Серия «Машиностроение»

Учет особенностей теплоотдачи в проточных частях турбонасосных агрегатов (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является важной задачей. Сопряженная задача течения с теплообменом, в том числе и при вращательных течениях в элементах проточных частей ТНА ЖРД, решается с помощью следующих подходов: численные методы, аналитическое совместное решение уравнений движения и энергии и использование эмпирических уравнений. Наличие теплообмена значительно влияет на рабочие характеристики ТНА ЖРД.

При проектировании проточных частей узлов и агрегатов ТНА ЖРД важно учитывать влияние теплообмена и как следствие – температуры потока рабочего тела по длине проточного тракта, в связи с тем, что вязкость напрямую зависит от температуры и определяет потери и режим течения.

В агрегатах подачи, особенно при использовании криогенных компонентов топлива, незначительный подогрев рабочего тела может привести к вскипанию компонентов и падению рабочих характеристик. С другой стороны, недостаточная (нерасчетная) температура компонента в проточной части для некоторых видов рабочих тел (например гелеобразных компонентов) приводит к повышенной вязкости и снижению КПД агрегата.

При исследовании задачи вращательных течений с теплообменом необходимо совместное решение уравнений движения и энергии в граничных условиях проточных частей ТНА ЖРД с учетом теории пространственного пограничного слоя.

Процессы теплоотдачи в энергетических установках во многом схожи, но при анализе и выводе уравнений теплообмена для граничных условий ЖРД существуют определенные отличия. Основные отличия заключаются в следующем: экстремально высокие значения тепловых потоков, температур и давлений, наличие высоких скоростей потоков, начальное турбулентное состояние потоков в активной зоне, рабочие тела могут находиться в газообразном и жидком состоянии, эффекты кривизны поверхности.

С использованием аналитического подхода определены уравнения для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи в виде критериев Стантона для наиболее важных случаев, реализующихся при течении в полостях вращения ТНА ЖРД. Получены локальные коэффициенты теплоотдачи при прямолинейном течении, вращательных течениях, реализующихся в полостях между рабочим колесом и корпусом турбины и центробежного насоса (течение по закону твердого тела), в подводящих и отводящих аппаратах (течение по закону свободного вихря). Полученные аналитические выражения для локальных коэффициентов теплоотдачи хорошо согласуются с результатами исследований других авторов и имеют практическое применение при расчете характеристик тракта ТНА ЖРД.

Aerodynamic design method of micro-scale radial turbines considering the effect of wall heat transfer / Z. Li, Z. Zou, L. Yao, C. Fu, L. Bian, W. Zhang // Applied Thermal Engineering. – 2018. – Vol. 138. – P. 94–109. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.04.051

Chen, Y. Experimental Study on the Conjugate Heat Transfer of Double-wall Turbine Blade Components with/without Pins / Y. Chen, H. Wei, Y.Q. Zu // Thermal Science and Engineering Progress. – 2018. – Vol. 8. – P. 448–456. DOI: 10.1016/j.tsep.2018.09.010

Mobtil, M. Experimental study of inverse identification of unsteady heat transfer coefficient in a fin and tube heat exchanger assembly / M. Mobtil, D. Bougeard, S. Russeil // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 125. – P. 17–31. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.04.028

Heat transfer in turbocharger turbines under steady, pulsating and transient conditions / R.D. Burke, C.R.M. Vagg, D. Chalet, P. Chesse // International Journal of Heat and Fluid Flow. – 2015. – Vol. 52. –P. 185–197. DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2015.01.004

Fadl, M. Full conjugate heat transfer modelling for steam turbines in transient operations / M. Fadl, P. Stein, L. He // International Journal of Thermal Sciences. – 2018. – Vol. 124. – P. 240–250. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2017.10.025

Winkler, S. Flow structure and surface heat transfer from a turbine component endwall contoured using the ice formation method / S. Winkler, B. Weigand, P. Ligrani // International Journal of Heat and Mass Transfer – 2018. – Vol. 120. – P. 895–908. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.12.028

