Методика экспериментального исследования формирования заградительной завесы при пленочном охлаждении деталей горячего тракта газовой турбины
Ключевые слова:
газовая турбина, система охлаждения, пленочное охлаждение, заградительное охлаждение, конвективный теплообмен
Аннотация
Рассмотрен метод экспериментального исследования эффективности охлаждения обтекаемой поверхности деталей проточной части газовой турбины. Разработана концепция и создан экспериментальный стенд, предназначенный для моделирования процессов, происходящих при заградительном охлаждении лопаток газовых турбин. Создана методика моделирования и определения эффективности пленочно-конвективного охлаждения. Результаты экспериментов дадут возможность разработать рекомендации по совершенствованию систем заградительного охлаждения, а также провести верификацию разрабатываемых методов расчета систем заградительного охлаждения. Стенд оснащен приборами для бесконтактных измерений параметров потока, которые не влияют на формирование течения в пристеночной зоне, процессы взаимодействия основного и охлаждающего воздуха, что увеличивает достоверность результатов экспериментов.
Основные узлы стенда и объекты исследования изготовлены с применением аддитивных технологий. Использование аддитивных технологий позволило уменьшить затраты времени на подготовку экспериментов, а также снизить стоимость изготовления основных узлов стенда и исследуемых моделей с различными вариантами выпуска воздуха на обтекаемую поверхность.
Проведена серия экспериментов по оценке влияния коэффициента выдува охладителя, характеризующего соотношение импульсов потоков основного и охлаждающего воздуха, на распределение температур вдоль охлаждающей поверхности. Для выпускных отверстий с перспективной геометрией определены диапазоны значений с максимальным положительным влиянием коэффициента выдува.
Сравнение данных экспериментальных исследований с результатами численного моделирования показало хорошую сходимость полученных результатов.
Литература
1. Satoshi Hada, Keizo Tsukagoshi, Junchiro Masada, Eisaku Ito. World's First 1,600°C J-series Gas Turbine // Mitsubishi Heavy Industries Technical Rev. 2012. V. 49(1). Pp. 19—24.
2. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: НИУ «МЭИ», 2020.
3. Town J. e. a. State-of-the-art Cooling Technology for a Turbine Rotor Blade // J. Turbomach. 2018. V. 140(7). P. 071007.
4. Rodriguez J. e. a. High Fidelity CHT CFD for Gas Turbine Heat Transfer Application // Proc. I Global Power and Propulsion Forum. Zurich, 2016.
5. Yu Yao, Jing-Zhou Zhang, Li-Ping Wang. Film Cooling on a Gas Turbine Blade Suction Side with Converging Slot-hole // Intern. J. Thermal Sci. 2013. V. 65. Pp. 267—279.
6. Shyam V.S. e. a. Long Hole Film Cooling Dataset for CFD Development Part 1: Infrared Thermography and Thermocouple Surveys Ohio: Glenn Research Center Cleveland, 2013.
7. Bogard D.G., Albert J.E. Measurements of Adiabatic Film and Overall Cooling Effectiveness on a Turbine Vane Pressure Side with a Trench // J. Turbomach. 2012. V. 135(5). P. 051007.
8. Schroeder R.P., Thole A.K. Thermal Field Measurements for a Shaped Hole at Low and High Freestream Turbulence Intensity // Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conf. and Exposition. Seoul, 2016.
9. Anderson J.B., McClintic J.W., Bogard D.G., Dyson T.E., Webster Z.D. Freestream Flow Effects on Film Effectiveness and Heat Transfer Coefficient Augmentation for Compound Angle Shaped Holes // ASME. 2017. No. GT2017-64853.
10. Schroeder R.P., Thole K.A. Adiabatic Effectiveness Measurements for a Baseline Shaped Film Cooling Hole // ASME. 2014. No. GT2014-25992.
11. Qin Y., Li X., Ren J., Jiang H. Effects of Compound Angle on Film Cooling Effectiveness with Different Streamwise Pressure Gradient and Convex Curvature // Intern. J. Heat Mass Transfer. 2015. V. 86. Pp. 482—491.
12. Haydt S., Lynch S., Lewis S.D. The Effect of Area Ratio Change Via Increased Hole Length for Shaped Film Cooling Holes цith Constant Expansion Angles // ASME J. Turbomach. 2017. V. 140(5). P. 051002.
13. Haydt S., Lynch S. Cooling Effectiveness for a Shaped Film Cooling Hole at a Range of Compound Angles // ASME J. Turbomach. 2019. V. 141. P. 041005-14.
