1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 1, 2024

Теплоэнергетика, 2024, № 1, стр. 73-86

Расчетно-экспериментальное исследование влияния интенсивности и масштаба турбулентности потока на потери в сопловой решетке

А. В. Грановский a, *, Б. И. Курманов a

a Опытное конструкторское бюро им. А. Люльки
129301 Москва, ул. Касаткина, д. 13, Россия

* E-mail: andrey.granovskiy@yandex.ru

Поступила в редакцию 26.05.2023
После доработки 11.07.2023
Принята к публикации 01.08.2023

Аннотация

Несмотря на развитие экспериментальных и численных методов исследования воздействия турбулентности на структуру потока и газодинамическую эффективность турбинных решеток, возникает много вопросов при проектировании и совершенствовании лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин. Довольно сложно провести надежные измерения параметров потока или численные исследования для реальных условий работы турбомашин, когда диапазон изменения интенсивности и масштабов турбулентности в потоке трудно предсказуем. Поэтому для приближения к пониманию, как более адекватно учитывать при проектировании решеток турбины влияние таких параметров, как интенсивность и масштаб турбулентности, было проведено расчетное исследование сопловой решетки газовой турбины, которое опиралось на ряд экспериментальных результатов, полученных в Центральном институте авиационного моторостроения. Для оценки влияния отмеченных характеристик турбулентности на структуру потока в решетке были выполнены параметрические исследования с заданием различных значений интенсивности и масштабов турбулентности. В работе на основе экспериментальных данных, полученных как при использовании различных турбулизаторов, так и без них, анализируется влияние интенсивности и масштаба турбулентности на изменение структуры потока и профильных потерь в сопловой решетке в диапазоне значений приведенной (адиабатической) скорости на выходе из решетки λ2ад = 0.55–0.95. Расчетные исследования проводились с помощью программного комплекса 2D NS для интенсивности турбулентности на входе в сопловую решетку Tu = 0.2–10% и при разных масштабах турбулентности.

Ключевые слова: сопловая решетка, структура потока, профильные потери, турбулизатор, приведенная скорость, интенсивность турбулентности, масштаб турбулентности, газовая турбина

Список литературы

  1. Ames F.E., Plesniak M.W. The influence of large-scale, high-intensity turbulence on vane aerodynamic losses, and exit turbulence parameters // J. Turbomach. 1997. V. 119. No. 2. P. 182–192. https://doi.org/10.1115/1.2841100

  2. Radomsky R.W., Thole K.A. Flowfield measurements for a highly turbulent flow in a stator vane passage // J. Turbomach. 2000. V. 122. No. 2. P. 255–262. https://doi.org/10.1115/1.555442

  3. Boyle R., Lucci B., Senyitko R. Aerodynamic performance and turbulence measurements in a turbine vane cascade // ASME Turbo Expo 2002. Amsterdam, Netherlands, 3–6 June 2002. Paper No. GT2002-30434. P. 705–714. https://doi.org/10.1115/GT2002-30434

  4. Granovskiy A.V., Kolesov A.N. Investigation of flow pattern and losses in transonic turbine vane and blade cascades by means of laser anemometer measurements and Navier – Stokes analysis // ASME Turbo Expo 2003. Atlanta, Georgia, USA, 16–19 June 2003. Paper No. GT2003-38040. P. 117–123. https://doi.org/10.1115/GT2003-38040

  5. Gandavarapu P., Ames F.E. The influence of leading edge diameter on stagnation region heat transfer augmentation including effect of turbulence level, scale, and Reynolds number // ASME Turbo Expo 2011: Turbine Technical Conf. and Exposition. Vancouver, British Columbia, Canada, 6–10 June 2011. Paper No. GT2011-45735. P. 1259–1267. https://doi.org/10.1115/GT2011-45735

  6. Chowdhury N.H.K., Dey P.K., Ames F.E. The influence of inlet contraction on vane aerodynamic losses and secondary flows with variable turbulence and Reynolds number // ASME Turbo Expo 2011: Turbine Technical Conf. and Exposition. Vancouver, British Columbia, Canada, 6–10 June 2011. Paper No. GT2011-45737. P. 741–750. https://doi.org/10.1115/GT2011-45737

