Диссертация (781919), страница 39
Текст из файла (страница 39)
С целью установления степени влияния способа изготовления на указанные характеристики была проведена серия экспериментальных исследований, входе которых получены гидравлические и тепловые характеристики образцов шероховатых каналов, изготовленных по SLM-технологии, и гладких каналов, изготовленных фрезерованием, ипроведено их сравнение.Исследования проводились на каналах прямоугольного сечения высотой h = 2 мм, ширинойs = 10 мм, длиной l = 120 мм.Модель гладкого канала изготавливалась фрезерованием с последующей шлифовкой внутренней поверхности пластин, которая обеспечивала величину шероховатости равнуюRa = 2,5 мкм.
Идентичный образец был изготовлен по SLM-технологии. Шероховатость внутренней поверхности составила Ra = 5,68 мкм. Испытание каналов осуществлялось в горизонтальном положении. Для подсоединения к рабочему участку экспериментального стенда изготовленные образцы каналов были присоединены к цилиндрическим стаканам (рисунок 4.5). Входе проведения экспериментальных исследований проводилось измерение расхода воздуха,продуваемого через каналы, а на входе и выходе из канала осуществлялось измерение температуры воздуха посредством хромель-копелевых термопар.Рисунок 4.5 – Геометрия модели плоского канала247На основе результатов, полученных в ходе холодных продувок и продувок в условияхвнешнего подогрева каналов, были построены расходные характеристики гладких и шероховатых каналов (рисунки 4.6 и 4.7).
Как следует из графиков, пропускная способность канала с шероховатостью, изготовленного по SLM-технологии, оказывается меньше в среднем на 5-6 %.10G, г/с8642011,21,41,61,822,22,42,62,833,2p/p0шероховатый каналгладкий каналРисунок 4.6 – Расходные характеристики каналов, полученные при холодных продувках1210G, г/с8642011,21,41,61,822,22,42,62,833,2p/p0гладкий каналшероховатый каналРисунок 4.7 – Расходные характеристики каналов, полученные при горячих продувках248На основе горячих продувок образцов каналов в жидкометаллическом термостате былиопределены распределения тепловых потоков в сечениях образцов для нескольких режимов течения. На каждом режиме проводилось пять повторных экспериментов, на основе результатовкоторых посредством осреднения были определены значения плотности теплового потока.
Наоснове полученных данных построены зависимости относительных коэффициентов теплоотдачи в виде Nu/Nu0, где базовое значение числа Нуссельта для различных режимов течения определялось в соответствии с выражением Nu0 = 0,018·Re0,8. Как следует из представленных на рисунке 4.8 зависимостей, на начальном участке канала (при соотношении l/d < 12) шероховатость практически не влияет на значение коэффициентов теплоотдачи. На участке l/d ≥ 12 происходит увеличение интенсивности теплоотдачи, которая возрастает по мере увеличения числаРейнольдса, однако рост этот не превышает 5 %.1,71,6Nu/Nu01,51,41,31,21,110,90369121215318l/d421524273061, 2 – Re = 35980; 3, 4 – Re = 52100; 5, 6 – Re = 69300; 1, 3, 5 – фрезерование; 2, 4, 6 – SLMтехнологияРисунок 4.8 – Распределение относительных чисел Нуссельта по длине каналаВ каналах систем охлаждения теплонапряженных деталей с целью увеличения коэффициента теплоотдачи устанавливаются интенсификаторы теплообмена различной геометрическойформы.
С целью определения влияния шероховатости поверхности на теплоотдачу в каналах сустановленными интенсификаторами были проведены сравнительные исследования прямоугольных каналов с установкой единичного интенсификатора в виде поперечного ребра высотой 0,25·h на одной из широких сторон канала на относительном расстоянии l/d = 15 от входа в249канал (рисунок 4.9). Как и при исследовании гладких каналов один из испытуемых образцовизготавливался фрезерованием (М1), а другой – по SLM-технологии (М2). Ребро выполненопрямоугольной формы шириной 0,5 мм с кромками, радиус скругления которых 0,02 мм.Рисунок 4.9 – Геометрия модели плоского канала с ребромКак и в случае с гладкими ребрами были проведены холодные продувки и продувки в кристаллизующемся цинке, на основе результатов которых построены расходные характеристики,представленные на рисунках 4.10 и 4.11. Расходные характеристики модели, изготовленной поSLM-технологии, как при холодных, так и при горячих продувках на графиках расположеныниже по сравнению с аналогичными характеристиками каналов, изготовленных фрезерованием.При этом стоит отметить, что отличие не превышает 5 %, на основе чего можно сделать предположение, что основное влияние на пропускную способность образцов оказывает местноесужение канала в зоне установки ребра.Так же, как и для гладких каналов, построены графики изменения Nu/Nu0 (гдеNu0 = 0,018·Re0,8) по длине канала для гладкой стенки и для стенки, на которой установленоребро, при трех значениях Re (рисунки 4.12, 4.13, 4.14).
