CC BY
0УДК 62
Лепанья Мойопа Чимба В.С.
Уфимский университет науки и технологий (г. Уфа, Россия)
ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООТДАЧИ
В ОХЛАЖДАЮЩИХ КАНАЛАХ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ ГТД
Аннотация: рассматривается применение трехмерной модели лопатки турбины ГТД для расчета теплоотдачи в круглых радиальных каналах конвективной системы охлаждения. Модель системы охлаждения включает шесть радиальных каналов, расчеты проведены для пяти режимов, отличающихся расходом охлаждающего воздуха. Результаты расчетов позволяют сопоставить значения коэффициентов теплоотдачи, полученные в численных расчетах, с теми значениями, которые определяются по известным уравнениям подобия. Удовлетворительное совпадение позволит, в дальнейшем, использовать программный комплекс ANSYS CFX для расчета теплоотдачи в каналах конвективных систем охлаждения сложной геометрии.
Ключевые слова: трехмерная модель, численный расчет, теплоотдача, лопатка турбины ГТД, каналы системы охлаждения.
Разработка современных авиационных ГТД включает, в частности, постоянную работу над увеличением термодинамического КПД их цикла, что требует повышения температуры газа перед турбиной Тг* и степени повышения давления воздуха в компрессоре пк*. Уровень температур в условиях эксплуатации для элементов проточной турбин, которые испытывают интенсивный нагрев со стороны газа, требует высокой эффективности системы охлаждения, в том числе при использовании современных материалов, обладающих высокой термостойкостью и термопрочностью. Поэтому повышение температуры газа Тг* требует разработки более эффективных систем охлаждения наряду с разработкой новых термопрочных материалов.
1672
Применение для изготовления лопаток конструкционных сплавов с повышенным допустимым пределом температур стенок Тс во взаимосвязи с увеличением эффективности систем охлаждения, позволяет увеличить температуру газа перед турбиной с обеспечением требуемых надежности и ресурса эксплуатации.
В статье рассматриваются результаты численного моделирования теплового состояния рабочей лопатки первой ступени турбины ГТД ТВ3-117 при различных расходах охлаждающего воздуха в конвективной системе охлаждения с продольными каналами в пакете АКБУБ СБХ. Выполнено сравнение теплового состояния лопатки как по уровню температур, так и с точки зрения неравномерности температурного поля.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ.
Для оценки способов охлаждения лопаток используют понятие интенсивности охлаждения:
в = Т*-Тм, (1)
гр * гр* ' \ /
Тм - температура металла охлаждаемых лопаток.
Интенсивность охлаждения может изменяться от 0 до 1. Она равна нулю, когда охлаждение отсутствует и увеличивается по мере роста эффективности охлаждения.
Интенсивность охлаждения возрастает с увеличением безразмерного параметра охлаждения:
р _ ^охл в^р в
Р°хл = а¥л ' (2)
где вохл в - расход охлаждающего воздуха, кг/с, Ср в - удельная теплоемкость охлаждающего воздуха, кДж/(кг К), а - коэффициент теплоотдачи по профилю лопатки (среднее значение), Вт/(м2К),
1673
/л - площадь поверхности лопатки с газовой стороны, м2.
В современных ГТД, в зависимости от начальной температуры газов количество охлаждающего воздуха, отбираемого за отдельными ступенями компрессора, составляет:
9оХЛ = ^ ^ 0,04-0,1, (3)
где %Сохл в - суммарный расход воздуха для системы охлаждения, отбираемого из компрессора, кг/с,
Gк - количество поступающего в компрессор воздуха, кг/с.
РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ.
Трехмерная модель лопатки представлена на рисунке 1 и представляет собой два тела-лопатку и примыкающий к ней межлопаточный канал.
Рисунок 1. Расчетная модель рабочей лопатки для системы АКБУБ СБХ Охлаждающий воздух, В- Омывающий газ, С- Перо лопатки.
Расчетная 3Б модель обтекающего газа и охлаждающего рабочего тела приведена на рисунке 2. Модель соответствует геометрии проточной части
1674
турбины ГТД ТВ3-117 для рабочего колеса первой ступени, выходная область продлена для лучшей сходимости решения.
Параметры, использованные в расчетах:
расход газа на входе в соседние межлопаточные каналы 0,067 кг/с, полная температура газа на входе в соседние межлопаточные каналы (с учетом относительного движения рабочего колеса) 1263,4 К, статическое давление на выходе из ступени 587,6 кПа, расход охлаждающего воздуха на входе в каналы охлаждения турбины 0,004 кг/с,
полная температура потока охлаждающего воздуха на входе в систему охлаждения турбины 608 К,
модель турбулентности k-s, модель переноса тепла TotalEnergy,
Зависимости коэффициента теплопроводности, удельной теплоемкости воздуха и газа от температуры заданы при помощи соответствующих формул.
На рисунке 3 представлено дерево расчета в WORKBENCH ANSYS
CFX.
1675
: 0 j m i!»i J J"-
Ul "яд* tw
Рисунок 3. Дерево расчета в WORKBENCH ANSYS CFX.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ.
Результаты расчетов представлены в (таблица 1 и 2), график изменения глубины на (рисунке 4) и состояние пера лопатки (рисунок 5). Результаты расчета осредненных параметров (таблица 1).
Таблица 1. Результаты расчета осредненных параметров.