14. Горелов Ю.Г., Ананьев В.В. ЗD-исследования конвективного и конвективно-пленочного охлаждения трактовых полок сопловых блоков турбины высокого давления // Известия высших учебных заведений. Серия «Авиационная техника». 2018. № 3. С. 126—132.
15. Грибин В.Г., Макаров А.Ю., Андрианов Д.М. Экспериментальное исследование формирования охлаждающей завесы на лопатках газовой турбины» // Енисейская теплофизика: Тез. докл. I Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Красноярск, 2023. С. 32—34.
16. Magerramova L., Kinzburskiy V., Vasilyev B. Novel Designs of Turbine Blades for Additive Manufacturing // Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbine Technical Conf. and Exposition. Seoul, 2016.
17. Downs J.P., Landis K.K. Turbine Cooling Systems Design Past, Present and Future // Proc. ASME Turbo Expo: Power for Land, Sea and Air. Orlando, 2009.
---
Для цитирования: Грибин В.Г., Макаров А.Ю., Попов В.В., Андрианов Д.М., Тищенко В.А., Тищенко А.А. Методика экспериментального исследования формирования заградительной завесы при пленочном охлаждении деталей горячего тракта газовой турбины // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 125—132. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-125-132
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Satoshi Hada, Keizo Tsukagoshi, Junchiro Masada, Eisaku Ito. World's First 1,600°C J-series Gas Turbine. Mitsubishi Heavy Industries Technical Rev. 2012;49(1):19—24.
2. Tsanev S.V., Burov V.D., Remezov A.N. Gazoturbinnye i Parogazovye Ustanovki Teplovykh Elektrostantsiy. M.: NIU «MEI», 2020. (in Russian).
3. Town J. e. a. State-of-the-art Cooling Technology for a Turbine Rotor Blade. J. Turbomach. 2018;140(7):071007.
4. Rodriguez J. e. a. High Fidelity CHT CFD for Gas Turbine Heat Transfer Application. Proc. I Global Power and Propulsion Forum, Zurich, 2016.
5. Yu Yao, Jing-Zhou Zhang, Li-Ping Wang. Film Cooling on a Gas Turbine Blade Suction Side with Converging Slot-hole. Intern. J. Thermal Sci. 2013;65:267—279.
6. Shyam V.S. e. a. Long Hole Film Cooling Dataset for CFD Development Part 1: Infrared Thermography and Thermocouple Surveys Ohio: Glenn Research Center Cleveland, 2013.
7. Bogard D.G., Albert J.E. Measurements of Adiabatic Film and Overall Cooling Effectiveness on a Turbine Vane Pressure Side with a Trench. J. Turbomach. 2012;135(5):051007.
8. Schroeder R.P., Thole A.K. Thermal Field Measurements for a Shaped Hole at Low and High Freestream Turbulence Intensity. Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conf. and Exposition. Seoul, 2016.
9. Anderson J.B., McClintic J.W., Bogard D.G., Dyson T.E., Webster Z.D. Freestream Flow Effects on Film Effectiveness and Heat Transfer Coefficient Augmentation for Compound Angle Shaped Holes. ASME. 2017;GT2017-64853.
10. Schroeder R.P., Thole K.A. Adiabatic Effectiveness Measurements for a Baseline Shaped Film Cooling Hole. ASME. 2014;GT2014-25992.
11. Qin Y., Li X., Ren J., Jiang H. Effects of Compound Angle on Film Cooling Effectiveness with Different Streamwise Pressure Gradient and Convex Curvature. Intern. J. Heat Mass Transfer. 2015;86:482—491.
12. Haydt S., Lynch S., Lewis S.D. The Effect of Area Ratio Change Via Increased Hole Length for Shaped Film Cooling Holes цith Constant Expansion Angles. ASME J. Turbomach. 2017;140(5). P. 051002.
13. Haydt S., Lynch S. Cooling Effectiveness for a Shaped Film Cooling Hole at a Range of Compound Angles. ASME J. Turbomach. 2019;141:041005-14.
14. Gorelov Yu.G., Anan'ev V.V. ZD-issledovaniya Konvektivnogo i Konvektivno-plenochnogo Okhlazhdeniya Traktovykh Polok Soplovykh Blokov Turbiny Vysokogo Davleniya. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Seriya «Aviatsionnaya Tekhnika». 2018;3:126—132. (in Russian).
15. Gribin V.G., Makarov A.Yu., Andrianov D.M. Eksperimental'noe Issledovanie Formirovaniya Okhlazhdayushchey Zavesy na Lopatkakh Gazovoy Turbiny». Eniseyskaya Teplofizika: Tez. Dokl. I Vseros. Nauch. Konf. s Mezhdunar. Uchastiem. Krasnoyarsk, 2023:32—34. (in Russian).
