Научная электронная библиотека ULRICH'S Periodicals Directory

Сибирский государственный университет
науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева

Сибирский аэрокосмический журнал
ISSN 2712-8970 (Print) ISSN 2782-5760 (on-line)

Сведения об образовательной организации

UDK 621.454.2 Doi: 10.31772/2587-6066-2020-21-3-364-376
ТЕПЛООТДАЧА В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОВЫХ ТУРБИН
А. А. Зуев, А. А. Арнгольд, Э. В. Ходенкова
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева; Российская Федерация, г. Красноярск, 660037, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31; АО «Красноярский машиностроительный завод»; Российская Федерация, 660123, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29
Исследование теплоотдачи от продуктов сгорания (ПС) к рабочему колесу и корпусу газовых турбин жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является актуальной задачей. Решение задачи течения с учетом теплообмена при вращательных течениях в проточных частях турбонасосных агрегатов (ТНА) ЖРД осуществляется следующими способами: численными методами, аналитическим подходом при решении уравнений динамического и температурного пограничных слоев, а также с использованием эмпирических зависимостей. Параметр температуры газообразных ПС и, как следствие, теплообмен между ПС и конструктивными элементами проточной части значительно влияет на рабочие и энергетические характеристики ТНА ЖРД. При проектировании газовых турбин ЖРД необходимо учитывать наличие теплообменных процессов, распределение температур рабочего тела и температур конструктивных элементов в полостях ТНА ЖРД (так как энергетические потери и вязкость зависят от температур рабочего тела, а также определяют параметры течения). Распределение температур в конструктивных элементах определяют работоспособность и надежность агрегата. В случае применения криогенных компонентов топлива в агрегатах подачи ТНА ЖРД, подогрев компонента приводит к реализации кавитационных режимов и падению рабочих и энергетических характеристик. С другой стороны, пониженная температура рабочего тела приводит к повышенной вязкости компонентов и снижению КПД агрегата (особенно при использовании гелеобразных компонентов). При исследовании теплоотдачи в поле центробежных сил для элементов газовых турбин ЖРД необходимо получить совместное решение уравнений динамического и температурного пограничных слоев в граничных условиях проточных частей. Предложена модель распределения динамического и температурного пограничных слоев с учетом конвективной составляющей (для случая газообразного рабочего тела, т. е. Pr < 1), необходимая для аналитического решения и определения коэффициента теплоотдачи в граничных условиях проточных полостей турбины ЖРД. Аналитически получено уравнение энергии для граничных условий температурного пограничного слоя, позволяющего вести интегрирование по поверхности любой формы, необходимое при определении толщин потери энергии. С учетом интегрального соотношения записан закон теплообмена турбулентного пограничного слоя для полостей вращения. Аналитическим путем получены уравнения для определения коэффициента теплоотдачи в виде критерия Стантона для прямолинейного равномерного и вращательных течений для случаев турбулентных режимов течения. Полученные аналитические уравнения для коэффициентов теплоотдачи хорошо согласуются с экспериментальными данными и зависимостями других авторов.
Ключевые слова: коэффициент теплоотдачи, температурный пограничный слой, турбонасосный агрегат, энергетические параметры, турбина.
References