  7. Turbulence levels are high at the combustor-turbine interface / C.M. Cha, S. Hong, P.T. Ireland, P. Denman, V. Savarianandam // ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conf. and Exposition, 2012. Copenhagen, Denmark, 11–16 June 2012. Paper No. GT2012-69130. P. 1371–1390. https://doi.org/10.1115/GT2012-69130

  8. CFD analysis of suction and pressure side film cooling influence on vane aero performance in a transonic annual cascade / A. Alamendin, L.A. El-Gabry, J. Fridh, R. Saha // ASME Turbo Expo 2014. Düsseldorf, Germany, 16–20 June 2014. Paper No. GT2014-26617. https://doi.org/10.1115/GT2014-26617

  9. The effects of turbulence length scale on turbulence and transition prediction in turbomachinery flows / C. Bode, T. Aufderheide, D. Koˇzulovi´c, J. Friedrichs // ASME Turbo Expo 2014. Düsseldorf, Germany, 16–20 June 2014. Paper No. GT2014-27026, V02BT39A042. https://doi.org/10.1115/GT2014-27026

  10. High-Fidelity simulation of a linear HPT vane cascade subject to varying inlet turbulence / R. Pichler, R. Sandberg, G. Laskovski, V. Michelassi // ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conf. and Exposition. Charlotte, North Carolina, USA, 26–30 June 2017. Paper No. GT2017-63079, V02AT40A001. https://doi.org/10.1115/GT2017-63079

  11. Folk M., Miller R.J., Coull J.D. The impact of combustor turbulence on turbine loss mechanisms // J. Turbomach. 2020. V. 142. No. 9. P. 091009. https://doi.org/10.1115/1.4047615

  12. Development of turbulent quantities inside an axial vane / S. Behre, D. Kozulovich, Ch.H. Leybold, P. Jeschke // ASME Turbo Expo 2021: Turbomachinery Technical Conf. and Exposition. 7–11 June 2021. Virtual. On line. Paper No. GT2021-60013, V02BT32014. https://doi.org/10.1115/GT2021-60013

  13. Influence of RANS turbulent inlet set-up on the swirled hot streak redistribution in a simplified nozzle guide vane passage: Comparison with large-eddy simulations / Ch. Wingel, N. Binder, Y. Bousquet, J.-F. Boussuge, N. Buffaz, S. Le Guyader // ASME Turbo Expo 2022: Turbomachinery Technical Conf. and Exposition 2022. Rotterdam, Netherland, 13–17 June 2022. Paper No. GT2022-78239, V10BT30A002. https://doi.org/10.1115/GT2022-78239

  14. Иванов М.Я., Крупа В.Г. Неявный нефакторизованный метод расчета турбулентных течений вязкого теплопроводного газа в решетках турбомашин // Журн. вычислит. математики и мат. физики. 1991. Т. 31. № 5. С. 754–766.

  15. Курманов Б.И., Подвидз Г.Л. Численное моделирование течения вязкого газа в турбинной решетке с выдувом воздуха // Изв. РАН. Механика жидкости и газа. 2002. № 2. С. 12–22.

  16. Турбулентность / под ред. П. Брэдшоу. М.: Машиностроение, 1980.

  17. Coakley T.J. Turbulence modeling methods for the compressible Navier–Stokes equations // Proc. of the 16th Fluid and Plasmadynamics Conf. Danvers, MA, USA, 12–14 July 1983. https://doi.org/10.2514/6.1983-1693

  18. Пейтел В.К., Роди В., Шойерер Г. Модели турбулентности для течений в пристеночной области с малыми числами Рейнольдса: обзор // Аэрокосмическая техника. 1986. № 2. С. 183–197.

  19. Атлас экспериментальных характеристик плоских решеток охлаждаемых газовых турбин / В.Д. Венедиктов, А.В. Грановский, А.М. Карелин, А.Н. Колесов, М.Х. Мухтаров. М.: ЦИАМ, 1990.

  20. Michalek J., Monaldi M., Arts T. Aerodynamic performance of a very high lift low pressure turbine airfoil (T106C) at low Reynolds and high mach number with effect of free stream turbulence intensity // J. Turbomach. 2012. V. 134. No. 6. P. 061009. https://doi.org/10.1115/1.4006291

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал