Расцепления сила Кориолиса и вращающейся плавучести эффекты на полный поле тепла передача свойств вращающегося канала

В то время как термодинамические законы диктуют повышение удельной мощности и тепловой эффективности газотурбинного двигателя путем повышения температуры вход турбины, несколько горячий двигатель компоненты, такие как турбинных лопаток, подвержены термического повреждения. Внутреннее охлаждение лезвия ротора газовой турбины позволяет запись температуры турбины превышении пределов температуры сопротивление ползучести материала клинка. Однако конфигураций внутренних каналов охлаждения должны соответствовать профиль лезвия. В частности охлаждающей жидкости вращается в пределах лезвия ротора. С таких суровых тепловой условия для работы газовой турбины лопасти схемы охлаждения эффективной лезвие имеет решающее значение для обеспечения целостности структуры. Таким образом свойства передачи местных тепла для вращающихся канала имеют важное значение для эффективного использования ограниченных охлаждающей жидкости потока. На приобретение полезных тепло передачи данных, применимых к данной конструкции внутренних СОЖ на условиях реалистичные двигатель имеет первостепенное значение при экспериментальный метод разработан для измерения свойств передачи тепла смоделированные охлаждения прохода внутри лезвия ротора газовой турбины.

Вращение со скоростью выше 10000 об/мин значительно изменяет эффективность охлаждения вращающихся канала внутри лезвия ротора газовой турбины. Идентификация двигателя условий для такой вращающейся канал допустимо, используя закон подобия. С вращением безразмерные группы, которые управляют явлений переноса внутри радиально вращающейся канал могут быть выявлены путем наследования потока уравнений по сравнению с вращающейся основой. Моррис¹ вывел уравнения сохранения импульса потока по отношению к вращающихся рамки как:

(1)

В уравнение (1), местной скорости жидкости, v̄, с радиус-вектором, r̄, относительно рамки, вращающихся на угловой скорости ω, подвержена ускорение Кориолиса с точки зрения 2 (ω×v̄), отделенный центростремительный плавучести силы, β(T–T_ref) (ω×ω×r̄), градиент давления ведомый пьезо метрика, и динамическая вязкость жидкости, ν. Ссылки жидкости плотность, ρ_ref, называется предварительно определенные жидкости эталонной температуре T_ref, который является типичным местных жидкости объемной температуры для экспериментов. Если необратимое преобразование механической энергии в тепловую энергию является незначительным, уравнение сохранения энергии уменьшается до:

(2)

Первый срок уравнения (2) получается, рассматривая конкретные энтальпии напрямую связаны с местной температура жидкости, T, через постоянной удельной теплоемкости, C_p. Как возмущений плотность жидкости, вызванные вариации температура жидкости в подогревом вращающейся канал обеспечивает значительное влияние на движение жидкости, когда он связывает с Центростремительное ускорение в уравнении (1), скорость жидкости и температурных полей в осевом направлении вращающийся канале связаны. Кроме того Кориолиса и центростремительные ускорения изменяются одновременно как скорость вращения регулируется. Таким образом воздействие силы Кориолиса и вращающихся плавучести на полях жидкости скорости и температуры естественно соединены.

Уравнения (1) и (2) в безразмерной форме раскрывать параметров потока, которые регулируют тепловой конвекции в вращающейся канале. С в основном единообразных теплового потока, введенные на вращающейся канал, местные жидкости объемной температуры T_b, увеличивается линейно, в streamwise направлении, s, от опорного уровня впуска, T_ref. Местные жидкости объемная температура определяется как T_ссылка + τs, где τ — градиент температуры жидкости оптом в направлении потока. Замены на следующие безразмерные параметры:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

в уравнения (1) и (2) где V_{означает}, N и d соответственно стенд для среднего потока через скорость, скорость вращения и гидравлический диаметр канала, безразмерная потока импульса и энергии уравнений, определяются как уравнения (8) и (9) соответственно.

