Эффективность охлаждения и теплопередача в тепловой завесе, создаваемой пористым вдувом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Зубарев, Владимир Михайлович

• Зубарев, Владимир Михайлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зубарев, Владимир Михайлович

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач ис I ' . ; следования.

1.1. Общие соображения.

1.2. Характеристики пористых проницаемых материалов

1.3. Внутренний теплообмен в пористых материалах.

1.4. Теплообмен на поверхностях охлаждаемой пористой стенки.

1.4.1. Теплоотдача от пористой стенки к охлаждающему воздуху со стороны его входа.

1.4.2. Теплоотдача к поверхности пористой стенки, обращенной к источнику теплоты.

1.4.3. Расчетный метод определения температурного состояния охлаждаемой пористой стенки.

1.5. Эффективность охлаждения пористой стенки.

1.6. Цели и задачи настоящего исследования

ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование эффективности тепловой завесы и теплоотдачи при пористом вдуве.

2.1. Описание экспериментальных установок.

2.2. Программа и методика проведения опытов. Замеряемые величины.

2.3. Оценка точности полученных результатов.

ГЛАВА 3. Процессы теплопередачи в рассматриваемой системе.

3.1. Анализ термодинамических процессов в рассматриваемой системе и составление уравнения теплового баланса.

3.2. Методика расчета основных параметров для обобщения результатов.

ГЛАВА 4. Результаты опытов и их обобщение.

4.1. Представление результатов термометрирования'.

4.2. Обобщение результатов опытов по эффективности охлаждения.

4.3. Обобщение результатов опытов по теплоотдаче к пористой стенке.

4.4. Результаты опытов по теплоотдаче от пористой стенки к входящему в нее воздуху.

ГЛАВА 5. Расчет температуры пористой стенки.

5.1. Температурное состояние пористой стенки.

5.2. Расчет температуры пористой стенки по обобщенной зависимости эффективности охлаждения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффективность охлаждения и теплопередача в тепловой завесе, создаваемой пористым вдувом»

Совершенствование современных газотурбинных двигателей (ГТД) идет по пути дальнейшего повышения начальных параметров цикла - температуры газа перед турбиной Тг и степени повышения давления воздуха в * компрессоре жк. При этом можно улучшать основные показатели двигателя: удельный расход топлива, удельную мощность, коэффициент полезного действия. Существующие ограничения по термостойкости и термопрочности материалов, из которых изготавливаются детали, подвергающиеся воздействию больших тепловых потоков, заставляют разрабатывать весьма сложные системы интенсивного их охлаждения. Затраты энергии на реализацию охлаждения при высоких значениях Тг могут стать настолько существенными, что поглотят значительную долю тех преимуществ, которые были получены за . * счет увеличения Т г. Поэтому выбор оптимального способа тепловой "защиты i следует считать актуальной задачей.

Исследованию систем охлаждения сопловых и рабочих лопаток турбин, дисков, камер сгорания, опорных узлов, элементов корпуса двигателя посвящено большое количество работ. Достаточно подробно исследованы процессы теплоотдачи и теплопередачи для широкого круга геометрических и режимных параметров, имеющих место в реальных условиях работы транспортных авиационных двигателей.

Однако появившееся сравнительно недавно новое направление в применении авиационных ГТД поставило некоторые проблемы, которые недостаточно изучены в настоящее время и поэтому требуют своего решения. Это направление - наземное применение авиационных высокотемпературных двигателей в стационарных условиях в качестве газогенераторов привода насосов и компрессоров на станциях перекачки энергоносителей и электрогенераторов на миниэлектростанциях.

Особенностями эксплуатации таких двигателей являются: непрерывность работы в течение длительного времени на стационарном теплонапряженном режиме; отсутствие естественного обдува мотогондолы и корпуса двигателя высокоскоростным потоком холодного (- 40.- 50°С) воздуха, что имеет место в условиях полета на крейсерском режиме.

Указанные особенности приводят к тому, что поверхность корпуса двигателя нагревается до высоких температур (особенно в условиях летней эксплуатации) и становится источником тепловых потоков в окружающее пространство отсека, в результате чего температура воздуха внутри отсека превышает экологически допустимые нормы (может превышать 100°С). Это ухудшает условия работы двигателя, ведет к перегреву наружных коммуникаций: оплавлению кабельной обвязки, отказу элементов освещения и управления в отсеке, выходу из строя и ложному срабатыванию датчиков пожарной сигнализации, снижает ресурс работы трубопроводов и их соединений, вспомогательных агрегатов. Все это затрудняет техническое обслуживание двигателя, его внешний осмотр и диагностику персоналом станции.

