потока ф№0 уменьшается, а характер изменения угла закрутки потока по длине канала существенно изменяется. При больших значениях Gд/Gвх закрутка потока значительно уменьшается в области около завихрителя, а угол закрутки по длине канала изменяется по кривой с максимумом примерно в середине канала. Таким образом, подача дополнительного потока может служить эффективным средством изменения степени закрутки потока по длине канала.
Осредненное по длине канала значение тангенса угла закрутки потока в зависимости от отношения Од/Овх. представлено на рис. 5. Экспериментальная зависимость имеет максимум в области Сд/Свх ~ 0,06...0,07, что близко к случаю равенства абсолютных скоростей потока через дополнительное отверстие и тангенциальный завихритель. При Сд/Свх > 0,06...0,07 имеет место торможение потока, выходящего из завихрителя, струей дополнительного потока и уменьшение степени его закрутки (tgфw ) в начальной области канала.
При Сд/Свх < 0,06...0,07 наблюдается обратное влияние.
Потери полного давления в тангенциальном завих-рителе. На рис. 6 представлена зависимость коэффициента сопротивления тангенциального завихрителя от величины относительного расхода дополнительного воздуха. Потери полного давления определялись в соответствии с выражением:
АР*
С* __завихр.
за!
0,5рш
— 2
w
щ уу щ
(2)
где АР*авнхр_ - потери полного давления в тангенциальном завихрителе при наклонной подаче; рщ, -плотность воздуха и среднерасходная скорость в канале завихрителя.
3,6 3,4 3,23,02,82,6 2,42,2 2,0
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16
ею
Д вх.
Рис. 6. Коэффициент сопротивления тангенциального завихрителя в зависимости от относительного расхода воздуха через дополнительный канал
В данном случае вследствие особенностей гидродинамики сопротивление завихрителя включает две составляющие - потери в самом завихрителе (входные, выходные, потери на трение), а также потери на смешение основного и дополнительного потоков (область тангенциального завихрителя). Как следует из рис. 7, с ростом отношения Од/Овх. [1, 2] коэффициент сопротивление завихрителя увеличивается.
Потери полного давления по длине канала. На рис. 7 приведено продольное изменение относительных потерь полного давления в экспериментальном канале. Здесь А,* - потери полного давления в канале с наклонно-тангенциальной закруткой потока; Х0 - потери полного давления в канале для осевого потока при том же значении числа Рейнольдса. Из рисунка видно, что эти потери уменьшаются по длине канала и незначительно возрастают при увеличении относительного рас-
хода дополнительного воздуха. До середины канала (х = 0,12 м; х/а = 6,0) относительные потери полного давления примерно постоянны по длине, но затем наблюдается их резкое снижение.
10 9
В-
*с<
1 - вювх =0.0 2 - в /в = 0.0855 Д вх. 3-е/в =0.1474 Д ВХ. -
л
1 \ со
\
\\
3 0,00
0,05
0,10 0,15 X, м
0,20
0,25
Рис. 7. Относительные потери полного давления по длине канала
На рис. 8 представлена зависимость средних в канале относительных потерь полного давления от величины относительного расхода дополнительного воздуха. Из рисунка видно, что с ростом отношения Од/Овх относительные потери давления в канале увеличиваются, причём особенно заметно при Од/Овх >0,06.0,08.
Рис. 8. Осредненные относительные потери полного давления в канале
4. Выводы
Выполненное исследование показывает, что закономерности течения закрученного потока в цилиндрическом канале при наклонно-тангенциальной закрутке потока ( в = 600) и дополнительной подаче воздуха в торцевую область канала отличаются от результатов, полученных при классической схеме тангенциальной закрутки ( в = 00). Можно отметить следующие особенности гидродинамики исследованного способа закрутки потока:
• при больших значениях отношения Од/Овх, подача дополнительного воздуха в торцевую (донную) область канала уменьшает угол закрутки потока в области около тангенциального завихрителя и способствует снижению несимметричности радиального профиля полного давления;
• закрученный поток в канале является азимуталь-но-неравномерным; подача дополнительного потока может служить эффективным средством гидродинамического воздействия на поток, изменения степени закрутки потока и теплообмена в канале;
• с увеличением расхода дополнительного воздуха потери полного давления в тангенциальном завихри-теле и в канале возрастают; по длине канала относительные потери полного давления особенно заметно снижаются во второй половине канала.
Литература
1. Щукин В.К., Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. - М.: Машиностроение, 1982. - 200 с.
2. Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. - Киев: Наук. думка, 1989. - 192 с.
3. Hedlund C.R., Ligrani P.M. Local swirl chamber heat transfer and flow structure at different Reynolds numbers // Journal of Turbomachinery. - 2000. - Vol. 122.- Р. 375-385.
4. Хэй Н., Вест П.Д. Теплообмен в трубе с закрученным потоком // Теплопередача. Сер.С. -1975. - №3. - С.100-106.
Вивчено вплив термообробки при високих тисках в pÏ3hux середовищах на структуру i властивостi монокристалiв сапфiра
Ключовi слова: вплив, термообробка, структура, властивостi, монокристали, сапфiр
Изучено влияние термообработки при высоких давлениях в различных средах на структуру и свойства монокристаллов сапфира
Ключевые слова: влияние, термообработка, структура, свойства, монокристаллы, сапфир
The impact of thermal processing under high pressures has been studied, in different environments on the structure and properties of mon-ocrystal sapphire
Key words: the impact of thermal processing, structure, properties of monocrystal sapphire
УДК 621.922.069:678
ВЛИЯНИЕ PJ-ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛА САПФИРА
А.А. Шульженко
Доктор технических наук, профессор, главный научный
сотрудник
Отдел технологии синтеза и спекания СТМ*
О.А. Розенберг
Доктор технических наук, профессор, заведующий
отделом
Отдел перспективных ресурсосберегающих технологий механообработки инструментами из СТМ*
А.Н. Соколов
Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Отдел технологии синтеза и спекания СТМ* *Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН
Украины
ул. Автозаводская, 2, г. Киев, Украина, 04074
1. Введение вернуть человеку подвижный безболезненный сустав,
позволяющий вернуться к привычной жизни. Эндопротезирование суставов - очень точное хи- Идеальный эндопротез должен обладать теми же
рургическое вмешательство, целью которого является свойствами, которые присущи истинному сустав-