(8)

(9)

Очевидно, η в уравнении (9) является функцией Re, Roи Bu = Ro²βτdR, которые называются соответственно чисел Рейнольдса, вращение и плавучесть. Число Россби, количественное соотношение между инерционного и силы Кориолиса эквивалентно числу обратное вращение в уравнение (8).

Когда T_b вычисляется как T_ссылка + τs в вращающейся канала при условии единого теплового потока, τ значение может обрабатываться в качестве альтернативы, как Q_f/ (mC_pL) в котором Q _f, m и L являются мощности конвективного нагрева охлаждающей жидкости Массовая скорость потока и канал длиной, соответственно. Таким образом безразмерная местных жидкости объемная температура, η_b, равным s/d и безразмерных температура на канале стены, η_w, дает [(T_w– bТ ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. Со скоростью передачи теплоотдачи, определяется, как Q_f/ (T_w–T_b), безразмерная стены жидкость температура разница, η_w–η_b, конвертируемых в местной числа Нуссельта через уравнения (10), в котором ζ безразмерной форме функция нагрева площадь и площадь сечения канала.

(10)

С набором предопределенных геометрических фигур и гидродинамические и тепловые граничных условий безразмерная группами, контролирующими местные числа Нуссельта вращающейся канала определяются как:

(11)

(12)

(13)

С экспериментальных испытаний, регулировка скорости, N, вращения для различной Ro для создания передачи тепла в различной силы Кориолиса сил неизбежно изменения данных Центростремительное ускорение и таким образом, относительной силы Вращающиеся плавучести. Кроме того, набор тепловой передачи данных, собранных из вращающейся канала всегда подлежит конечной степени вращающихся плавучести эффект. Раскрывать индивидуального воздействия силы Кориолиса и плавучесть на передачу тепла производительность вращающегося канала требует расцеплять Ro и Бу воздействия на Nu свойства через post процедуры обработки данных, включен в нынешний экспериментальный метод.

Двигатель и лабораторных условий потока для вращающихся канала внутри лезвия ротора газовой турбины могут быть указаны по диапазонам Re, Ro и Бу. Типичный двигатель условия для охлаждающей жидкости проходят через лопасти газовых турбин, а также строительство и ввод в эксплуатацию вращающихся полигона, который позволил эксперименты выполняться рядом условий фактической двигателя было сообщено Моррис² . Основываясь на условиях реалистичные двигателя, кратко Моррис², рис. 1 создает реалистичные условий эксплуатации с точки зрения Re, Ро и Бу диапазоны вращающейся охлаждающей жидкости в канале лезвия ротора газовой турбины. На рисунке 1проявление худших состояния двигателя называется двигатель работает на высокой скорости ротора и высокий коэффициент плотности условие. На рисунке 1нижний предел и худших двигателя, условий эксплуатации соответственно возникают на двигатель низких и высоких скоростях. Это чрезвычайно трудно измерить распределение Nu полный поле вращающегося канала со скоростью реальный двигатель между 5000 и 20 000 об/мин. Однако основанное на законе подобия, лабораторных тестов были проведены на снижение скорости вращающейся, но с несколько попыток, чтобы обеспечить полный охват реального двигатель Re, Ро и Бу диапазонов. Как новаторский экспериментальный метод,^5,4,3,программы НАСА пребывания⁶ принял высокого давления испытания для увеличения плотности жидкости в предопределенных Re в чтобы расширить диапазон Ro путем уменьшения средней скорости жидкости. В этой связи конкретные отношения между Re, Ро и Бу для идеального газа с вязкость, μ, газовая постоянная и R_cсвязаны как:

(14)

(15)