Параметры 0,5Goxn Сохл l,2Goxn l,4Goxn l,6Goxn
Скорости на выхода нз каналов охлаждения, м/с ЯЕЫК1 6 В, 04 79,555 В5,6В 92,323 99,36
23,39 53,51 65,07 76,3 В В7,5
Полная температура на выходе нз канала охлаждения, К J^EIEI 931,00В 91ВД93 911,ВВ 90В,552 905,5
936, В 943,72 942, В94 942,15 940,9
Нагрев охлаждающего воздуха, К Д1*1 323,01 310,19 303,ВВ 300,55 297,50
Д Г:-й 32В. ВО 335.72 334. В9 334.15 332.90
Средняя по площади температура лопатки, К 1165,44 1131,59 1120,97 1111,31 1102,43
Средняя по объёму температура лопатки, К 1159,99 1123,24 1111,68 1101,12 1091,42
Глубина охлаждения, В 0,241 0,352 0,3 S7 0,41S 0,44S
График изменения глубины охлаждения лопатки в зависимости от расхода охлаждающего воздуха представлен на рисунке 4 и тепловое состояние пера лопатки на рисунок 5.
1676
кг/с
Рисунок 4. График изменения глубины охлаждения лопатки в зависимости от
расхода охлаждающего воздуха.
Рисунок 5. Тепловое состояние пера лопатки.
Таблица 2. Интервал температур для каждого параметра.
Параметры 0,5Gохл Gохл 1,2Gохл 1,4Gохл 1,6Gохл
Средняя по объёму температура лопатки, (К) 1159,99 1123,24 1111,68 1101,12 1091,42
Результаты расчета коэффициента теплоотдачи а в первом канале (таблица 3).
1677
Таблица 3. Результаты расчета коэффициента теплоотдачи а в первом канале.
Параметр 0,5Gохл Gохл 1,2Gохл 1,4Gохл 1,6Gохл
Динамическая вязкость Па. с 0,000047 0,000047 0,0000407 0,0000407 0,000047
Удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг»К) 1004 1004 1004 1004 1004
Коэффициент теплопроводности, 0,0261 0,0261 0,0261 0,0261 0,0261
Плотность, кг/м3 1,56 1,56 1,57 1,56 1,44
Кинематическая вязкость, м2/с 0,0000089 0,0000087 0,0000081 0,0000085 0,0000087
Рг 0,704 0,704 0,704 0,704 0,71
Коэффициент температуропроводности, м2/с 0,0675 0,0675 0,0675 0,0675 0,0675
Яе 23824 37081 43167 49468 55912
Dг 0,02325 0,02325 0,02325 0,02325 0,022325
Ш 62,776 89,435 100,996 112,627 124,673
а, Вт/(м2-К) 1956,83 2243,79 2396,24 2559,59 2729,29
Получены количественные оценки влияния увеличения коэффициентов теплоотдачи на снижение температур лопатки, как средних по объему и площади, так и локальных по различным расчетным сечениям. Как видно из рисунка 4, глубина охлаждения лопатки увеличивается примерно пропорционально увеличению расхода охлаждающего воздуха, который практически линейно влияет на число Рейнольдса, от которого зависит коэффициент теплоотдачи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
1678
Коэффициенты теплоотдачи в каналах охлаждения получены на основе общей постановки задачи определения температурного поля лопатки в среде АКБУБ СБХ, т.е без использования соответствующих уравнений подобия в качестве исходных данных. В этой связи представляет интерес сравнение численных значений с теми, которые вытекают из уравнений подобия. В ходе сравнения установлено удовлетворительное совпадение значений для условий поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о возможности использования пакета АКБУБ СБХ для решения аналогичных задач с охлаждающими каналами сложной геометрии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Кудоярова В.М., Кишалов А.Е. решение прикладных задач теплообмена и гидрогазодинамики в пакете ansys: учебное пособие / уфимск. Гос. Авиац. Техн. Ун-т. -Уфа: РИК УГАТУ, 2016. -219 с.;
2. Ansys [электронный ресурс]: инженерный анализ и численное моделирование. - компьютерная программа;
3. Ахмедзянов Д.А., Кишалов А.Е. «газодинамическое моделирование в программном комплексе «ansys cfx и ansys work bench». Методические указания к лабораторной работе. - Уфа, УГАТУ, 2008 г. - 46 с;
4. Михеев М. А. Основы теплопередачи. М.: Государственное энергетическое издательство, 1949. 396 с. [M. A. Mikheev. "Fundamentals of heat transfer", (in Russian), State Energy Publishing House. 1949.]
1679
Lepanya Moyopa Chimba V.S.
Ufa University of Science and Technology (Ufa, Russia)
APPLICATION OF A THREE-DIMENSIONAL MODEL FOR NUMERICAL CALCULATION OF HEAT TRANSFER IN COOLING CHANNELS OF TURBINE BLADES OF THE GTE
Abstract: the application of a three-dimensional model of a turbine blade of a gas turbine engine for calculating heat transfer in circular radial channels of a convective cooling system is considered. The model of the cooling system includes six radial channels, calculations were carried out for five modes differing in the flow rate of cooling air. The calculation results make it possible to compare the values of the heat transfer coefficients obtained in numerical calculations with those values determined by known similarity equations. A satisfactory match will allow, in the future, to use the ANSYS CFX software package to calculate heat transfer in convective cooling channels of complex geometry.
Keywords: three-dimensional model, numerical calculation, heat transfer, turbine blade, cooling system channels.
1680
