|
DOI: 10.14489/hb.2025.08.pp.055-061
Перевезенцев В. Т., Шилин М. А., Дорошенков А. Н., Ивашов Р. А.
СРАВНЕНИЕ ПЛЕНОЧНОГО, ЭФФУЗИОННОГО И ПОРИСТОГО ОХЛАЖДЕНИЙ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН
(с. 55-61)
Аннотация. Лопатки газовых турбин являются одними из наиболее теплонапряженных деталей газовой турбины. Длительное воздействие высокотемпературного газового потока на сопловые и рабочие лопатки приводит к снижению ресурса их работы, что в конечном итоге сказывается на работоспособности газоперекачивающего агрегата. Выход из строя газоперекачивающего агрегата несет за собой колоссальные денежные убытки. В целях недопущения выхода из строя лопаток газовых турбин из-за воздействия высокотемпературного газового потока применяются высокоэффективные системы воздушного охлаждения. На сегодняшний день существует большое число способов, позволяющих результативно охладить сопловые и рабочие лопатки, однако значения эффективности способов охлаждения отличаются. Одной из приоритетных задач при создании высокоэффективной системы охлаждения является обеспечение низкой температуры поверхности лопатки при минимальном расходе охлаждающего воздуха, подаваемого из компрессора. Последнее достигается снижением показателя трения, который необходимо учитывать при разработке системы охлаждения. Представлен обзор работ в области охлаждения лопаток газовых турбин. Представлены отечественные и зарубежные исследования, посвященные пленочному, эффузионному и пористому охлаждениям. Оценена эффективность каждого из представленных видов охлаждений.
Ключевые слова: газовая турбина; лопатка газовой турбины; пленочное охлаждение; эффузионное охлаждение; пористое охлаждение; эффективность охлаждения лопаток газовых турбин.
Perevezentsev V. T., Shilin M. A., Doroshenkov A. N., Ivashov R. A.
COMPARISON OF FILM, EFFUSION AND POROUS COOLING OF GAS TURBINE BLADES
(pp. 55-61)
Abstract. The blades of gas turbines are one of the most thermally stressed parts of a gas turbine. Prolonged exposure to high-temperature gas flow on the nozzles and working blades leads to a decrease in their service life, which ultimately affects the efficiency of the gas pumping unit. The failure of the gas pumping unit entails enormous monetary losses. In order to prevent the failure of gas turbine blades due to exposure to high-temperature gas flow, highly efficient air cooling systems are used. To date, there are a large number of ways to effectively cool the nozzle and impeller blades, but the efficiency values of the cooling methods differ. One of the priorities in creating a highly efficient cooling system is to ensure a low blade surface temperature with minimal consumption of cooling air supplied from the compressor. The latter is achieved by reducing the friction index, which must be taken into account when developing a cooling system. The article provides an overview of the work in the field of cooling gas turbine blades. Domestic and foreign studies on film, effusion, and porous cooling are presented. The efficiency of each of the presented types of cooling is evaluated.
Keywords: Gas turbine; Gas turbine blade; Film cooling; Effusion cooling; Porous cooling; Cooling efficiency of gas turbine blades.
В. Т. Перевезенцев, М. А. Шилин, А.Н. Дорошенков, Р. А. Ивашов (Брянский государственный технический университет, Брянск, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
V. T. Perevezentsev, M. A. Shilin, A. N. Doroshenkov, R. A. Ivashov (Bryansk State Technical University, Bryansk, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Du W., Luo L., Jiao Y., et al. Heat transfer in the trailing region of gas turbines – A state-of-the-art review // Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 199, No. 9. P. 1–31. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117614.
2. Tsuru T., Morozumi R., Takeishi K. Study on Thermofluid Characteristics of a Lattice Cooling Channel // International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power Systems. 2020. Vol. 11, No. 1. P. 1–8. DOI: 10.38036/jgpp.11.1_1
3. Zhou W., Rao Y., Hu H. An experimental investigation on the characteristics of turbulent boundary layer flows over a dimpled surface // Transactions of the ASME. J. of Fluids Engineering. 2016. Vol. 138, No. 2. P. 1–13. DOI: 10.1115/1.4031260
4. Байбузенко И. Н. Совершенствование воздушно-конвективных систем охлаждения лопаток турбин с внутриканальным оребрением для энергетических газотурбинных установок большой мощности: специальность 05.04.12. Турбомашины и комбинированные турбоустановки: автореферат дис. на соискание уч. ст. канд. техн. наук. М., 2019. 16 с.