16. Magerramova L., Kinzburskiy V., Vasilyev B. Novel Designs of Turbine Blades for Additive Manufacturing. Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbine Technical Conf. and Exposition. Seoul, 2016.
17. Downs J.P., Landis K.K. Turbine Cooling Systems Design Past, Present and Future. Proc. ASME Turbo Expo: Power for Land, Sea and Air. Orlando, 2009
---
For citation: Gribin V.G., Makarov A.Yu., Popov V.V., Andrianov D.M., Tishchenko V.A., Tishchenko A.A. Methodology for Experi-mental Study of the Formation of a Barrier Curtain During Film Cooling of Parts of the Hot Path of a Gas Turbine. Bulletin of MPEI. 2024;4:125—132. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-125-132
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
2. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М.: НИУ «МЭИ», 2020.
3. Town J. e. a. State-of-the-art Cooling Technology for a Turbine Rotor Blade // J. Turbomach. 2018. V. 140(7). P. 071007.
4. Rodriguez J. e. a. High Fidelity CHT CFD for Gas Turbine Heat Transfer Application // Proc. I Global Power and Propulsion Forum. Zurich, 2016.
5. Yu Yao, Jing-Zhou Zhang, Li-Ping Wang. Film Cooling on a Gas Turbine Blade Suction Side with Converging Slot-hole // Intern. J. Thermal Sci. 2013. V. 65. Pp. 267—279.
6. Shyam V.S. e. a. Long Hole Film Cooling Dataset for CFD Development Part 1: Infrared Thermography and Thermocouple Surveys Ohio: Glenn Research Center Cleveland, 2013.
7. Bogard D.G., Albert J.E. Measurements of Adiabatic Film and Overall Cooling Effectiveness on a Turbine Vane Pressure Side with a Trench // J. Turbomach. 2012. V. 135(5). P. 051007.
8. Schroeder R.P., Thole A.K. Thermal Field Measurements for a Shaped Hole at Low and High Freestream Turbulence Intensity // Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conf. and Exposition. Seoul, 2016.
9. Anderson J.B., McClintic J.W., Bogard D.G., Dyson T.E., Webster Z.D. Freestream Flow Effects on Film Effectiveness and Heat Transfer Coefficient Augmentation for Compound Angle Shaped Holes // ASME. 2017. No. GT2017-64853.
10. Schroeder R.P., Thole K.A. Adiabatic Effectiveness Measurements for a Baseline Shaped Film Cooling Hole // ASME. 2014. No. GT2014-25992.
11. Qin Y., Li X., Ren J., Jiang H. Effects of Compound Angle on Film Cooling Effectiveness with Different Streamwise Pressure Gradient and Convex Curvature // Intern. J. Heat Mass Transfer. 2015. V. 86. Pp. 482—491.
12. Haydt S., Lynch S., Lewis S.D. The Effect of Area Ratio Change Via Increased Hole Length for Shaped Film Cooling Holes цith Constant Expansion Angles // ASME J. Turbomach. 2017. V. 140(5). P. 051002.
13. Haydt S., Lynch S. Cooling Effectiveness for a Shaped Film Cooling Hole at a Range of Compound Angles // ASME J. Turbomach. 2019. V. 141. P. 041005-14.
14. Горелов Ю.Г., Ананьев В.В. ЗD-исследования конвективного и конвективно-пленочного охлаждения трактовых полок сопловых блоков турбины высокого давления // Известия высших учебных заведений. Серия «Авиационная техника». 2018. № 3. С. 126—132.
15. Грибин В.Г., Макаров А.Ю., Андрианов Д.М. Экспериментальное исследование формирования охлаждающей завесы на лопатках газовой турбины» // Енисейская теплофизика: Тез. докл. I Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Красноярск, 2023. С. 32—34.
16. Magerramova L., Kinzburskiy V., Vasilyev B. Novel Designs of Turbine Blades for Additive Manufacturing // Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbine Technical Conf. and Exposition. Seoul, 2016.
17. Downs J.P., Landis K.K. Turbine Cooling Systems Design Past, Present and Future // Proc. ASME Turbo Expo: Power for Land, Sea and Air. Orlando, 2009.
