Simulation of Coupled Heat Transfer in Rotor/Stator Cavity of the Microturbine
Închide
Conţinutul numărului revistei
Articolul precedent
Articolul urmator
405 4
Ultima descărcare din IBN:
2020-08-12 09:34
Căutarea după subiecte
similare conform CZU
621.311.22 (9)
Electrotehnică (948)
SM ISO690:2012
ВОЛКОВ, Константин; ЛЕВИХИН, Артем; ВОЛОБУЕВ, Игорь; МЕЛЬНИКОВА, Анжелика. Simulation of Coupled Heat Transfer in Rotor/Stator Cavity of the Microturbine. In: Problemele Energeticii Regionale. 2019, nr. 3(44), pp. 43-50. ISSN 1857-0070.
10.5281/zenodo.3562185
EXPORT metadate:
Google Scholar
Crossref
CERIF

DataCite
Dublin Core
Problemele Energeticii Regionale
Numărul 3(44) / 2019 / ISSN 1857-0070

Simulation of Coupled Heat Transfer in Rotor/Stator Cavity of the Microturbine

Simularea transferului de căldură cuplat într-o cavitate rotativă a unei microturbine

Моделирование сопряженного теплообмена во вращающейся каверне микротурбины

DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.3562185
CZU: 621.311.22

Pag. 43-50

Волков Константин1, Левихин Артем2, Волобуев Игорь3, Мельникова Анжелика23
 
1 Университет Кингстона,
2 Балтийский государственный технический университет «Военмех»,
3 Санкт-Петербургский национальный исследовательский Университет информационных Технологий, Механики и Оптики
 
Disponibil în IBN: 26 decembrie 2019


Rezumat

The work is d to improving methods for calculating the cooling system of a microturbine with a rotor on air bearings. When designing gas turbines, it is important to integrate gas-dynamic calculations with thermal finite-element calculations. In practice, the conjugation of temperature fields in solids and liquids, as well as the transfer of thermal loads between the media are carried out using several approaches: direct, non-conjugate and sequential coupled. Numerical simulation of the coupled heat transfer in a cavity formed by the gap between the rotor and stator is carried out. To calculate the flow characteristics of a viscous compressible fluid and heat transfer. The degree of influence on the results of the type of turbulence model used, the influence of taking into account the conjugate heat transfer, is studied. The effect of the mass flow rate of the cooler on the flow structure and the cooling efficiency of the walls of the rotor and stator is investigated. A comparison is made with experimental data. Numerical experiments have shown that in typical cases the flow in the cavity is turbulent. The cooling efficiency has a limit on the flow rate of the cooler. The temperature distribution along the length of the rotor has a noticeable minimum in the region of the middle of the length of the rotor. The significance of the obtained results lies in the fact that the choice of the turbulence model weakly affects the calculation results and taking into account the conjugate nature of heat transfer is necessary.

Lucrarea este dedicată îmbunătățirii metodelor de calcul al sistemului de răcire a unei microturbine cu rotor pe lagărele de aer. Scopul constă în dezvoltarea unei metode numerice îmbunătățite care să țină seama de transferul de căldură conjugat. Obiectivul este atins folosind metoda dezvoltată pentru calcularea debitului într-o cavitate a unei turbine cu gaz, timp în care se studiază efectul asupra rezultatelor de calcul ale modelului de turbulență selectat și modelul de transfer de căldură. O turbină cu rotor cu rulmenți de aer este un model convenabil pentru testarea metodei numerice. Furnizarea de aer sub presiune excesivă în stratul de ungere a rulmenților asigură sporirea capacității lor de rulment. Este rațional de utilizat aerul furnizat pentru a răci statorul și rotorul turbinei. Pătrunderea gazelor reci și fierbinți duce la anumite pierderi. Gazul fierbinte care intră în cavitate duce la pierderea eficienței de răcire. Din aceste considerente, la proiectarea turbinei cu gaz, se prezintă important integrarea calculelor dinamice a mediului gazos cu calcule termice cu element finitS-a efectuat o comparațiea rezultatelor experimentale și cu rezultatele obținute prin calculele numerice standard prin metoda directă. Experimentele numerice au arătat că, în cazuri tipice, debitul în cavitate este turbulent, eficiența de răcire are o limită a debitului răcitorului, iar distribuția temperaturii rotorului pe lungimea cavității are un pronunțat minim în zona de de mijloc al lungimii. Rezultatele cele mai semnificative ale lucrării constau în faptul, că alegerea modelului de turbulență afectează relativ slab rezultatele calculului, dar este strict necesară de ținut cont de natura conjugată a transferului de căldură.

Работа посвящена совершенствованию методов расчета системы охлаждения микротурбины с ротором на воздушных подшипниках. Целью является разработка усовершенствованного численного ме-тода, учитывающего сопряженный теплообмен. Поставленная цель достигается выполнением с помощью разработанного метода расчетов течения в каверне газовой турбины, в процессе которых изучается влия-ние на результаты расчета выбранной модели турбулентности и модели теплообмена. Турбина с ротором на воздушных подшипниках является удобной моделью для отработки численного метода. Подача воздуха под избыточным давлением в смазочный слой подшипников увеличивает их несущую способность. Раци-онально использовать подаваемый воздух для охлаждения статора и ротора турбины. Проникновение хо-лодного и горячего газов приводит к определенным потерям. Холодный газ, попадая из каверны в основ-ной поток, приводит к понижению температуры рабочей среды в межлопаточном канале, что ведёт к по-терям показателей эффективности турбины. Горячий газ, попадая в каверну, приводит к потерям эффек-тивности охлаждения. При проектировании газовых турбин важным является интеграция газодинамиче-ских расчетов с тепловыми конечно-элементными расчетами. Существует несколько методов сопряжения температурных полей в жидкости и твердом теле, и передачи тепловых нагрузок между средами, которые и рассмотрены в данной статье: прямой, несопряженный и последовательно сопряженный. Выполнено сравнение с экспериментальными данными и данными эталонных численных расчетов прямым методом. Численные эксперименты показали, что в типичных случаях течение в каверне носит турбулентный ха-рактер, эффективность охлаждения имеет предел по расходу охладителя, а распределение температуры ротора по длине каверны имеет выраженный минимум в районе середины длины. Наиболее значимыми результатами работы являются выводы о том, что выбор модели турбулентности сравнительно слабо вли-яет на результаты расчета, а учет сопряженного характера теплообмена наоборот строго необходим.

Cuvinte-cheie
turbine, compressor, rotor, stator, heat transfer, Numerical simulation,

turbină, compresor, rotor, stator, transfer de căldură, simulare numerică,

турбина, компрессор, ротор, статор, теплообмен, численное моделирование