5. Wang S., Yan H., Luo L., et al. Heat transfer characteristics of a dimpled/protrusioned pin fin wedge duct with different converging angles for turbine blades // Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. 2019. Vol. 76, No. 5. P. 369–392. ISSN: 1040-7782.
6. Петельчиц В. Ю. Совершенствование систем пленочного охлаждения входных кромок лопаток газовых турбин: специальность 05.14.06. Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика: дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук. Киев, 2016. 142 с.
7. Третьяков А. Ф. Особенности технологии изготовления турбинных лопаток с пористым охлаждением // Инженерный журнал: наука и инновации. 2015. № 6(42). С. 1–10. ISSN 2308-6033.
8. Wei H., Zu Y.Q. Experimental study on heat transfer and throughflow losses characteristics of single/triple-row holes with an engine-representative density ratio // Case Studies in Thermal Engineering. 2021. Vol. 28, No. 9. P. 1–19. DOI: 10.1016/j.csite.2021.101574
9. Эффективность пленочного охлаждения плоской поверхности в ускоряющемся потоке при вдуве воздуха через веерные отверстия / Марчуков Е. Ю., Стародумов А. В., Ильинков А. В. и др. // Теплоэнергетика. 2022. № 4. С. 70–80. ISSN 0040-3636.
10. Грине М., Боуэлем Х., Деллил А. З., Аззи А. Улучшение эффективности адиабатического пленочного охлаждения в поперечном и продольном направлениях путем сочетания преграды в форме бархана и антивихревых компоновок // Теплофизика и аэромеханика. 2020. Т. 27, № 5. С. 787–797. ISSN 0869-8635.
11. Jua Y., Liu Y., Meng Z., et al. The film cooling performance of spiral-channel holes on turbine guide vane // Case Studies in Thermal Engineering. 2024. Vol. 53, No. 1. P. 1–16. DOI: 10.1016/j.csite.2023.103846
12. Wang W., Cui J., Qu S. Effects of hole arrangement and trenched hole on multirow film cooling // AIP Advances. 2022. Vol. 12, No. 4. P. 1–13. DOI: 10.1063/5.0082980
13. Murray A., Ireland P., Wong H., et al. High Resolution Experimental and Computational Methods for Modelling Multiple Row Effusion Cooling Performance // International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power. 2018. Vol. 3, No. 1. P. 1–16. DOI: 10.3390/ijtpp3010004
14. Gao W., Li H., Li L., et al. Numerical simulation of broken pin effects on the flow field and cooling performance of a double-wall cooling configuration // Chinese Journal of Aeronautics. 2020. Vol. 34(2), No. 9. P. 358–375. DOI: 10.1016/j.cja.2020.09.014.
15. Викулин А. В., Ярославцев Н. Л., Земляная В. А. Исследование транспирационного охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин // Теплоэнергетика. 2019. № 6. С. 27–32. ISSN: 0040-3636.
16. Wambersie A., Wong H., Ireland P., et al. Experiments of Transpiration Cooling Inspired Panel Cooling on a Turbine Blade Yielding Film Effectiveness Levels over 95 % // International Journal of Turbomachinery Propulsion and Power. 2021. Vol. 6(2). No. 6. P. 1–12. DOI:10.3390/ijtpp6020016
17. Веретельник А. В. Исследование эффективности транспирационного охлаждения высокотемпературных газовых турбин: специальность 05.04.12. Турбомашины и комбинированные турбоустановки, 01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника: автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 2008. 18 с.
18. Huang G., Zhu Y.-H., Liao Z., et al. Transpiration cooling with bio-inspired structured surfaces // Bioinspiration & Biomimetics. No. 5. 2020. P. 1–21.