Применяемые на существующих станциях перекачки энергоносителей системы вентиляции отсеков, где находятся газотурбинные установки, частично решают эти проблемы. Однако оптимальность конструкции этих систем должна обеспечивать выполнение ряда очень важных требований. Например, плохая система вентиляции может привести к неоднородному по окружности распределению температуры корпуса, что может значительно сказаться на радиальных зазорах рабочих лопаток турбин и негативно повлиять на эксплуатационные и экономические характеристики двигателя [1]. Кроме того, применение вентиляции требует дополнительных энергетических затрат. Температуру1 наружных каналов и корпусов газотурбинного двигателя можно понизить при помощи метода тепловой изоляции, который заключается в использовании материалов с малой теплопроводностью [2] и изготовлении корпусов из листового материала, причем некоторые из них должны быть съемными, чтобы можно было осуществлять контроль и операции по обслуживанию. В случае размещения стационарных установок в двигательных боксах или отделениях часто можно обойтись без этих довольно сложных и дорогих методов защиты от теплового излучения за счет использования самого двигателя для вентиляции того помещения, в котором он работает. Это осуществляется путем отвода теплоты активной вентиляцией помещения. Выхлопная труба двигателя (рис. В. 1а) окружается кожухом, простирающимся выше выхлопной трубы двигателя. Воздух засасывается^ из помещения за счет эжекции выхлопных газов, движущихся по выхлопной трубе с высокой скоростью. По данным [2] такой способ вентиляции обеспечивает расход эжектируемого воздуха 210 м3/мин. Однако информация о количественной оценке эффекта снижения температуры отсека и корпуса двигателя отсутствует.

Кроме того, вентиляция требует открытости отсека для продувки, что неблагоприятно с точки зрения пожароопасности.

Нами также были рассмотрены и проанализированы описания изобретений к патентам Российской Федерации, достаточно близкие к рассматриваемой теме тепловой защиты стационарного приводного газотурбинного двигателя. Так, в патенте RU 2161715 С2 (рис. В.16) для подачи охлаждающего воздуха через сопловые щели на горячий корпус двигателя используется блок вентиляторов. А в патенте RU 2166656 С2 применена еще более сложная система тепловой защиты с использованием центробежного вытяжного вентилятора, обеспечивающего охлаждение корпуса двигателя и вентиляцию контейнера. И в том, и в другом случаях имеют место существенные затраты энергии.

Рис. В.la. Использование выхлопных газов газотурбинного двигателя для вентиляции помещения; 1 - двигатель; 2 - выхлопная труба; 3 - капот; 4 - крыша бокса; 5 - воздух вентиляции. блок вентиляторов

Вид А

Рис. В. 16

Схема струйного охлаждения корпуса двигателя и вентиляции помещения отсека ( патент RU 2161715 С2)

В патенте RU 2246017 С2 ( рис В. 1в ) кроме центробежного вентилятора, обеспечивающего вытяжную вентиляцию отсека, от компрессора отбирается активный воздух, создающий эжектирующий эффект, способствующий удалению горячего воздуха из зоны под внешней оболочкой двигателя. К сожалению, нет информации об оценке энергетических затрат на реализацию столь сложной системы тепловой защиты.

В описании к патенту RU 2252326 С1 (рис. В. 1г) делается отбор воздуха из разных зон компрессора, который далее делится на индивидуальные потоки, охлаждается в теплообменниках и дозированно подается к объектам охлаждения в соответствии с требуемыми параметрами. Проблема вентиляции отсека данными мероприятиями не решается.

Актуальным является вопрос организации эффективной тепловой защиты отсека от горячего двигателя, а также обеспечение допустимой и равномерной по окружности температуры корпуса турбины и других горячих частей.

Предварительное рассмотрение и проведенный расчетный анализ известных и наиболее широко применяемых способов охлаждения, использующих вынужденную конвекцию, в том числе с различными интенсифика-торами (ребра, штырьки, лунки и т. п.) исключают возможность их использования в данном случае, т. к. сложная конфигурация поверхности корпуса и наличие обвязки при заданных расходах охлаждающего воздуха не позволяют организовать каналы для обеспечения скоростного потока, способного снять необходимое количество теплоты.

