Моделирование сопряженной задачи трения и теплообмена при транспирационном охлаждении лопаток газовых турбин - page 1

УДК 628.428
М. И. О с и п о в, А. В. В е р е т е л ь н и к
МОДЕЛИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕННОЙ ЗАДАЧИ
ТРЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ
ТРАНСПИРАЦИОННОМ ОХЛАЖДЕНИИ
ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН
Разработана модель численного расчета теплообмена в сопловых
лопатках высокотемпературных газовых турбин с транспираци-
онным охлаждением. Модель включает в себя совместный числен-
ный расчет конвективного теплообмена, теплообмена в каналах
трансперации и кондуктивного теплообмена в твердом теле ло-
патки. Приведены результаты, характеризующие структуру внеш-
него течения, течения в каналах транспирации и в областях вы-
дува. Представлены распределения эффективности охлаждения,
удельных тепловых потоков, коэффициентов трения по контуру
сопловой лопатки турбины, и определена возможность получения
приемлемого уровня температуры стенки при температуре газа
на входе в турбину 1800 K и относительном расходе охладителя
ˉ
Gохл = 5, 9 % . Отмечено, что коэффициент потерь на 1,6% боль-
ше, чем у традиционной лопатки.
Разработке методов расчета теплового состояния элементов про-
точной части высокотемпературных газовых турбин посвящено мно-
жество работ [1–9]. Наибольший интерес среди известных способов
охлаждения представляет транспирационная система охлаждения ло-
паток турбин, позволяющая получить высокий уровень эффективно-
сти охлаждения и требуемый уровень температуры стенки при малых
расходах охладителя и при минимальном снижении КПД турбины [2].
Наиболее корректной задачей в данном случае является сопряженная
постановка расчета трения и теплообмена [2–7].
Модель и результаты расчета. Разработанная физическая модель
течения включает анализ течения в зоне газового потока, в каналах
охлаждения и зоне твердого тела, для которых математическое опи-
сание физических явлений различно. Течение газового потока в меж-
лопаточном канале (внешнее течение) и в каналах системы охлажде-
ния (внутреннее течение) моделировалось уравнениями Навье–Стокса
при замыкании SST k −ω -моделью турбулентности, а кондуктивный
теплообмен в стенке — уравнением Фурье. Модель расчета внешнего
течения верифицирована по экспериментальным данным Хилтона [10]
с применением следующих моделей турбулентности: стандартной мо-
дели k− ε, модели Спаларта–Аллмараса, RNG k −ε, Realisable k− ε мо-
дели, стандартной модели k−ω , SST k −ω модели (k−ω модели Мен-
тера) [11–16]. Усовершенствованная модель SST k −ω более точная и
64 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2007. № 1