1. Du, W., Luo, L., Jiao, Y., et al. (2021). Heat transfer in the trailing region of gas turbines: A state-of-the-art review. Applied Thermal Engineering, 199(9), 1–31. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117614
2. Tsuru, T., Morozumi, R., & Takeishi, K. (2020). Study on thermofluid characteristics of a lattice cooling channel. international journal of gas turbine, propulsion and power systems, 11(1), 1–8. https://doi.org/10.38036/jgpp.11.1_1
3. Zhou, W., Rao, Y., & Hu, H. (2016). An experimental investigation on the characteristics of turbulent boundary layer flows over a dimpled surface. Journal of Fluids Engineering, 138(2), 1–13. https://doi.org/10.1115/1.4031260
4. Baibuzenko, I. N. (2019). Improvement of air-convective cooling systems for turbine blades with internal channel ribbing for high-power energy gas turbine units [Candidate of Technical Sciences dissertation abstract, Specialty 05.04.12 Turbomachines and combined turbo units]. Moscow. [in Russian language]
5. Wang, S., Yan, H., Luo, L., et al. (2019). Heat transfer characteristics of a dimpled/protrusioned pin fin wedge duct with different converging angles for turbine blades. Numerical heat transfer, Part A: Applications, 76(5), 369–392.
6. Petelchits, V. Yu. (2016). Improvement of film cooling systems for gas turbine blade leading edges [Candidate of Technical Sciences dissertation, Specialty 05.14.06 Technical thermophysics and industrial heat power engineering]. Kyiv. [in Russian language]
7. Tretyakov, A. F. (2015). Features of manufacturing technology for turbine blades with porous cooling. Inzhenernyi zhurnal: nauka i innovatsii, (6), 1–10. [in Russian language]
8. Wei, H., & Zu, Y. Q. (2021). Experimental study on heat transfer and throughflow losses characteristics of single/triple-row holes with an engine-representative density ratio. Case studies in thermal engineering, 28(9), 1–19. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101574
9. Marchukov, E. Yu., Starodumov, A. V., Ilyinkov, A. V., et al. (2022). Efficiency of film cooling of a flat surface in an accelerating flow during air injection through fan-shaped holes. Teploenergetika, (4), 70–80. [in Russian language]
10. Grine, M., Bouwmeel, H., Dellil, A. Z., & Azzi, A. (2020). Improving adiabatic film cooling efficiency in transverse and longitudinal directions by combining a dune-shaped barrier and antivortex arrangements. Teplofizika i aeromekhanika, 27(5), 787–797. [in Russian language]
11. Jua, Y., Liu, Y., Meng, Z., et al. (2024). The film cooling performance of spiral-channel holes on turbine guide vane. Case Studies in Thermal Engineering, 53(1), 1–16. https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103846
12. Wang, W., Cui, J., & Qu, S. (2022). Effects of hole arrangement and trenched hole on multirow film cooling. AIP Advances, 12(4), 1–13. https://doi.org/10.1063/5.0082980
13. Murray, A., Ireland, P., Wong, H., et al. (2018). High resolution experimental and computational methods for modelling multiple row effusion cooling performance. International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power, 3(1), 1–16. https://doi.org/10.3390/ijtpp3010004
14. Gao, W., Li, H., Li, L., et al. (2020). Numerical simulation of broken pin effects on the flow field and cooling performance of a double-wall cooling configuration. Chinese journal of aeronautics, 34(2), 358–375. https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.09.014
15. Vikulin, A. V., Yaroslavtsev, N. L., & Zemlyanaya, V. A. (2019). Investigation of transpiration cooling for blades of high-temperature gas turbines. Teploenergetika, (6), 27–32. [in Russian language]
16. Wambersie, A., Wong, H., Ireland, P., et al. (2021). Experiments of transpiration cooling inspired panel cooling on a turbine blade yielding film effectiveness levels over 95%. International journal of turbomachinery, propulsion and power, 6(2), 1–12. https://doi.org/10.3390/ijtpp6020016
17. Veretelnik, A. V. (2008). Study of the effectiveness of transpiration cooling for high-temperature gas turbines [Candidate of Technical Sciences dissertation abstract, Specialties 05.04.12 Turbomachines and combined turbo units, 01.04.14 Thermophysics and theoretical heat engineering]. Moscow. [in Russian language]
18. Huang, G., Zhu, Y.-H., Liao, Z., et al. (2020). Transpiration cooling with bio-inspired structured surfaces. Bioinspiration & Biomimetics, )5), 1–21.
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 700 руб. (в том числе НДС 20%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.
После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.
Для заказа скопируйте doi статьи:
10.14489/hb.2025.08.pp.055-061
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 700 rubles. (including VAT 20%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.
After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.
To order articles please copy the article doi:
10.14489/hb.2025.08.pp.055-061
and fill out the form
.
|
Текущий номер
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»