.Effects of a pocket cavity on heat transfer and flow characteristics of the endwall with a bluff body in a gas turbine engine / J. Liu, S. Hussain, L. Wang, G. Xie, B. Sundén // Applied Thermal Engineering. – 2018. – Vol. 143. – P. 935–946. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.08.020

Park, J.S. Heat and mass transfer characteristics on the first-stage gas turbine blade under unsteady wake flow / J.S. Park, W. Choi // International Journal of Thermal Sciences. – 2019. – Vol. 138. – P. 314–321. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.01.008

Effect of the wake on the heat transfer of a turbine blade end wall according to relative position of the cylindrical rod / S.M. Choi, J. Kim, M. Bang et al. // International Communications in Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 94. – P. 61–70. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2018.03.011

A 3D analytical model for orthogonal blade-vortex interaction noise / M.E. Quaglia, T. Léonard, S. Moreau, M. Roger // Journal of Sound and Vibration. – 2017. – Vol. 399. – P. 104–123. DOI: 10.1016/j.jsv.2017.03.023

Shaeri, M.R. Analytical heat transfer model for laterally perforated-finned heat sinks / M.R. Shaeri, R.W. Bonner // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2019. – Vol. 131. – P. 1164–1173. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.11.138

Analytical solution to heat transfer in compressible laminar flow in a flat minichannel / C. Bao, Z. Jiang, X. Zhang, J.T.S. Irvine // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 127. – P. 975–988. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.08.084

Verstraete, D. Impact of heat transfer on the performance of micro gas turbines / D. Verstraete, C. Bowkett // Applied Energy. – 2015. – Vol. 138. – P. 445–449. DOI: 10.1016/j.apenergy.2014.10.075

Rannie, W.D. Heat transfer in turbulent shear flow / W.D. Rannie // J. Aeronaut. Sci. – 1956. – Vol. 23. – P. 485–489.

Stechman, R.C. Design criteria for film cooling for small liquid-propellant rocket engines / R.C. Stechman, J. Oberstone, J.C. Howell // J. Spacecr. Rocket. – 1969. – Vol. 6. – P. 97–102.

Bartz, D.R. A simple equation for rapid estimation of rocket nozzle convective heat transfer coefficients / D.R. Bartz // Jet. Propuls. ARS J. – 1957. – Vol. 27. – P. 49–51.

Романенко, П.Н. Тепломассообмен и трение при градиентном течении жидкостей / П.Н. Романенко. – М.: Энергия, 1971. – 568 с.

Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. – М.: Наука, 1974. – 712 с.

Shine, S.R. Review on film cooling of liquid rocket engines / S.R. Shine, S.S. Nidhi // Propulsion and Power Research. – 2018. – Vol. 7 (1). – P. 1–18. DOI: 10.1016/j.jppr.2018.01.004

Кейс, В.М. Конвективный тепло- и массообмен: пер. с англ. / В.М. Кейс. – М.: Энергия, 1972. – 448 с.

Кишкин, А.А. Локальная теплоотдача в граничных условиях турбомашин / А.А. Кишкин, А.А. Зуев, В.П. Леонов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2015. – № 1 (658). – С. 3–10.

Chapman, D.R. Measurements of turbulent skin friction on cylinders in axial flow at subsonic and supersonic velocities / D.R. Chapman, R.H. Kester // JAS. – 1953. – Vol. 20. – P. 441–448.

Shevchuk, I.V. Convective Heat and Mass Transfer in Rotating Disk Systems / I.V. Shevchuk. – Springer, 2009. – 235 p.

Дорфман, Л.А. Гидродинамическое сопротивление и теплоотдача вращающихся тел / Л.А. Дорфман. – М.: Физматгиз, 1960. – 260 с.

Owen, J.M. Flow and heat transfer in rotating disc systems. Rotor-stator systems / J.M. Owen, R.H. Rogers. – Taunton: Research Studies Press, 1989. – 302 p.