Обзор работ по исследованиям различных способов охлаждения горячих деталей позволяет утверждать, что наиболее экономичным и эффективным способом воздушного охлаждения является проникающее пористое.

Рис. В. 1 в

Схема вытяжной вентиляции отсека и эжектирования горячего воздуха из под оболочки корпуса двигателя (патент RU 2166656 С2) разных ступеней компрессора с промежуточным его охлаждением ( патент RU 2252326 С1)

Это утверждение иллюстрируется рисунком В.2, [3] а также подтверждается работами [3.8]. Все известные исследования теплоотдачи и эффективности охлаждения пористым вдувом относятся к соплам ракетных двигателей и лопаткам высокотемпературных ГТД, где имеется высокоскоростной сносящий горячий поток рабочего тела.

Тепловую завесу в предлагаемом способе предполагается создавать, подавая охлаждающий воздух через пористую оболочку, окружающую наиболее нагретые участки корпуса двигателя (в районе камеры сгорания, турбины, выходного сопла). Использование пористого вдува для организации тепловой завесы в горячей зоне вблизи корпуса двигателя представляется привлекательным, т. к. интенсивное "гашение" теплового потока обеспечивается уже на некотором удалении от проницаемой охлаждаемой стенки охладителем, вышедшим из пор, вектор скорости которого направлен навстречу вектору теплового потока. При этом нет необходимости конструировать специальные каналы охлаждения, что было бы затруднительно ввиду специфики конструкции корпуса ГТД.

Характерной особенностью такой организации охлаждения является отсутствие динамического пограничного слоя (сносящего потока), противодавления. Пограничный слой на поверхности теплообмена в данном случае характеризуется режимом сверхкритического вдува, при котором имеет место оттеснение горячей среды от проницаемой поверхности. Кроме того, значительное количество теплоты снимается внутри пористого материала при протекании охладителя по поровым каналам. Со стороны подвода охладителя теплообмен с пористой стенкой интенсифицируется отсосом пограничного слоя. Термодинамические зависимости, описывающие процессы теплоотдачи в соплах и лопатках тепловых двигателей, неприменимы к данному случаю.

Рис. В.2. Эффективность различных способов охлаждения лопаток турбин [3]:

1,2,3 - различные варианты 4 - комбинированная 5 - пленочное охлаждение; конвективного охлаждения; система охлаждения; 6 - пористое охлаждение.

Поэтому для подтверждения правомерности и обоснованности сделанного выбора способа тепловой защиты необходимо провести экспериментальное исследование с целью разработки расчетных рекомендаций, позволяющих оценить и прогнозировать температурное состояние оболочки корпуса на базе полученных в опытах зависимостей по теплоотдаче и эффективности охлаждения пористой стенки при заданном расходе воздуха и температурном факторе.

Автор защищает:

1. Обобщенные результаты опытного исследования эффективности охлаждения (тепловой завесы) и процессов теплоотдачи в кольцевых (щелевых) каналах между внутренней - нагретой, средней — пористой охлаждаемой и наружной непроницаемой ресиверной стенками при вдуве воздуха через пористую стенку из ресивера в направлении нагретой стенки при отсутствии сносящего потока и противодавления.

2. Рекомендации по расчету температуры пористой стенки, возможность прогнозирования температурного состояния пористой стенки и оболочки в случае применения данного способа охлаждения на двигателях наземного применения при использовании обобщенных зависимостей, полученных экспериментальным путем.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Зубарев, Владимир Михайлович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Из анализа известных способов воздушного охлаждения горячих элементов ГТД и энергоустановок выбран наиболее эффективный - тепловая завеса пористым вдувом. Предложена принципиальная схема тепловой защиты оболочки корпуса двигателя и отсека. Созданы модельные установки для изучения эффективности охлаждения и процессов теплопередачи в предложенных схемах.

2. Составлены уравнения баланса тепловых потоков, отражающие механизм теплопередачи в рассматриваемой системе охлаждения.

3. Проведены экспериментальные исследования температурного состояния всех элементов предлагаемой системы тепловой завесы. Изучены температурные поля в широком диапазоне изменения расхода охлаждающего воздуха и температурного фактора.

4. Установлено влияние расхода охлаждающего воздуха и температурного фактора на эффективность охлаждения пористой стенки и на коэффициенты теплоотдачи с холодной и горячей сторон пористой стенки.