Для приведения лабораторных условиях в номинальный переписку с видно из рис. 1, вращая скорость, N, охлаждающей жидкости давление, P, канал гидравлический диаметр, d, вращающихся радиуса R, условия работы двигателя и разница температур стены жидкости, T_w–T_b, необходимо контролировать для сопоставления реалистичные диапазоны Re, Ro и Бу . Очевидно одним из наиболее эффективных подходов для расширения диапазона Ro является увеличение гидравлический диаметр канала, как Ro пропорциональна d². Как тест передачи тепла лаборатории в реалистичные N чрезвычайно трудно, давление СОЖ, P, технически проще быть подняты для расширения диапазона Ро ; даже если Ro пропорциональна только P. Основываясь на этом фоне теоретической, философия дизайна нынешнего экспериментального метода является увеличение Ro путем герметизации вращающихся тест канала с помощью максимальная канал гидравлический диаметр, разрешено вписываются в вращающейся буровой установки. Увеличив ассортимент Ro , Бу соответственно расширить спектр как Бу пропорциональна Ро². На рисунке 1условия теста лаборатории, принятой для генерации тепла передачи данных вращающихся каналы являются также включены^{3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29}. как указано на рисунке 1, охват реалистичные двигатель условий передачи данных имеющихся тепла по-прежнему ограничены, особенно для требуемого диапазона Бу . Открыть и цветные твердых символы, изображенные на рисунке 1 являются острыми и полный поле тепло передачи эксперименты, соответственно. Как собираются на рисунке 1, большая часть тепла передачи данных с систем охлаждения газовых турбин ротора лопасти^{1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26} являются точкой измерения, с помощью метода термопары. Эффекты теплопроводности стены на стену проводящего измерения тепла потока и температуры жидкости стена интерфейсы подорвать качество данных передачи тепла, преобразованные из измерения термопары. Кроме того, тепловой передачи измерения^{1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11,12,13,14,15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26} с помощью метода термопара не может обнаружить вариации передачи двумерных тепла над вращающейся поверхности. С нынешнего экспериментального метода^29,,3031,32обнаружение полный поле Нуссельта число распределений на вращающихся стене канала является допустимым. Минимизация стены проводимости эффекта с помощью 0,1 мм толщиной пленки из нержавеющей стали с числами Биот >> 1 для создания мощности нагрева, нынешний экспериментальный метод позволяет одномерный тепловой проводимости от фольга для потока охлаждающей жидкости. В частности приобретение полного поля тепла передачи данных с участием Ро и Бу эффекты не допускается с использованием метода переходных жидких кристаллов и метод термопары. С текущей термография установившегося жидкий кристалл метод¹⁹обнаруживаемая температурный диапазон 35-55 ° C отключает создание тепла передачи данных с реалистичные плотность соотношения.

Используя параметры потока, регулирующие тепловой конвекции в вращающейся канале продемонстрировать, что полный охват условия реалистичные двигателя, показан на рисунке 1 пока не достигнуто, поэтому необходимость приобретения полный поле тепло передачи данных на реалистичные двигатель условия призвал непрерывно. Нынешний экспериментальный метод позволяет создавать полный поле теплопередачи с силы Кориолиса и вращающихся плавучести эффекты обнаружено. Протоколы направлены на оказание помощи следователям разработать экспериментальный стратегию отношение к реалистичные полный поле тепло передачи измерение вращающейся канала. Наряду с метод параметрического анализа, который является уникальным для нынешнего экспериментального метода разрешается поколения корреляции передачи тепла для оценки изолированных и взаимозависимыми Ro и Бу воздействия на Nu .

Статья иллюстрирует экспериментальный метод, направленных на генерации передачи данных двумерной тепла вращающейся канала с потока условия аналогичны условиям реалистичные газотурбинного двигателя, но на гораздо более низких скоростях вращения в лаборатории. Метод, разработанный для выбора скорости вращения, гидравлический диаметр канала теста и диапазон разницы температур стены жидкости для приобретения передачи тепла, которое данных в условиях реалистичные двигатель иллюстрируется в введении. Калибровочных испытаний для системы инфракрасная термография, калибровка потери тепла тесты и показываются операции вращающейся испытательном стенде передачи тепла. Факторы, вызывающие значительные неопределенности для тепловой передачи измерения и процедуры разделения силы Кориолиса и плавучесть влияние на свойства передачи тепла вращающейся канала описаны в статье с выборочной результаты продемонстрировать нынешнего экспериментального метода.