---
Для цитирования: Грибин В.Г., Макаров А.Ю., Попов В.В., Андрианов Д.М., Тищенко В.А., Тищенко А.А. Методика экспериментального исследования формирования заградительной завесы при пленочном охлаждении деталей горячего тракта газовой турбины // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 125—132. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-125-132
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Satoshi Hada, Keizo Tsukagoshi, Junchiro Masada, Eisaku Ito. World's First 1,600°C J-series Gas Turbine. Mitsubishi Heavy Industries Technical Rev. 2012;49(1):19—24.
2. Tsanev S.V., Burov V.D., Remezov A.N. Gazoturbinnye i Parogazovye Ustanovki Teplovykh Elektrostantsiy. M.: NIU «MEI», 2020. (in Russian).
3. Town J. e. a. State-of-the-art Cooling Technology for a Turbine Rotor Blade. J. Turbomach. 2018;140(7):071007.
4. Rodriguez J. e. a. High Fidelity CHT CFD for Gas Turbine Heat Transfer Application. Proc. I Global Power and Propulsion Forum, Zurich, 2016.
5. Yu Yao, Jing-Zhou Zhang, Li-Ping Wang. Film Cooling on a Gas Turbine Blade Suction Side with Converging Slot-hole. Intern. J. Thermal Sci. 2013;65:267—279.
6. Shyam V.S. e. a. Long Hole Film Cooling Dataset for CFD Development Part 1: Infrared Thermography and Thermocouple Surveys Ohio: Glenn Research Center Cleveland, 2013.
7. Bogard D.G., Albert J.E. Measurements of Adiabatic Film and Overall Cooling Effectiveness on a Turbine Vane Pressure Side with a Trench. J. Turbomach. 2012;135(5):051007.
8. Schroeder R.P., Thole A.K. Thermal Field Measurements for a Shaped Hole at Low and High Freestream Turbulence Intensity. Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conf. and Exposition. Seoul, 2016.
9. Anderson J.B., McClintic J.W., Bogard D.G., Dyson T.E., Webster Z.D. Freestream Flow Effects on Film Effectiveness and Heat Transfer Coefficient Augmentation for Compound Angle Shaped Holes. ASME. 2017;GT2017-64853.
10. Schroeder R.P., Thole K.A. Adiabatic Effectiveness Measurements for a Baseline Shaped Film Cooling Hole. ASME. 2014;GT2014-25992.
11. Qin Y., Li X., Ren J., Jiang H. Effects of Compound Angle on Film Cooling Effectiveness with Different Streamwise Pressure Gradient and Convex Curvature. Intern. J. Heat Mass Transfer. 2015;86:482—491.
12. Haydt S., Lynch S., Lewis S.D. The Effect of Area Ratio Change Via Increased Hole Length for Shaped Film Cooling Holes цith Constant Expansion Angles. ASME J. Turbomach. 2017;140(5). P. 051002.
13. Haydt S., Lynch S. Cooling Effectiveness for a Shaped Film Cooling Hole at a Range of Compound Angles. ASME J. Turbomach. 2019;141:041005-14.
14. Gorelov Yu.G., Anan'ev V.V. ZD-issledovaniya Konvektivnogo i Konvektivno-plenochnogo Okhlazhdeniya Traktovykh Polok Soplovykh Blokov Turbiny Vysokogo Davleniya. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Seriya «Aviatsionnaya Tekhnika». 2018;3:126—132. (in Russian).
15. Gribin V.G., Makarov A.Yu., Andrianov D.M. Eksperimental'noe Issledovanie Formirovaniya Okhlazhdayushchey Zavesy na Lopatkakh Gazovoy Turbiny». Eniseyskaya Teplofizika: Tez. Dokl. I Vseros. Nauch. Konf. s Mezhdunar. Uchastiem. Krasnoyarsk, 2023:32—34. (in Russian).
16. Magerramova L., Kinzburskiy V., Vasilyev B. Novel Designs of Turbine Blades for Additive Manufacturing. Proc. ASME Turbo Expo 2016: Turbine Technical Conf. and Exposition. Seoul, 2016.
17. Downs J.P., Landis K.K. Turbine Cooling Systems Design Past, Present and Future. Proc. ASME Turbo Expo: Power for Land, Sea and Air. Orlando, 2009
---
For citation: Gribin V.G., Makarov A.Yu., Popov V.V., Andrianov D.M., Tishchenko V.A., Tishchenko A.A. Methodology for Experi-mental Study of the Formation of a Barrier Curtain During Film Cooling of Parts of the Hot Path of a Gas Turbine. Bulletin of MPEI. 2024;4:125—132. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-125-132
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2024-06-18
Выпуск
Раздел
Турбомашины и поршневые двигатели (технические науки) (2.4.7)
