Вихревые технологии в аэрокосмической технике

 

А.А.Халатов, Институт технической теплофизики НАНУ.

 

Фундаментальные основы вихревых технологий и их практическое использование в аэрокосмической технике изучаются в Украине в течение многих лет. ИТТФ НАНУ как участник многих программ в области аэрокосмической техники внес значительный вклад в развитие фундаментальных и прикладных направлений.

Несколько международных проектов, финансируемых Королевским Обществом Лондона (Великобритания), Научным Комитетом НАТО (Бельгия), Фондом гражданских исследований (CRDF, США) были выполнены в течении последних шести лет. Доклад представляет собой краткое изложение результатов, полученных в ИТТФ НАНУ, а также наиболее важные результаты других исследований.

Введение. Даются примеры выпущенных вихрей в технике и технологии. Рассмотрены вихревая дорожка Кармана при поперечном обтекании цилиндра, а также за регулярным оребрением, концевые вихри, вихри, генерируемые угловыми генераторами, вихри над регулярной шероховатостью типа "винглет", вихри Гертлера и Дина в криволинейных системах, закрученное течение в канале, вихри над торцевой стенкой межлопаточного канала, а также над торцевой поверхностью турбинной лопатки.

Циклонное охлаждение лопатки. Возможности охлаждения современных методов (струйное охлаждение; оребрение; штырьки; колебание потока) практически исчерпаны. Дальнейший рост температуры газа перед турбиной может быть достигнут за счет увеличения расхода охладителя или уменьшением размера внутренних охлаждающих каналов, что ведет к засорению каналов и их блокированию. Несколько новых подходов и эффективных методов охлаждения изучаются в настоящее время, среди которых циклонное (винтовое) охлаждение рассматривается как один из многообещающих подходов к внутреннему охлаждению лопаток турбомашин.

Циклонное охлаждение основано на формировании закрученного потока в охлаждающих каналах лопатки. Очень высокие значения интенсификации теплообмена, достигающие фактора 7,0 по сравнению с осевым потоком, могут быть достигнуты в охлаждающих каналах при приемлемых значениях расхода единицу площади поперечного сечения канала. Высокая "четкость" по отношению к внешним граничным условиям, возможность согласования внутреннего и внешнего теплообмена, относительно простая технология производства и менее "жесткие" требования к точности, позволяющие избежать изготовления очень малых размеров (ребра, каналы) делают эту технологию особенно привлекательной для использования в перспективных системах охлаждения. Доклад рассматривает разработанные в настоящее время конструкции систем охлаждения, включая двух- и трехмерную систему циклонного охлаждения, трехканальную петлевую конструкцию, квази двухмерную вихревую камеру с тангенциальной и наклонной подачей инжектирующих струй. Представлены некоторые результаты экспериментального исследования, сравнение с традиционными системами охлаждения, а также термогидравлическая эффективность циклонного охлаждения.

Поверхностные лунки. Эта техника вихревого охлаждения основана на генерации "торнадо"- осциллирующих вихрей, эжектируемых периодически в основной поток. Эти маломасштабные вихри имеют уникальную физическую структуру, способствующую концентрации вращательного момента в приосевой области вихря. Такой вихрь имеет необычный механизм диссипации во внешнем потоке (распад кольцевых вихрей), способствующий уменьшению потерь давления и примерно одинаковому росту теплообмена и потерь давления. Интенсификация теплообмена порядка 2,5-2,7 была достигнута в экспериментальных исследованиях с лунками на плоской пластине, сопровождающаяся увеличением потерь давления в 2,8-4,2 раза.

В докладе представлен анализ результатов теоретического и экспериментального исследований, опубликованных в литературе. Анализ включает одиночную лунку и группу лунок, структуру течения, механизм теплообмена, влияние поверхностной кривизны, градиента давления, внешней турбулентности, высоты канала. Некоторые новые результаты, касающиеся процессов горения, осциллирующего пленочного охлаждения, управления отрывными течениями в авиационных турбинах низкого давления, охлаждения камер сгорания также представлены в докладе. Выполнено сравнение с другими методами интенсификации теплообмена, представлена диаграмма термогидравлической эффективности различных методов.

Вихревая матрица. Идея вихревой матрицы основана на генерации системы малоразмерных закрученных потоков в прямоугольных каналах вихревой матрицы. Основные преимущества вихревой матрицы состоят в следующем: достаточно высокий уровень интенсификации теплообмена (2,2-2,9), примерно постоянная величина теплообмена на поверхностях матрицы, удовлетворительная теплогидравлическая эффективность, высокая прочность и эксплуатационная живучесть. Доклад обобщает опубликованные данные, полученные в бывшем СССР, и рассматривает теплообмен, гидравлические потери, механизм теплообмена и течения, анализ имеющихся конструкций и результаты их испытаний.

Торцевая поверхность соплового аппарата. Подковообразный, канальный и угловой вихри представляют собой основные виды вихревых структур, существующих около торцевой поверхности сопловых аппаратов турбомашин. Всесторонние исследования этих вихревых структур были выполнены в различных странах в течение последних 20 лет, направленные на изучение физики течения и теплообмена, конвективного теплообмена и пленочного охлаждения, получение основных уравнений. Доклад рассматривает основные результаты, полученные в ИТТФ НАНУ в содружестве с Институтом Военно- Воздушных Сил (Украина). Обширная база данных охватывает новый подход к анализу экспериментальных данных, теплообмен и пленочное охлаждение, влияние высоты и шага межлопаточного канала, внешней турбулентности и толщины пограничного слоя на входе, пористый вдув, взаимодействие канального вихря со стороной разрежения лопатки. Представлены корректирующие функции, определяющие влияние отдельных факторов, а также новые результаты по теплообмену и пленочному охлаждению около профилированной торцевой поверхности.

Заключение. Рассматриваются перспективы дальнейшего использования вихревых технологий в аэрокосмической и других областях техники.