1. Войткунский Я. И., Фаддеев Ю. И., Федяевский К. К. Гидромеханика. Л. : Судостроение, 1982. 456 с.
2. Stoll J., Straub J. Film cooling and heat transfer in nozzles // J. Turbomach. 1988. No. 110. P. 57–64.
3. Dellimore K. Modeling and Simulation of Mixing Layer Flows for Rocket Engine Film Cooling (Ph. D. thesis). University of Maryland at College Park, 2010.
4. Jansson L. S., Davidson L., Olsson E. Calculation of steady and unsteady flows in a film-cooling arrangement using a two-layer algebraic stress model // Numer. Heat. Transf. 1994. Part A 25. P. 237–258.
5. Cruz C. Experimental and Numerical Characterization of Turbulent Slot Film Cooling (Ph.D. thesis). University of Maryland at College Park, 2008.
6. Cruz C., Marshall A. Surface and gas measurements along a film cooled wall // J. Thermophys. Heat. Transf. 2007. No. 21. P. 181–189.
7. Betti B., Martelli E. Heat flux evaluation in oxygen/methane thrust chambers by RANS approach // Proceedings of the 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA. 2010. P. 2010–6721.
8. Влияние центробежных массовых сил на теплоотдачу при обтекании потоком воздуха вогнутой поверхности с поперечными выступами / А. В. Ильинков, Р. Р. Габдрахманов, В. В. Такмовцев, А. В. Щукин // Вестник Московского авиационного ин-та. 2018. Т. 25, № 1. С. 39–48.
9. Горелов Ю. Г., Строкач Е. А. Анализ закономерностей расчета коэффициента теплоотдачи от газа на входных кромках сопловых лопаток турбин высокого давления // Вестник Московского авиационного ин-та. 2016. Т. 23, № 1. С. 80–85.
10. Щербаков М. А., Воробьев Д. А., Маслаков С. А., Равикович Ю. А. Определение коэффициента теплоотдачи на пере лопатки турбины на нерасчётных режимах работы // Вестник Московского авиационного ин-та. 2013. Т. 20, № 3. С. 95–103.
11. Дрейцер Г. А., Исаев С. А., Лобанов И. Е. Расчет конвективного теплообмена в трубе с периодическими выступами // Вестник Московского авиационного ин-та. 2004. Т. 11, № 2. С. 28–35.
12. Knuth E. L. The mechanism of film cooling, (Ph.D. thesis). California Institute of Technology. 1954.
13. Rannie W. D. Heat transfer in turbulent shear flow // J. Aeronaut. Sci. 1956. No. 23. P. 485–489.
14. Turcotte D. L. A sublayer theory for fluid injection into the incompressible turbulent boundary layer // J. Aeronaut. Sci. 1960. No. 27. P. 675–678.
15. Stechman R. C., Oberstone J., Howell J. C. Design criteria for film cooling for small liquid-propellant rocket engines // J. Spacecr. Rocket. 1969. No. 6. P. 97–102.
16. Bartz D. R. A simple equation for rapid estimation of rocket nozzle convective heat transfer coefficients, Jet. Propuls // ARS J. 1957. No. 27. P. 49–51.
17. Shine S. R., Kumar S. S., Suresh B. N. A new generalised model for liquid film cooling in rocket combustion chambers // Int. J. Heat. Mass Transf. 2012. No. 55. P. 5065–5075.
18. Elhefny A., Liang G. Stress and deformation of rocket gas turbine disc under different loads using finite element modelling // Propulsion and Power Research. 2013. Vol. 2, Iss. 1. P. 38–49.
19. Григорьев В. А., Загребельный А. О., Кузнецов С. П. К вопросу оценки массы силовой установки в задаче оптимизации параметров рабочего процесса авиационного турбовинтового двигателя // Вестник Московского авиационного ин-та. 2015. Т. 22, № 3. С. 103–106.
20. Кишкин А. А., Черненко Д. В., Черненко Е. В. Уравнение импульсов трехмерного пограничного слоя // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Техн. науки. 2007. № 4. С. 35–41.
21. Романенко П. Н. Тепломассообмен и трение при градиентном течении жидкостей. М. : Энергия, 1971. 568 с.
22. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя М. : Наука, 1974. 712 с.
23. Shine S. R., Shri S. Nidhi. Review on film cooling of liquid rocket engines // Propulsion and Power Research. 2018. Vol. 7, Iss. 1. P. 1–18.
24. Кейс В. М. Конвективный тепло- и массообмен : пер. с англ. М. : Энергия, 1972. 448 с.
25. Кишкин А. А., Зуев А. А., Леонов В. П. Локальная теплоотдача в граничных условиях турбомашин // Изв. вузов. Машиностроение. 2015. № 1 (658). С. 3–10.
26. Прямолинейное равномерное течение газов с теплоотдачей в энергетических установках летательных аппаратов / М. И. Толстопятов, А. А. Зуев, А. А. Кишкин и др. // Вестник СибГАУ. 2012. № 4(44). С. 134–139.
27. Течение с теплоотдачей в полостях вращения энергетических установок космических и летательных аппаратов / А. А. Зуев, А. А. Кишкин, Д. А. Жуйков, М. И. Толстопятов // Вестник СибГАУ. 2011. № 7(40). С. 63–68.
28. Вращение жидкости над неподвижным основанием по закону твердого тела / А. А. Кишкин, А. А. Зуев, Е. В. Черненко, П. Н. Смирнов // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. Техн. науки. 2011. № 1. С. 126–131.
29. Chapman D. R. Kester R. H., Measurements of turbulent skin friction on cylinders in axial flow at subsonic and supersonic velocities // JAS. 1953. Vol. 20. P. 441–448.
30. Owen J. M., Rogers R. H. Flow and heat transfer in rotating disc systems. Rotor-stator systems. Taunton: Research Studies Press, 1989. 302 p.
31. Shevchuk I. V. Convective Heat and Mass Transfer in Rotating Disk Systems. Springer, 2009. 235 p.
32. Дорфман Л. А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел. М. : Физматгиз, 1960. 260с.


Зуев Александр Александрович – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры двигателей летательных аппаратов; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. Е-mail: dla2011@inbox.ru.
Арнгольд Анна Анатольевна – начальник бюро спецсоединителей, приборов и пультов аппаратуры; АО «Красноярский машиностроительный завод». E-mail: arngoldanna@mail.ru.
Ходенкова Эльга Владимировна – старший преподаватель кафедры технического иностранного языка; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева. Е-mail: dla2011@inbox.ru.


  ТЕПЛООТДАЧА В ПОЛЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОВЫХ ТУРБИН