5. Получены обобщающие зависимости по эффективности охлаждения и теплоотдаче к пористой стенке с горячей и холодной сторон, позволяющие производить расчет температуры пористой стенки. Установлено, что увеличение массового расхода охлаждающего воздуха pw от 20 до 200 г/м2- снижает температуру пористой стенки. Увеличение массового расхода выше оптимальных значений не приводит к дальнейшему снижению температуры стенки, т.к. температура стенки становиться практически равной температуре входящего воздуха. При этом влияние температурного фактора становиться незначительным.

6. Расчет температуры пористой стенки с параметрами натурного двигателя подтвердил эффективность предложенной схемы тепловой завесы.

7. Полученные зависимости позволяют прогнозировать температуру пористой стенки и наружной оболочки двигателя при использовании подобной системы тепловой завесы, на раннем этапе проектирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зубарев, Владимир Михайлович, 2008 год

1. Газотурбинные технологии. Специализированный информационно-аналитический журнал. Апрель, 2006, №2.

2. А. Джадж. Газотурбинные двигатели малой мощности. ИИЛ., Москва, 1963.

3. Манушин Э.А., Барышникова Э.С., Системы охлаждения турбин высокотемпературных ГТД / Итоги науки и техники. Серия «Турбостроение». 1980, т.2, 280с.

4. Майоров В.А. Течение и теплообмен однофазного охладителя в пористых металлокерамических материалах. Теплоэнергетика, 1978, №1, с. 64-70.

5. Епифанов В.М., Манушин Э.А. Некоторые результаты исследования пористого охлаждения лопаток газовых турбин / ИФЖ, 1975, т. XXVIII, №3, с. 533-544.

6. Полежаев Ю.В., Селиверстов Е.М. Универсальная модель теплообмена в системах с проникающим охлаждением ТВТ, 2002, т. 40, №6, с. 922-930.

7. Научные основы технологий XXI века / Леонтьев А.И., Пилюгин Н.Н., Полежаев Ю.В., Поляев В.М. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000, 136с.

8. Локай В.И., Дезидерьев С.Г. К расчету температуры турбинных лопаток при эффузионном охлаждении / Труды КАИ, 1968, вып. 101, с. 15-20

9. Авдуевский B.C. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. М., «Машиностроение», 1975, 623с.

10. Гулицкая А.А., Карпова О.Б., Тарасевич С.Э. Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче при вдуве газа в зазор с односторонним выходом. Тезисы докладов НТК по итогам работы за 1992-1993г.г., Казань, КГТУ, 1994г., с. 64.

11. Карпова О.Б., Тарасевич С.Э., Щукин В.К. Гидравлическое сопротивление в глухом плоском канале с односторонним закритическим вдувом. Рабочие процессы в охлаждаемых турбомашинах и энергетических установках. Казань, КГТУ, 1995г., с. 50-57.

12. Карпова О.Б., Тарасевич С.Э., Щукин В.К. Теплообмен в глухом плоском канале с односторонним вдувом. Изв. Вузов Авиационная техника, 1994г., №1, с. 76-79

13. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М., «Высшая школа», 1975, 495с.

14. Щукин В.К. и др. Исследование течения и внутреннего теплооьмена в пористых волокнистых материалах. Теплофизика высоких температур, 1976, т. 14, вып. 2, с. 412-415.

15. Халатов А.А. и др. Гидравлические характеристики пористых, металлических материалов. Труды КАИ, 1974, №178, с. 53-58.

16. Дружинин С.А. О расчете внутреннего теплообмена при пористом охлаждении. Теплоэнергетика, 1961, №9, с. 73-77.

17. Исследование гидравлических и теплофизических характеристик пористых материалов. ИТТФ АН УССР. Киев, 1970г. (отчет), 56с.

18. Белов С.В. и др. Критериальная зависимость для коэффициента гидравлического сопротивления пористых металлов. ИВУЗ «Машиностроение», 1976, №8, с. 77-80.

19. Масалов Я.Ф. Метод построения номограмм для вычисления массовых расходов жидкостей и газов, протекающих через пористые стенки. В сб. «Теплофизические свойства и газодинамика высокотемпературных сред», 1972, с. 114-122.

20. Полежаев Ю.П., Протасов М.В., Селиверстов Е.М. Обобщенный закон гидравлического сопротивления проницаемого слоя. Теплофизика высоких температур, 2003г., т. 41, №6, с. 970-972.

21. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. М., «Машиностроение», 1981,248 с.

22. Максимов Е.А., Страдомский М.В. Исследование темплообмена в пористом материале. «Теплофизика и теплотехника», 1972. вып. 22, с. 3032.

23. Белов С.В. Коэффициенты теплоотдачи в пористых металлах. Теплоэнергетика, 1976, №3, с. 74.77.

24. Ерошенко В.М., Яскин JI.A. Теплообмен при вынужденной конвекции жидкости внутри пористых спеченных материалов. ИФЖ, т. XXX, №1, 1976, с. 5.13.

25. Белов С.В. и др. Коэффициенты потерь давления в пористой среде при ламинарном течении жидкости в порах. ИВУЗ "Машиностроение", 1971, №4, с. 79-84.

26. Майоров В.А. Течение и теплообмен однофазного охладителя в пористых металлокерамических материалах. Теплоэнергетика, 1978, №1, с. 64.70.

27. Поляев В.М., Сухов А.В. Исследование теплообмена при течении газа через пористую стенку с внутренним источником тепла. ИВУЗ, "Машиностроение", 1969, №8, с. 77.82.

28. Дезидерьев С.Г., Каримова А.Г., Локай В.И. Результаты экспериментального исследования внутреннего теплообмена в пористых образцах с малыми размерами пор. ИВУЗ, "Авиационная техника", 1975, №3, с. 36.39.

29. Grootenhuis P / Mechanism and application of effusion cooling. Journal of the RAS, v. 63, №578, 1959, p.p. 73-89.

30. Bernicker R.P. An investigation of porous wall cooling. ASME Paper, NO 60-A-223. Aug., 1960.

31. Селиверстов E.M. Исследование и разработка методов расчета систем проникающего охлаждения для лопаток высокотемпературных газовых турбин. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 2004, 16 с.

32. Bayley F.J., Turner А.В / The heat-transfer performance of porous gas turbine blades. The aeronautical journal of the RAS, v.72, №696, december, 1968, p.p. 1087-1094.

33. Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Идиатуллин H.C., и др. Теория и техника тепло физического эксперимента. Учеб. пособие для вузов под ред. В.К. Щукина. М. Энергоатомиздат, 1985, 360 с.

34. Щукин В.К. Градиентный метод исследования теплоотдачи около проницаемой поверхности. Теплофизика высоких температур, т.7, 1969, №3, с. 459.463.

35. Локай В.И., Дезидерьев С.Г. К расчету температуры турбинных лопаток при эффузионном охлаждении. Труды КАИ, вып. 101, 1968г., с. 25.28.

36. Епифанов В.М. Метод расчетного определения температурного состояния плоской пористой стенки. ИВУЗ «Машиностроение», 1976, №3, с. 79.83.

37. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. М., «Машиностроение», 1979, 447 с.

38. Каримова А.Г., Дезидерьев С.Г., Зубарев В.М., Саттаров И.Х., Хабибул-лин М.Г. Анализ возможности применения заградительного охлаждения для защиты наружной оболочки ГТД наземного применения. Труды

39. Третьей Российской национальной конференции по теплообмену, том 2, г. Москва, МЭИ, 2002, с. 124. 128.

40. Зайдель А.Н. Ошибки измерения физических величин. М.:Наука, 1980. - 180с.

41. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник / Под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. -519с.

42. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. 3 изд. -М.: Энергия, 1978. - 704с.

43. Теория и техника теплофизического эксперимента. Учеб. Пособие для ВУЗов / Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин и др.; Под ред. В.К. Щукина. -М.: Энергоиздат, 1985. 360с.

44. Зубарев В.М. Методы определения граничных условий теплообмена для случая тепловой завесы / А.Г. Каримова, С.Г. Дезидерьев, В.М. Зубарев, М.Г. Хабибуллин// Вестник КГТУ-КАИ им. А,Н. Туполева, №1, 2005, Изд. КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань, с. 12-16.

45. Зубарев В.М. Результаты экспериментального исследования процессов теплообмена и эффективности тепловой завесы при пористом вдуве/ А.Г. Каримова, С.Г. Дезидерьев, В.М. Зубарев, М.Г. Хабибуллин // ИВУЗ «Авиационная техника» №1, 2006г., с. 37.39.\