Рост коэффициента теплоотдачинаблюдается на некотором расстоянии от ребра, в зоне возникновения отрыва потока. Максимум теплоотдачи смещен относительно установки ребра вниз по потоку на относительное расстояние l/d, равное 2-3. Интенсификация теплоотдачи наблюдается как на оребренной, так и напротивоположной, гладкой стенке канала, причем на гладкой стенке значение Nu/Nu0 в зонемаксимума ниже, чем на оребренной на 15-20 %. Полученные результаты хорошо согласуютсяс данными исследований [309, 310]. Влияние шероховатости канала на участке, где установленоребро, не наблюдается, Nu/Nu0 в модели М1 и М2 практически совпадают.
Влиянием шероховатости можно объяснить незначительное увеличение Nu/Nu0 на относительном расстоянии отвхода в канал l/d, превышающем 24.250108G, г/с642011,21,41,61,822,22,42,62,833,2p/p0гладкий каналшероховатый каналРисунок 4.10 – Расходные характеристики канала с ребром, полученные при холодных продувках10G, г/с8642011,21,41,61,822,22,42,62,833,2p/p0гладкий каналшероховатый каналРисунок 4.11 – Расходные характеристики канала с ребром, полученные при горячих продувках2511,91,81,7Nu/N01,61,51,41,31,21,1103691215l/d121832124273041 – М1, стенка с ребром; 2 – М2, стенка с ребром;3 – М1, гладкая стенка; 4 – М2, гладкая стенкаРисунок 4.12 – Распределение Nu/Nu0 по длине канала при Re = 360201,71,6Nu/Nu01,51,41,31,21,11036912115l/d218321242741 – М1, стенка с ребром; 2 – М2, стенка с ребром;3 – М1, гладкая стенка; 4 – М2, гладкая стенкаРисунок 4.13 – Распределение Nu/Nu0 по длине канала при Re = 52100302521,61,51,4Nu/Nu01,31,21,110,9036912151821242730l/d12341 – М1, стенка с ребром; 2 – М2, стенка с ребром;3 – М1, гладкая стенка; 4 – М2, гладкая стенкаРисунок 4.14 – Распределение Nu/Nu0 по длине канала при Re = 69300Результаты экспериментальных исследований гладких каналов и каналов с единичнымиинтенсификаторами позволяют сделать вывод, о слабом влиянии шероховатости поверхностиканалов охлаждения, обусловленной их изготовлением по SLM-технологии, на уровень теплоотдачи.
Стоит также отметит, что в реальных конструкциях охлаждаемых теплонапряженныхдеталей относительный шаг установки интенсификаторов теплообмена существенно меньше,чем l/d = 3, а, следовательно, влияние шероховатости на величину локальных коэффициентовтеплоотдачи от внутренних поверхностей к охлаждающему воздуху соизмеримо с погрешностью их экспериментального определения методом калориметрирования в жидкометаллическом термостате, что доказывает возможность применения аддитивных технологий для изготовления прототипов теплонапряженных деталей с целью экспериментального подтвержденияих расчетных характеристик на ранних стадиях проектирования.4.3 Отработка усовершенствованной методики проектирования теплонапряженных деталей напримере рабочей лопатки газовой турбиныС целью подтверждения работоспособности и эффективности усовершенствованной методикипроектированиятеплонапряженныхдеталей былпроведенкомплексрасчетно-253экспериментальных исследований, включающий расчетное определение гидравлических и тепловых характеристик с использованием модели гидравлической сети и тепловой модели охлаждаемой лопатки, а также их экспериментальное определение на основе испытаний прототипов, изготовленных по SLM-технологии, и последующее сравнение полученных данных с результатами испытаний опытного образца лопатки, выполненного литьем по выплавляемымимоделям.В качестве объекта исследования для отработки методики была выбрана рабочая лопаткагазотурбинной установки АЛ-31СТН с конвективной системой охлаждения (рисунок 4.15).Рисунок 4.15 – Рабочая лопатка газотурбинной установки, изготовленная по серийной технологииНа рисунке 4.16 представлена трехмерная модель прототипа, разработанная с целью изготовления образца по SLM-технологии для проведения испытаний.
Прототип выполнен с фланцем для подсоединения к рабочему участку испытательного стенда и имеет коллекторы для отвода воздуха из выходной щели и торцевых отверстий. Замковая часть модели лопатки выполнена с утонченными стенками для уменьшения тепловой инерции. В остальном разработаннаяэлектронная модель полностью повторяет геометрию внешних обводов пера и внутренней полости рассматриваемой лопатки. Лопатка имеет канальную схему охлаждения с интенсификацией теплообмена посредством организации воздушных струй через отверстия в перегородкахсо стороны корыта. На периферии часть воздуха выходит из лопатки через отверстия в торцепера, другая часть разворачивается на 180 градусов в сторону замка и вытекает через щель вы-254ходной кромки в проточную часть турбины. В корневых сечениях для интенсификации теплообмена перед выходной кромкой установлены два ряда штырьков, а в щелевом канале выходной кромки расположены наклонные ребра.В соответствии с разработанной электронной моделью для проведения испытаний по SLMтехнологии изготовлен прототип, фотография которого представлена на рисунке 4.17. Прототипбыл изготовлен из того же материала, что и образцы прямоугольных каналов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
