2 / 15
may be impossible due to the absence of a liquid coolant. The walls of the duct require
protecting due to a high level of the thermal load. This problem can be solved by
applying a gaseous film cooling system. The paper discusses the problem of increasing
the film cooling efficiency for the high elongation ducts with transonic and supersonic
flow velocities (i.e. reducing the required coolant mass flow rate) by optimizing the
flow swirl level. The obtained computational functions allow estimating the impact
of design drivers, a flow regime, and flow turbulence on the efficiency of the gaseous
film cooling. The results can be used for designing hyperthermal ducts, generator
exhaust units, technological unit barrels, mixing and afterburner chambers.
Keywords
:
rotation, film cooling, transonic flow, mathematical modeling, high
elongation duct.
Цилиндрические каналы, характерная длина которых более чем в
10 раз превышает диаметр, достаточно часто используются в каче-
стве высокотемпературных трактов и выхлопных системы газогене-
раторов [1], насадков технологических установок [2], камер смеше-
ния [3] и прочих устройств энергосиловых установок. Особое место
занимают каналы с транс- и сверхзвуковыми скоростями течения га-
за, отличительной чертой которых является высокая (более 2000 K)
температура ядра потока и значительный окислительный потенциал,
а также возможное наличие конденсированной фазы. Уровень стати-
ческого давления потока рабочего тела в таких каналах обычно со-
ставляет 0,1. . . 5 МПа. Стенки канала при этом подвержены значи-
тельному тепловому нагружению, что приводит к необходимости их
защиты. Использование классического проточного охлаждения в ря-
де случаев сопряжено с серьезными конструктивными сложностями
или невозможно ввиду отсутствия достаточного количества жидкого
охладителя в энергосиловых установках и технологическом оборудо-
вании определенного класса. Одним из возможных технических реше-
ний указанной проблемы является применение завесного охлаждения.
В настоящей работе исследуется эффективность системы завесного
охлаждения, схема которой приведена на рис. 1. Основными элемен-
тами проточного тракта являются:
1
— форкамера;
2
— звуковое сопло
с диаметром критического сечения
d
;
3
— кольцевая щель шириной
b
,
длиной
l
, отделенная от основного потока перегородкой с толщиной
s
;
4
— стенка цилиндрического канала с диаметром
D
. Ввод охлади-
теля в кольцевую щель может быть спутным или тангенциальным по
отношению к основному течению. Газовый поток в рассматриваемом
канале условно подразделяется на четыре зоны: низкотемпературную
пристеночную область
5
, высокотемпературное ядро потока
6
, зону
основного смешения
7
и зону выравнивания потока
8
.
Работа является продолжением исследований [4] и направлена на
оптимизацию параметров вдува холодного газа для охлаждения транс-
и сверхзвуковых каналов большого удлинения. В работе [4] показано,
что использование тангенциальной подачи охладителя позволяет в 2–3
раза увеличить относительную протяженность ядра потока и снизить
необходимый массовый расход охладителя на 40. . . 60%.
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2015. № 4 21